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电学史

电学史
时间 发现/发明
-600年 摩擦起电
1747年 尖端放电
1753年 静电感应
1785年 库仑定律
1800年 伏打电池
1826年 安培定律
1831年 电磁感应
1865年 马克士威方程组
1887年 光电效应
1891年 电子命名
1906年 真空三极管
1947年 同步辐射
1958年 集成电路

根据记载，电的历史可以追溯到公元前六世纪，古希腊七贤之一的学者泰勒斯观察到用布摩擦后的琥珀会吸引如羽毛等轻小的东西。英国人Stephen Gray(1696～1736)发现了物质可以分为导体和绝缘体[1]。1733年法国人Charles du Fay发现摩擦产生的电有“像琥珀所生的电”和“像玻璃所生的电”两种；拥有玻璃电的物质会排斥带电丝线，而拥有琥珀电的物质会吸引带电丝线[2]。1747年3月11日，富兰克林描述了“尖端放电”现象，并利用这一原理制造出避雷针[1]。1785年，法国人夏尔·库仑发现了库仑定律。

1826年，法国化学家安德烈-玛丽·安培提出安培定律。1831年，迈克尔·法拉第发现了电磁感应现象。1859年，德国物理学家尤利乌斯·普吕克将真空管两端的电极之间通上高压电，制成阴极射线。1897年，约瑟夫·汤姆森做实验证实，阴极射线是由带负电的粒子组成，并称之为电子[3]:335。1887年德国物理学者海因里希·赫兹观察到光电效应[4][5]。1947年，在通用电器实验室，物理学家发现了同步辐射[6]。

古代 编辑

 
泰勒斯是人们所知最早研究电现象的科学家。

早在对于电有任何具体认知之前，人们就已经知道发电鱼（electric fish）会发射电击。根据公元前2750年撰写的古埃及书籍，这些鱼被称为“尼罗河的雷使者”，是所有其它鱼的保护者。大约两千五百年之后，根据纪录，希腊、罗马、后来的阿拉伯，在这些地方的自然学者、医生等等，对于电鲶和地中海的电鳐所散发出的强烈电击仍旧感到极为困惑。[7]。古代罗马医生斯克力邦尼·拉格斯（Scribonius Largus）在著作《医学精选》（Compositiones Medicae）里建议，患有像痛风或头疼一类病痛的病人去触摸电鳐，或许强劲的电击会治愈他们的疾病[8]:182-185[9]:6。

阿拉伯人可能是最先了解闪电本质的族群。他们也可能比其它族群都先找出电的其它来源。早于15世纪以前，阿拉伯人就创建了“闪电”的阿拉伯字 “raad”，并将这字用来称呼电鳐[10]:171。

在地中海区域的古老文化里，很早就有文字记载，将琥珀棒与猫毛摩擦后，会吸引羽毛一类的物质。公元前600年左右，希腊的哲学家泰勒斯做了一系列关于静电的观察，从这些观察中，他推论摩擦会使琥珀变得磁性化。这与像磁铁矿一类矿石的性质大不相同；磁铁矿天然地具有磁性[11]:50。泰勒斯的见解并不正确；但后来，科学会证实磁与电之间的密切关系。

近代 编辑

十七世纪 编辑

 
1600年吉尔伯特制成的静电验电器是一种可以探测静电电荷的验电器。
 
1663年格里克发明的硫磺球摩擦起电装置

几千年来，电只不过是学者们好奇的智慧玩意儿，直到1600年，由于威廉·吉尔伯特的严谨治学态度，才开始对于电与磁的现象出现系统性研究。吉尔伯特是英国女王伊丽莎白一世的皇家医生，他对于电和磁特别有兴趣，撰写了第一本阐述电和磁的科学著作《论磁石》。这是一本具有现代科学精神的书籍，着重于从实验结果论述。吉尔伯特指出，琥珀不是唯一可以经过摩擦产生静电的物质，钻石、蓝宝石、玻璃等等，也都可以演示出同样的电学性质，在这里，他成功地击破了琥珀的吸引力是其内秉性质这持续了2000年的错误观念[12]:8-11，将电学和磁学现象区分开来。

