本文介紹幾項(xiàng)有關(guān)電學(xué)的實(shí)驗(yàn)。電學(xué)的發(fā)展史中有許多有趣的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)者通過這些實(shí)驗(yàn)作出了許多重大的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。由于時(shí)代的變遷有些實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)在現(xiàn)代人看來也許有些古怪也可能被看成是低水平的沒有復(fù)述的必要。但是如果您設(shè)身處地去想想在那對(duì)電一無所知的早期年代前人以極其貧乏的技術(shù)條件要探索各種電的現(xiàn)象和效應(yīng)該有多么地艱難是什么思想鼓舞他們進(jìn)行這類從來沒有人做過的事情呢您可以仔細(xì)關(guān)注下面幾節(jié)里提到的那些電學(xué)家們。您會(huì)發(fā)現(xiàn)他們往往都有自己獨(dú)特的想法。正是這些想法引導(dǎo)他們?nèi)ゲ痪氲刈鲭妼W(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)呐掠行?shí)驗(yàn)還要承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。這些想法就叫做科學(xué)信念?？茖W(xué)家從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)不會(huì)沒有想法和動(dòng)機(jī)。盲目地瞎試不是科學(xué)實(shí)驗(yàn)也不會(huì)得到有用的結(jié)果?？茖W(xué)家從事科學(xué)研究往往都有一定的科學(xué)信念。他們的信念在現(xiàn)代人看來也許可笑甚至可能是錯(cuò)誤的。但是對(duì)他們來說也許起有決定性的作用。正確的信念引導(dǎo)科學(xué)家走上正確的道路錯(cuò)誤的信念則有可能促使他們多走彎路。一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)面前碰了釘子后會(huì)很快地吸取教訓(xùn)改變他的想法端正他的信念轉(zhuǎn)而采取正確的方法和途徑繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)直到成功為止。我們學(xué)習(xí)前人的經(jīng)驗(yàn)并不一定要對(duì)他們的具體實(shí)驗(yàn)裝置和具體實(shí)驗(yàn)步驟做詳細(xì)的研究但是他們的設(shè)計(jì)思想和科學(xué)信念往往對(duì)后人很有啟示他們的經(jīng)驗(yàn)很值得我們?nèi)ノ?。請讀者們在閱讀下面幾個(gè)故事時(shí)留意格里克為什么要制造摩擦起電機(jī)他做起電實(shí)驗(yàn)的目的是什么牛頓為什么支持豪克斯比做電學(xué)實(shí)驗(yàn)奧斯特和法拉第在毫無理論根據(jù)的情況下進(jìn)行探索他們?yōu)槭裁磿?huì)百折不撓地要把實(shí)驗(yàn)做到底如果您對(duì)他們的想法有了真切的理解您也許會(huì)對(duì)他們倍感親切。

一. 電學(xué)的早期研究

----實(shí)驗(yàn)研究要有理論指導(dǎo)

電這個(gè)無處不在、神出鬼沒的幽靈人類從認(rèn)識(shí)它到駕馭它、利用它歷經(jīng)了好幾百年的時(shí)間。在古人眼里雷電是天神發(fā)怒的象征。琥珀摩擦后可以吸引紙屑和芥子梳頭解衣往往火花、噼啪聲隨之而來。這類現(xiàn)象可以說是人類認(rèn)識(shí)電的開端這種認(rèn)識(shí)只局限于一些日常現(xiàn)象。人們既沒有認(rèn)識(shí)到電現(xiàn)象的普遍性更沒有觸及它的本性。

電學(xué)的發(fā)展只靠觀察是不夠的必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)有目的地去探索才可能掌握電的規(guī)律。而實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行關(guān)鍵在于能夠人為地產(chǎn)生電按照人的意志實(shí)現(xiàn)各種電現(xiàn)象從而達(dá)到研究和應(yīng)用的目的。所以基于摩擦起電的道理出現(xiàn)的摩擦起電機(jī)在電學(xué)史上占有重要地位。而能產(chǎn)生穩(wěn)定電流的伏打電池則進(jìn)一步使人類能夠研究和利用電流的各種效應(yīng)。

摩擦起電機(jī)的發(fā)明

1660 年左右德國的一位市長格里克創(chuàng)制了一種機(jī)械裝置可以連續(xù)摩擦生電。他取一只兒童腦袋一般大的圓形玻璃燒瓶把碎硫磺放進(jìn)瓶里一起加熱使硫磺融熔在加熱過程中不斷加硫磺最后瓶里充滿融化了的硫磺。再插入一根木柄等硫磺冷卻后打破玻璃得到一個(gè)漂亮對(duì)稱的硫磺球。他把硫磺球支在木架上如圖1.2讓磺球轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)把一只手按在球上摩擦于是硫磺球就會(huì)顯示地球吸引萬物的特性。圖1.3是格里克發(fā)表的另外一張圖。實(shí)驗(yàn)者正舉著帶電的硫磺球球體移到哪里那里一切輕質(zhì)物體都受到吸引。紙片、羽毛紛紛朝它飛來水珠滾動(dòng)枯葉搖晃。手指靠近閃光、爆破聲與雷電無異。