吉尔伯特制成的静电验电器可以敏锐的探测静电电荷，当带电物体接近金属指针的尖端时，因为静电感应，异性电荷会移动至指针的尖端，指针与带电物体会互相吸引，从而使得指针转向带电物体。在之后的一个世纪，这是最优良的探测静电电荷的仪器。先前，意大利数学家和医生吉罗拉莫·卡尔达诺列出一些电现象与磁现象的不同之处。从卡尔达诺的结果，吉尔伯特得到很多启发，他提出更多分歧之处：带电物质会吸引所有其它物质，而磁石只会吸引铁器；琥珀需要磨擦才能产生电性，而磁石不需要任何动作；磁石会将物体按照某定向排列，而带电物质则只会吸引其它物质。[13]:29-30[12]:11-12。吉尔伯特创建了新拉丁术语“electrica”（类似琥珀，从“ήλεκτρον”，“elektron”，希腊文的“琥珀”），意思为像琥珀的吸引方式一般的那些物质[14]:302[15]。由于他在电学的众多贡献，吉尔伯特被后人尊称为“电学之父”[10]:172。后来，从“electricus”又衍生了英文字“electric”和“electricity”，这两个英文字最先出现于托马斯·布朗的1646年著作《世俗谬论》（Pseudodoxia Epidemica，英文书名《Vulgar Errors》）[16]。

德国科学家奥托·冯·格里克于1663年发明的摩擦起电装置[17]。用手磨擦黄色的硫磺球后，硫磺球可以吸引羽毛等小物体。居里克当时并不清楚其实验现象的本质，他认为硫磺球对其他物体的吸引力类似于地球的引力。之后，罗伯特·波义耳、史蒂芬·葛雷（Stephen Gray） 、查理·杜费（Charles du Fay） 等等，都做了更进一步的研究。

十八世纪 编辑

 
 
穆森布罗克（英语：Musschenbroek）发明了莱顿瓶（左）；库仑使用扭秤（英语：torsion balance）（右）发现了库仑定律。
 
富兰克林对于电的研究贡献良多。

1745年左右，冯· 克莱斯特和穆森布罗克分别独立发明了最早的电容器莱顿瓶，其名称来源于穆森布罗克所在的城市莱顿城。1752年6月，自学有成的本杰明·富兰克林做了一个古今闻名的风筝实验；他与儿子在雷雨中放风筝，将空中的闪电吸引过来，在风筝线另一端捆绑的一只金属钥匙与富兰克林的手之间，产生一系列的电花，他同时感受到麻电的滋味，这证实了闪电是电的一种现象[18]:92-94[19]。富兰克林又做实验发现了电荷守恒定律，即在任何孤立系统里，总电量不变[13]:44，并在1758年发明了莱顿瓶电池组。富兰克林是最早用Battery这个单词来描述电池组的（之前Battery指的是军事上的排炮）。

1753年让-安托万·诺莱（英语：Jean-Antoine Nollet）于发明了一台静电发电机（英语：electrostatic generator）。用手或者皮毛磨擦快速旋转的空心玻璃球体可以在玻璃表面产生大量的静电荷。1767年，约瑟夫·普利斯特里做实验发现，在带电金属容器的内部，电作用力为零。从这实验结果，他准确猜测，带电物体作用于彼此之间的吸引力与万有引力都遵守同样的定律。1785年，查尔斯·库仑用扭秤（torsion balance）做实验，来测量两个点电荷彼此互相作用的静电力，证实了普利斯特里的猜测，两个带电物体施加于彼此之间的作用力与距离成平方反比。他奠定了静电的基本定律，即库仑定律。于此，电的研究已提升成为一种精确科学（exact science）[13]:50-51, 56。

1791年，路易吉·伽伐尼发现，假设将青蛙与静电发电机（英语：electrostatic generator）连结成闭合电路，然后开启静电发电机，则青蛙肌肉会颤动。这实验演示出，神经细胞倚赖电的媒介将信号传达到肌肉。他因此创建了生物电（英语：bioelectricity）学术领域。