會(huì)想到做一個(gè)旋轉(zhuǎn)的硫磺球來做實(shí)驗(yàn)?zāi)? 原來他并不是單純?yōu)榱搜菔倦姮F(xiàn)象而是為了證明地球吸引力乃是某種“星際的精氣”他的真空實(shí)驗(yàn)也和這個(gè)總目標(biāo)有關(guān)。

格里克的硫磺球?qū)嶒?yàn)確實(shí)摸擬了地球的吸引作用甚至他還顯示了硫磺球的引力比地球吸引力大。然而他也發(fā)現(xiàn)兩者有不同之處。在硫磺球周圍也會(huì)有物體被排斥羽毛在硫磺球和地板之間會(huì)上下跳動(dòng)。格里克開始領(lǐng)悟到重力并不能歸結(jié)于電力它們各有特點(diǎn)。接著格里克又做了許多電學(xué)實(shí)驗(yàn)其中包括電的傳導(dǎo)和靜電感應(yīng)可惜沒有得到別人的重視。

格里克發(fā)明摩擦起電機(jī)的消息和他的真空泵一起在歐洲各國傳開了。人們竟相仿制并改進(jìn)他的起電機(jī)。人們發(fā)現(xiàn)格里克的摩擦起電機(jī)其實(shí)不必把玻璃瓶打碎甚至不用硫磺直接用玻璃瓶就可以做實(shí)驗(yàn)。很多人對(duì)電感興趣有的是為了研究電的性質(zhì)有的則是為了讓王宮貴族取樂用于表演魔術(shù)。但是在有意無意的探索活動(dòng)中逐漸摸清了電的性質(zhì)。

牛頓對(duì)電學(xué)也很感興趣。1675 年他用玻璃球起電機(jī)研究了電的吸力和斥力、火花放電等現(xiàn)象。1703年12月5日英國皇家學(xué)會(huì)熱鬧非凡這一天他們有兩件新鮮事。一件是牛頓就任皇家學(xué)會(huì)主席一件是牛頓任命他的助手豪克斯比(F.Hauksbee)擔(dān)任實(shí)驗(yàn)師牛頓希望在皇家學(xué)會(huì)提倡實(shí)驗(yàn)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)空氣。豪克斯比當(dāng)眾表演了精彩的真空放電實(shí)驗(yàn)。他用摩擦起電機(jī)使真空發(fā)出輝光如圖1.4說明真空也會(huì)產(chǎn)生電的現(xiàn)象。

進(jìn)一步豪克斯比還用棉線顯示了電力演示了“電風(fēng)”。他做了一塊玻璃圓柱體長 7英寸直徑也為7英寸周圍是一根木箍上面等距離地連著許多條棉線(如圖1.5)當(dāng)他旋轉(zhuǎn)并摩擦圓柱體時(shí)棉線沿半徑方向伸直趨向一個(gè)中心。豪克斯比沒有忘記他的恩師 他把這一事實(shí)聯(lián)系到牛頓的宇宙學(xué)說解釋說這些線條就像是受到了重力沿直線方向吸向中心。

電的傳導(dǎo)

1720年又有一位英國人叫格雷(S.Gray)他對(duì)電的傳導(dǎo)進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)摩擦過的玻璃所帶的電可以轉(zhuǎn)移到木塞上再經(jīng)細(xì)繩傳到 20 米以外的骨質(zhì)小球(如圖 1.6)。他還讓一個(gè)小孩做人體帶電試驗(yàn)(如圖1.7)。他用絲繩把小孩吊在頂蓬下在小孩身下放許多輕質(zhì)物體例如羽毛之類。然后將摩擦過的玻璃管接觸小孩腿部結(jié)果小孩的手和頭部都能吸引羽毛。

格雷通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電的傳導(dǎo)性而且分清了導(dǎo)體與絕緣體。

下一步進(jìn)展是法國的杜菲(du Fay)作出的。格雷的實(shí)驗(yàn)引起了他很大的興趣他總結(jié)了前人的經(jīng)驗(yàn)提出了許多問題例如

1。是不是所有物體都可以靠摩擦帶電電是不是物質(zhì)的普遍屬性?

2。是不是所有物體當(dāng)接觸或靠近帶電體時(shí)都可以獲得電?

3。哪些物體會(huì)使電的傳遞停滯哪些利于電的傳遞? 哪些物體最容易被帶電體吸引?

4。斥力和吸力之間有什么關(guān)系? 它們之間是否有聯(lián)系抑或是完全獨(dú)立的?

5。在虛空處在壓縮空氣中在高溫下電的強(qiáng)度是增還是減?

6。電和產(chǎn)生光的能力之間有什么關(guān)系? 這是大多數(shù)帶電體的共同特性。這一關(guān)系可以得出什么結(jié)論?

為了解答這些問題杜菲進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。他首先發(fā)現(xiàn)能夠帶電的不僅限于琥珀之類的物品任何東西包括金屬都可以帶電于是糾正了前人將物體分為“電的”和“非電的” 兩類的作法。為了證實(shí)一切物體都可以帶電杜菲以自己的身軀做實(shí)驗(yàn)。他讓助手用繩子把自己懸吊在天花板上然后帶上電當(dāng)另一個(gè)人接近他時(shí)從他身上發(fā)出電火花產(chǎn)生噼噼啪啪的聲響。

萊頓瓶的發(fā)明

杜菲最大的貢獻(xiàn)是分清有兩種電。他把兩小塊軟木包上金箔用絲線懸掛在天花板下取一玻璃棒用絲綢摩擦后分別接觸這兩塊軟木結(jié)果軟木互相排斥。他又做了一個(gè)實(shí)驗(yàn) 取一松香棒用羊皮摩擦后接觸一軟木而用絲綢摩擦后的玻璃棒接觸另一軟木結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者互相吸引。他再用其他許多材料繼續(xù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有的相互吸引有的互相排斥。于是杜菲認(rèn)定電有兩種。他把玻璃產(chǎn)生的電稱為“玻璃電”松香產(chǎn)生的電叫“松香電”。

圖1.8 萊頓瓶

萊頓瓶(圖 1.8)的發(fā)明使電學(xué)研究又上了一臺(tái)階。1745 年 德國的克萊斯特 (E.G.Kleist)做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他用鐵釘把電通到窄口藥瓶中瓶中盛水瓶子與其他物體絕緣。原來他是想把電存在水中。讀者也許會(huì)覺得他的想法太幼稚請不要譏笑他原始的觀念往往導(dǎo)致科學(xué)的重大發(fā)明克萊斯特試驗(yàn)果然有一定效果他再用鐵釘將瓶內(nèi)的水和外界接通時(shí)出現(xiàn)了強(qiáng)烈放電現(xiàn)象。

克萊斯特沒有放過這一現(xiàn)象而是進(jìn)一步尋找儲(chǔ)存電的規(guī)律。他發(fā)現(xiàn)瓶口及外表面必須干燥(注不然電就會(huì)沿表面爬走了)如果瓶里裝的是水銀或酒精效果更好。

克萊斯特把這一發(fā)現(xiàn)寫信告訴了好幾位友人他們都回信說重復(fù)做了實(shí)驗(yàn)卻沒有能夠得到同樣的結(jié)果原來克萊斯特在信中少說了一句話實(shí)驗(yàn)者在用釘子通電時(shí)要手持瓶子的外表面人站在地上(注也就是說 瓶子的外表面必須接地!)。由于這個(gè)原因克萊斯特的發(fā)明沒有引起注意。

與時(shí)同時(shí) 另外有一位實(shí)驗(yàn)家在荷蘭也做了類似的實(shí)驗(yàn)如圖1.9。他是萊頓大學(xué)物理學(xué)教授穆欣布羅克(P.Musschenbruck)。他把金屬槍管懸掛在空中與起電機(jī)聯(lián)接另從槍管引出一根銅線浸入盛水的玻璃瓶中助手一只手拿著玻璃瓶穆欣布羅克在一旁搖摩擦起電機(jī)。正在這時(shí)助手無意識(shí)地將另一只手碰到槍管頓時(shí)感到電擊。于是穆欣布羅克自己來拿瓶子當(dāng)他一只手碰到槍管時(shí)果然也遭到強(qiáng)烈電擊。

圖1.9 穆欣布羅克的槍管實(shí)驗(yàn)

穆欣布羅克不久在給友人的信中寫道“蒙上帝憐憫我才免于一死。我就是為法蘭西王國也不愿再冒這個(gè)險(xiǎn)了.” 信中他詳細(xì)描述了實(shí)驗(yàn)的條件所用器材和人的姿勢。寫得如此真切令有冒險(xiǎn)精神的讀者無不躍躍欲試。后來這封信公開發(fā)表。許多人重復(fù)了萊頓的實(shí)驗(yàn)萊頓瓶也由此得名。

在用萊頓瓶做試驗(yàn)的人當(dāng)中有一位法國電學(xué)實(shí)驗(yàn)家叫諾勒特(J.A.Nollet)最為出色。他改進(jìn)了萊頓瓶。大大提高了電的容量。1748 年他在巴黎讓二百多名僧人(修道士)在巴黎修道院前手拉手排成圓圈讓領(lǐng)頭的和排尾的手握萊頓瓶的引線當(dāng)萊頓瓶放電時(shí)幾百僧人同時(shí)跳起來使在場的貴族們無不目瞪口呆。諾勒特組織的表演使電的聲威達(dá)到了高潮。 萊頓瓶的神奇不脛而走消息傳到了美利堅(jiān)合眾國又引出一番轟烈情景這時(shí)有一位有名的人物做了許多實(shí)驗(yàn)。他就是美國的著名科學(xué)家富蘭克林。

二. 伏打和奧斯特的發(fā)現(xiàn)