1800年，亚历山大·伏打伯爵将铜片和锌片浸于食盐水中，并接上导线，制成了第一个电池：伏打电池，堪称是现代电池的元祖。伏打电池给予科学家一种比静电发电机更稳定的电源，能够连续不断的供给电流[3]:331-333[13]:67-75，极大推动了电化学和电磁学的进展。

十九世纪 编辑

 
詹姆斯·马克士威整合了电磁学。

1820年，汉斯·奥斯特在课堂做实验时意外发现，电流能够偏转指南针的方向，演示出电流周围会生成磁场，即电流的磁效应。稍后，安德烈-玛丽·安培对于这现象做定量描述，给出安培力定律与安培定律[20]。他们两个人的研究成果成功地将电与磁现象连结在一起，共称为“电磁现象”。应用这理论，可以制作出来磁性超强劲于天然磁石的电磁铁。1827年，格奥尔格·欧姆发展出一套精致的数学理论来分析电路[3]:331-333。

1831年，法拉第与约瑟·亨利分别独立地发现了电磁感应──磁场的变化可以生成电场。1865年，詹姆斯·马克士威将电磁学加以整合，提出马克士威方程组，并且推导出电磁波方程式。由于他计算出来的电磁波速度与测量到的光速相等，他大胆预测光波就是电磁波。1887年，赫兹成功制成并接收到马克士威所描述的电磁波。麦克斯韦将电学、磁学与光学统合成一种理论[3]:333-335。

1859年，德国物理学家尤利乌斯·普吕克将真空管两端的电极之间通上高压电，制成阴极射线。物理学者发现，阴极射线是以直线传播，但其传播方向会被磁场偏转。阴极射线具有可测量的动量与能量1897年，约瑟夫·汤姆森做实验证实，阴极射线是由带负电的粒子组成，称为电子，因此他发现了电子[3]:335。

十九世纪早期见证了电磁学快速蓬勃，如火如荼的演进。到了后期，应用电磁学的先进知识，电机工程学开始了一段突破性的发展。例如，亚历山大·贝尔发明了电话、汤玛斯·爱迪生设计出优良的白炽灯和直流电力系统、尼古拉·特斯拉发展完成感应电动机、卡尔·布劳恩改良成功装置在显示器或电视机里的阴极射线管。由于这些与其他众多发明家所做出的贡献，电已经成为现代生活的必需工具，更是第二次工业革命的主要动力[21]:1, 4。

二十世纪 编辑

 
从左至右：巴丁、肖克利和布喇顿。

德国物理学者海因里希·赫兹于1887年发现，照射紫外线于电极可以帮助产生更多电花[4][5]。这就是光电效应所产生的现象。包括约瑟夫·汤姆森、菲利普·莱纳德在内的物理学者们，对于光电效应的做了很多理论研究与实验研究。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦发表论文对于光电效应的众多实验数据给出解释。爱因斯坦主张，光束是由一群离散的量子（现称为光子）组成，而不是连续性波动。假若光子的频率大于某极限频率，则这光子拥有足够能量来使得金属表面的电子逃逸，造成光电效应。这个重要发现展开了量子物理的大门[22]。

1901年，古列尔莫·马可尼从英国发射无线电讯号，越过大西洋，传送至加拿大[23]。5年后，“无线电之父”李·德富雷斯特研究出真空三极管。这重大发明推动电子时代急速向前推进，使得无线电与长途电话科技不再是遥不可及的梦想[24]。到了1940、1950年代，固态原件开始出现在越来越多个场合，这标记着真空管科技的快速没落与半导体科技的崛起。1947年，贝尔实验室的威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布喇顿工作团队发明了晶体管。这是二十世纪最重要的发明之一，凡是电子器具大多都须要用到晶体管[25]。杰克·基尔比于1958年和罗伯特·诺伊斯于1959年分别独立发明集成电路。现今，大量晶体管、二极管、电阻器、电容器等等电子原件都可以被装配在单独的集成电路里[26]

参见 编辑

参考文献 编辑

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