----科學(xué)信念的重要性

有人說十九世紀(jì)是電學(xué)的世紀(jì)。這句話是不是過分了呢只要對(duì)電學(xué)發(fā)展史有所了解就會(huì)覺得這句話一點(diǎn)也不過分。這個(gè)世紀(jì)以發(fā)現(xiàn)伏打電堆和電流的磁效應(yīng)開始繼而發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)和電解定律以及其它一些電磁規(guī)律終于在世紀(jì)的后半葉建立了完整的電磁場理論而在19世紀(jì)行將結(jié)束之際又傳出發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)、霍耳效應(yīng)、塞曼效應(yīng)的消息最后以電子的發(fā)現(xiàn)迎接新世紀(jì)的到來。由于這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)的發(fā)現(xiàn)和物理理論的建立電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電報(bào)電話、以及后來的無線電、電視相繼問世?；仡欉@一切其發(fā)端就在于1800年伏打電堆的發(fā)現(xiàn)和1820年電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。下面我們就來講講這些發(fā)現(xiàn)是怎樣作出的。

伽伐尼的青蛙實(shí)驗(yàn)

首先要介紹18 世紀(jì)末電學(xué)是怎樣從靜電領(lǐng)域發(fā)展到電流領(lǐng)域的。這是一大飛躍 發(fā)端于動(dòng)物電的研究意大利學(xué)者伽伐尼和伏打在這方面起了先鋒作用。

伽伐尼是一位解剖學(xué)教授1780 年 9 月的一天他在解剖青蛙時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)電效應(yīng)他和學(xué)生一起作解剖實(shí)驗(yàn)一個(gè)學(xué)生用手術(shù)刀輕輕觸動(dòng)了青蛙的小腿神經(jīng)這只青蛙立即抽搐了起來。當(dāng)時(shí)另一學(xué)生正在附近練習(xí)使用摩擦起電機(jī)。他注意到青蛙抽搐時(shí)正好是起電機(jī)發(fā)出火花的那一瞬間。伽伐尼沒有放過這一機(jī)會(huì)立即研究起來。他早就知道動(dòng)物有某些特殊行為與電有關(guān)。從古代人們就發(fā)現(xiàn)有一種魚會(huì)放電叫魚鰻。萊頓瓶發(fā)明后人們開始考慮魚鰻的電效應(yīng)可能與萊頓瓶類似。1772 年英國的華爾士發(fā)現(xiàn)魚鰻的放電是在背脊和胸腹的兩點(diǎn)之間。解剖的結(jié)果是在魚體內(nèi)有一長圓柱體電就是從那里發(fā)出來的。伽伐尼敏銳地感到這是研究動(dòng)物電的一個(gè)極好范例。他想會(huì)不會(huì)在青蛙體內(nèi)也有類似組織?這個(gè)現(xiàn)象和手術(shù)刀有什么關(guān)系?為什么正好在這時(shí)起電機(jī)也放電呢?

伽伐尼為了掌握青蛙抽搐的規(guī)律安排了一系列實(shí)驗(yàn)如圖2.2。起先他只用刀尖觸青蛙神經(jīng)然后只讓起電機(jī)打電火花都不能使蛙腿抽搐。

接著伽伐尼把青蛙用銅鉤子掛在花園的鐵欄桿上結(jié)果發(fā)現(xiàn)在閃電來臨時(shí)青蛙也會(huì)抽搐。

圖2.1 伽伐尼正在向友人演示青蛙實(shí)驗(yàn) 圖2.2伽伐尼的青蛙實(shí)驗(yàn)

伽伐尼又把青蛙放在鐵桌上用銅鉤子碰青蛙腿只要銅鉤子另一端觸及桌面即使沒有任何其它帶電體在場蛙腿也會(huì)抽搐。顯然他已觸及現(xiàn)象的本質(zhì)可是由于動(dòng)物電的觀念先入為主他堅(jiān)持用動(dòng)物電說明所有這些現(xiàn)象使他無力作出正確的解釋。

伽伐尼在1791年發(fā)表了題為《肌肉運(yùn)動(dòng)中的電力》文中寫道“我們想到用不導(dǎo)電或不大導(dǎo)電的其它物體如由玻璃、橡皮、樹脂、石或木等物質(zhì)制成的但都是干的東西來試。結(jié)果都不發(fā)生這樣的現(xiàn)象既看不到肌肉的緊縮也看不到肌肉的運(yùn)動(dòng)。這當(dāng)然激起了我們的驚奇并使我們以為動(dòng)物本身就有電。我們認(rèn)為這種看法是正確的因?yàn)槲覀兊募俣ㄊ窃诰o縮現(xiàn)象發(fā)生時(shí)有一種很細(xì)的神經(jīng)流體從神經(jīng)流到肌肉中去就象萊頓瓶中的電流一樣?！?/p>

伏打發(fā)明化學(xué)電池

伽伐尼的著作發(fā)表以后歐洲各國對(duì)動(dòng)物電形成了研究熱潮很多人投入到這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)之中。在這些研究者中間有一位意大利的自然哲學(xué)教授伏打他細(xì)心重復(fù)了伽伐尼的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)伽伐尼的神經(jīng)電流說有問題。他拿來一只活青蛙用兩種不同金屬構(gòu)成的弧叉跨接在青蛙身上一端觸青蛙的腿一端觸青蛙的脊背青蛙就可以抽搐用萊頓瓶經(jīng)青蛙的身體放電青蛙也發(fā)生抽搐說明兩種不同金屬構(gòu)成的弧叉和萊頓瓶的作用是一樣的。換句話說這些現(xiàn)象是外部電流作用的結(jié)果。

于是就在伏打的外部電(金屬接觸說)和伽伐尼的內(nèi)部電(神經(jīng)電流說)之間展開了長期的爭論。

為了闡明自己的觀點(diǎn)伏打繼續(xù)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。他比較了各種金屬按金屬相互間的接觸電動(dòng)勢把各種金屬排列成表其中有一部分是鋅—鉛—錫—鐵—銅—銀—金—石墨。只要將表中任意兩種金屬接觸排在前面的金屬必帶正電排在后面的必帶負(fù)電。這樣伏打一舉就全面地解釋了伽伐尼和其他人做過的各種動(dòng)物電實(shí)驗(yàn)。

1800 年伏打進(jìn)一步把鋅片和銅片夾在用鹽水浸濕的紙片中重復(fù)地疊成一堆形成了很強(qiáng)的電源這就是著名的伏打電堆。把鋅片和銅片插入鹽水或稀酸杯中也可以形成電源叫做伏打電池。伏打?yàn)榱俗裰刭しツ岬南闰?qū)性工作在自己的著作中總是稱之為伽伐尼電池。所以以他們兩人名字命名的電池實(shí)際上是一回事。這就是化學(xué)電池的由來。

伏打電堆(電池)的發(fā)明提供了產(chǎn)生恒定電流的電源使人們有可能從各方面研究電流的各種效應(yīng)。從此電學(xué)進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期——研究電流和電磁效應(yīng)的新時(shí)期。

奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)

電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)在電學(xué)的發(fā)展史中占有重要地位。在這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)以前, 電和磁在人們看來是截然無關(guān)的兩件事。電和磁究竟有沒有聯(lián)系? 這是先人經(jīng)常思索的問題。“頓牟綴芥、磁石引針” 說明電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的相似性, 庫侖先后建立電力和磁力的平方反比定律, 說明它們有類似的規(guī)律。但是相似性不等于本質(zhì)上有聯(lián)系。17世紀(jì)初, 吉爾伯特就作過斷言, 認(rèn)為兩者沒有關(guān)系, 庫侖也持同樣觀點(diǎn)。然而, 實(shí)際事例不斷吸引人們的注意。例如 1731 年有一名英國商人述說, 雷閃過后他一箱新的刀叉竟帶上了磁性。1751 年富蘭克林發(fā)現(xiàn)在萊頓瓶放電后, 縫紉針磁化了。

電真的會(huì)產(chǎn)生磁嗎? 這個(gè)疑問促使1774年德國有一家研究所懸獎(jiǎng)?wù)鹘? 題目是“電力和磁力是否存在著實(shí)際的和物理的相似性?” 許多人紛紛做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究, 但是,在伏打發(fā)明電堆以前, 這類實(shí)驗(yàn)是很難有希望成功的, 因?yàn)闆]有產(chǎn)生穩(wěn)恒電流的條件。不過, 即使有了伏打電堆, 也不一定能立即找到電和磁的聯(lián)系。

例如1805年有兩個(gè)德國人, 他們把伏打電堆懸掛起來, 企圖觀察電堆在地磁的作用下會(huì)不會(huì)改變?nèi)∠?。這類實(shí)驗(yàn)當(dāng)然得不到結(jié)果。

這時(shí)丹麥有一位物理學(xué)家, 名叫奧斯特(1777—1851), 他在堅(jiān)定的信念支持下, 反復(fù)探索, 終于揭示了自然界的這一奧秘。

奧斯特是丹麥哥本哈根大學(xué)的物理學(xué)教授。他信奉康德的哲學(xué)思想, 認(rèn)為自然界各種基本力是可以相互轉(zhuǎn)化的。早在1812年, 奧斯特就發(fā)表過一篇論文, 論證化學(xué)力和電力的等價(jià)性,文中寫道“我們應(yīng)該檢驗(yàn)的是究竟電是否以其最隱蔽的方式對(duì)磁體有類似的作用”。在奧斯特的頭腦里, 經(jīng)常盤據(jù)著這個(gè)疑問。他深信電和磁有某種聯(lián)系, 只是不知道應(yīng)該怎樣來實(shí)現(xiàn)它。當(dāng)時(shí), 電流的研究早已揭示導(dǎo)體通過電流時(shí)會(huì)發(fā)熱, 甚至?xí)l(fā)光。他想, 既然電流通過細(xì)導(dǎo)體會(huì)發(fā)熱, 通過更細(xì)的導(dǎo)體甚至?xí)l(fā)光, 進(jìn)一步減小導(dǎo)體的直徑, 為什么不能指望會(huì)激發(fā)出磁來呢? 于是他拿一根細(xì)白金絲, 讓它接到電源上, 在它前面放一根磁針,他和別人一樣, 企圖用白金絲的尖端吸引磁針。然而, 盡管白金絲灼熱了, 燒紅了, 發(fā)光了, 磁針也紋絲不動(dòng)。奧斯特沒有灰心, 邊思考, 邊試驗(yàn)。他想, 觀察發(fā)熱和發(fā)光的現(xiàn)象, 熱和光都是向四周擴(kuò)展的, 會(huì)不會(huì)磁的作用也是向四周擴(kuò)展?

圖2.6 奧斯特表演電流磁效應(yīng)

1820 年 4 月的一個(gè)晚上, 奧斯特正在向聽眾演講有關(guān)電和磁的問題。他準(zhǔn)備了實(shí)物表演, 一邊講, 一邊做。在他做過那些磁針實(shí)驗(yàn)后, 他說“今天我們不妨把導(dǎo)線和磁針平行放置來試試看.” 他把磁針移向?qū)Ь€下方, 正當(dāng)助手接通電池的一瞬間, 他看到磁針有一輕微晃動(dòng)。這正是奧斯特盼望多年的反應(yīng)。

演講會(huì)后奧斯特接連幾個(gè)月研究這一新現(xiàn)象。開始他還是用細(xì)鉑絲做實(shí)驗(yàn),后來他終于認(rèn)識(shí)到, 磁效應(yīng)強(qiáng)的不是細(xì)金屬絲, 而是直徑大的金屬絲, 更不必用貴重的白金, 任何金屬都可以。后來, 他有了更強(qiáng)大的伏打電池, 終于查明電流的磁效應(yīng)是沿著圍繞導(dǎo)線的螺旋方向。

1820年7月21日, 奧斯特用拉丁文以四頁的篇幅簡潔地報(bào)告了他六十幾次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

這一篇?dú)v史性文獻(xiàn)立即轟動(dòng)了整個(gè)歐洲。

奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng), 是電學(xué)史上的新篇章, 由于他的發(fā)現(xiàn),引導(dǎo)出電學(xué)一系列新發(fā)現(xiàn), 電學(xué)進(jìn)入了電磁學(xué)階段, 十九世紀(jì)二三十年代成了電磁學(xué)大發(fā)展的輝煌時(shí)期。

三. 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

----科學(xué)信念指引方向

自從奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)后人們自然會(huì)想到既然電能生磁為什么磁不能生電呢例如一根磁棒能不能使旁邊的導(dǎo)線感生出電流來呢這件事成了很多科學(xué)家共同關(guān)心的問題。許多人作過實(shí)驗(yàn)企圖找到滿意的答案法拉第也是其中的一位。

1821年英國《哲學(xué)學(xué)報(bào)》編輯約法拉第寫一篇關(guān)于電磁問題的述評(píng),這件事導(dǎo)致法拉第開始了電磁學(xué)的研究。

法拉第當(dāng)時(shí)正在英國皇家研究所進(jìn)行化學(xué)研究。他原來就對(duì)電學(xué)很有興趣做過各種電學(xué)實(shí)驗(yàn)。這時(shí)他正在擔(dān)任皇家研究所實(shí)驗(yàn)室主任的工作。

法拉第在整理電磁學(xué)文獻(xiàn)時(shí), 為了判斷各種學(xué)說的正偽, 親自做了許多實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中他發(fā)現(xiàn)了一種新現(xiàn)象, 如果在載流導(dǎo)線附近只有磁鐵的一個(gè)極, 磁鐵就會(huì)圍繞導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)反之, 載流導(dǎo)線也會(huì)圍繞單獨(dú)的磁極旋轉(zhuǎn)。這就是著名的電磁旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn), 如圖 3.1.這一裝置實(shí)際上就是最早的電動(dòng)機(jī)。

圖3.1 法拉第的電磁旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

關(guān)于電與磁的關(guān)系眾說紛紜莫衷一是。安培提出分子電流學(xué)說。他認(rèn)為一切磁效應(yīng)都是源于電流與電流的相互作用。他做了許多很有說服力的實(shí)驗(yàn)證明自己的理論是對(duì)的。但是也有人表示不同的意見。例如塞貝克就不同意把磁歸結(jié)為電他認(rèn)為磁比電更為根本。

1821 年塞貝克還通過實(shí)驗(yàn)證明有一種“磁霧”存在。他在一個(gè)用紙做成的平板上撒上一層細(xì)細(xì)的鐵屑讓一根導(dǎo)線垂直穿過這塊紙板當(dāng)接通電源后鐵屑就以紙板上的導(dǎo)線為中心形成許許多多的同心圓并且離中心越近這些同心圓就越密集。他認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了通電導(dǎo)線周圍存在著一種“磁霧”所以鐵屑才形成一個(gè)一個(gè)地同心圓。

1825 年塞貝克又做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)他用絲線吊起一塊磁鐵把它當(dāng)作單擺然后在它旁邊放上一塊金屬。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)這塊磁鐵擺動(dòng)起來時(shí)很快就會(huì)衰減下去他認(rèn)為這是受到“磁霧”的阻礙作用。如果拿走金屬塊磁鐵的擺動(dòng)會(huì)持續(xù)很長時(shí)間就像沒有受到任何阻力一樣。塞貝克還用其它的方法證明“磁霧”的阻尼作用。他取一塊銅片做成單擺讓它在磁鐵的兩極上方擺動(dòng)發(fā)現(xiàn)它比沒有放磁鐵時(shí)衰減得快得多。這實(shí)際是在金屬和銅片中產(chǎn)生了感應(yīng)電流感應(yīng)電流反過來又受磁力的阻礙作用。塞貝克當(dāng)然沒有明白這個(gè)道理而是認(rèn)為這正是他的“磁霧”理論的證據(jù)。

另外還有一位法國科學(xué)家阿拉果也做了同樣的發(fā)現(xiàn)。他在1822 年到格林威治附近的山上用磁針測量地磁時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)放在磁針下面的金屬塊對(duì)磁針的振蕩會(huì)產(chǎn)生阻礙作用。1824 年阿拉果也把磁針當(dāng)作單擺讓它在銅盤上方擺動(dòng)發(fā)現(xiàn)磁針的擺動(dòng)會(huì)很快衰減如果讓磁針靜止不動(dòng)然后轉(zhuǎn)動(dòng)下面的銅盤就會(huì)發(fā)現(xiàn)磁針也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。這些實(shí)驗(yàn)實(shí)際上都是電磁感應(yīng)的具體例證因?yàn)檎菍?dǎo)體在運(yùn)動(dòng)中切割了磁力線從而在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了感應(yīng)電流。但在當(dāng)時(shí)他們都不能用感應(yīng)電流的觀點(diǎn)對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出解釋。這些實(shí)驗(yàn)經(jīng)過法拉第一一重復(fù)作了研究盡管當(dāng)時(shí)法拉第也無法作出明確的說明但是所有這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)都成了他的佐證堅(jiān)定了他磁生電的信念并最終導(dǎo)致他在 1831 年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

法拉第和奧斯特一樣, 篤信自然力的統(tǒng)一, 很早就開始尋找“磁生電” 的跡象。從 1824年到1828年, 法拉第多次進(jìn)行電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)。他仔細(xì)分析了電流的磁效應(yīng), 認(rèn)為電流與磁的相互作用除了電流對(duì)磁、 磁對(duì)磁、 電流對(duì)電流, 還應(yīng)有磁對(duì)電流的作用。他想, 既然電荷可以感應(yīng)周圍的導(dǎo)體使之帶電, 磁鐵可以感應(yīng)鐵質(zhì)物體使之磁化, 為什么電流不可以在周圍導(dǎo)體中感應(yīng)出電流來呢?于是他做了一系列實(shí)驗(yàn), 想尋找導(dǎo)體中的感應(yīng)電流。例如，1824 年 11 月法拉第第一次試圖觀察磁生電的現(xiàn)象這次實(shí)驗(yàn)沒有成功。1825 年 7 月 法拉第又做了一次實(shí)驗(yàn)來尋找磁生電現(xiàn)象再次得到否定的結(jié)果。同年11 月法拉第做了第三次實(shí)驗(yàn)。這次差點(diǎn)兒獲得成功。他把一根 4 英尺長的導(dǎo)線接在電池的兩極上把另一根導(dǎo)線接在電流計(jì)上兩根導(dǎo)線平行放置中間只隔兩張薄紙。當(dāng)前一根導(dǎo)線中通入電流時(shí)他沒有觀察到另一根導(dǎo)線上的電流計(jì)指針有任何動(dòng)靜。然后他又把前一根導(dǎo)線彎曲成螺線管把另一根導(dǎo)線放入線圈中。當(dāng)前一根導(dǎo)線接通電源時(shí)仍未能發(fā)現(xiàn)第二根導(dǎo)線上的電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)。

如果電流計(jì)足夠靈敏如果電源足夠強(qiáng)在接通電源或者切斷電源的瞬間法拉第應(yīng)該能夠看到電流計(jì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。可是他都沒有觀察到。盡管如此法拉第對(duì)磁生電的信念并沒有動(dòng)搖他逐步領(lǐng)悟到必需加大電源的強(qiáng)度并且注意瞬間的變化。

法拉第在實(shí)驗(yàn)日記里多次記錄了失敗的嘗試,也多次表達(dá)了自己的信念。就在1831年8月29日這一天, 法拉第終于取得了突破性的進(jìn)展。

這次他是用一個(gè)軟鐵圓環(huán)(如圖3.2中的插圖), 環(huán)上繞兩個(gè)互相絕緣的線圈 A和B。線圈A和電池連接,線圈B用一導(dǎo)線連通, 導(dǎo)線下面平行放置一只小磁針。法拉第注意到, 當(dāng)接通電池的瞬間,小磁針突然跳動(dòng)一下切斷電池時(shí), 也有同樣現(xiàn)象如果維持接通狀態(tài), 則毫無反應(yīng)。法拉第猛然省悟, 原來這種感應(yīng)是和瞬間過程聯(lián)系在一起的。

法拉第在日記中寫道部分原文見圖3.2

“1關(guān)于磁生電的實(shí)驗(yàn)等等等等。

“2用軟鐵做一個(gè)圓鐵環(huán)它的厚度圓鐵條直徑是八分之七英寸它的外直徑圓環(huán)直徑是6 英寸。在圓鐵環(huán)的一個(gè)半邊繞了許多匝銅線每匝之間用麻線和白布隔開其中共繞有 3 個(gè)線圈每個(gè)線圈都用 24 英尺長左右的銅線繞成。它們可以聯(lián)在一起使用也可以分別使用。這三個(gè)線圈彼此之間是絕緣的我們把鐵環(huán)的這半邊稱為A。中間隔開一段距離再在圓鐵環(huán)的另一半邊用兩根銅線繞成兩個(gè)線圈銅線的總長度大約是 60 英尺纏繞方向與前面的線圈相同我們把這半邊稱為 B。

“3把 10 個(gè)電池聯(lián)在一起每個(gè)電池電極板的面積是 4 平方英寸。把 B 邊的線圈連成一個(gè)線圈并將它的兩個(gè)端點(diǎn)用一根銅線聯(lián)結(jié)起來銅線經(jīng)過一段距離離圓鐵環(huán)3 英尺 剛好越過一個(gè)磁針的上面一點(diǎn)。然后把 A 邊的一個(gè)線圈的兩端同電池接通立即就對(duì)磁針產(chǎn)生了可以觀察到的影響。磁針擺動(dòng)著最后又回復(fù)到原來的位置上。當(dāng)切斷A 邊線圈與電池的連線時(shí)磁針又一次受到了擾動(dòng)。

“4把 A 邊三個(gè)線圈聯(lián)成一個(gè)線圈使電池的電流流過所有的線圈對(duì)磁針的影響比以前強(qiáng)得多?！?/p>

在這天的實(shí)驗(yàn)日記里法拉第還畫了一個(gè)插圖正是他所說的圓鐵環(huán)圓鐵環(huán)的 A 邊共有 6 個(gè)端點(diǎn)表示繞了 3 個(gè)線圈B 邊共有4 個(gè)端點(diǎn)表示繞有 2 個(gè)線圈。在 A 邊線圈中的電流產(chǎn)生或消失時(shí)B 邊線圈中就感應(yīng)出短暫的相反方向的電流使磁針向兩個(gè)不同方向擺動(dòng)。

這是法拉第第一個(gè)成功的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

法拉第想, 這個(gè)實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵在哪里呢? 如果沒有鐵質(zhì), 還會(huì)不會(huì)有這類現(xiàn)象? 于是他用木料做A、B線圈的芯子,線圈A改接強(qiáng)大的電池組, 結(jié)果依然有感應(yīng), 說明電磁感應(yīng)只和電流的變化有關(guān)。如果電流不變, 即使電流大到使導(dǎo)線灼熱, 也不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)。

接著, 法拉第又做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他取來一根鐵棒, 在鐵棒上繞以線圈, 再和電流計(jì)相接, 鐵棒兩端各放一根條形磁鐵, 如圖3.4。當(dāng)鐵棒拉進(jìn)拉出時(shí), 電流計(jì)的指針會(huì)不斷擺動(dòng)。 法拉第繼續(xù)做實(shí)驗(yàn), 他于1831年10月17日以條形磁鐵插入線圈, 如圖3.5,發(fā)現(xiàn)在條形磁鐵插入和拔出的瞬間,線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

他把鐵棒運(yùn)動(dòng)和磁鐵運(yùn)動(dòng)引起的感應(yīng)稱為“磁電感應(yīng)”, 而把先前發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)線圈間的感應(yīng)稱為“伏打電感應(yīng)”, 因?yàn)閮蓚€(gè)線圈中有一個(gè)是接到伏打電池上的。

他不滿足于瞬時(shí)效應(yīng), 總想能直接實(shí)現(xiàn)磁生電。于是繼續(xù)做實(shí)驗(yàn), 終于在 1831 年 10 月28日用旋轉(zhuǎn)銅盤做成功了。他把銅盤置于馬蹄形磁極之間, 如圖3.6和圖3.7。從銅盤的軸心和邊沿引兩根導(dǎo)線接于電流計(jì)旋轉(zhuǎn)銅盤, 就從這兩根導(dǎo)線引出了持續(xù)的電流。

這樣一來法拉第創(chuàng)造了第一臺(tái)最原始的直流發(fā)電機(jī)。他從電磁旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)作成了最初的電動(dòng)機(jī)從電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)作成了最初的發(fā)電機(jī)。電動(dòng)機(jī)加發(fā)電機(jī)可以說電的時(shí)代就是從這里開始的。

同年11月24日, 法拉第對(duì)各種試驗(yàn)做了總結(jié), 向英國皇家學(xué)會(huì)報(bào)告說他可以把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況分為五類 ① 變化中的電流 ② 變化中的磁場 ③運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流 ④ 運(yùn)動(dòng)中的磁鐵 ⑤ 運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)線。

就在法拉第宣布發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象之前不久也有一些科學(xué)家在作電產(chǎn)生磁的研究。例如美國的亨利(J.Henry)在研究電磁鐵的過程中也發(fā)現(xiàn)有電磁感應(yīng)現(xiàn)象。他不大放心, 遲疑不決, 沒有公開發(fā)表自己的結(jié)果。還有一位瑞士物理學(xué)家, 叫科拉頓。他已經(jīng)接近發(fā)現(xiàn)的邊緣, 但實(shí)驗(yàn)的安排有問題。他為了避免磁鐵對(duì)電流計(jì)的影響, 特意把電流計(jì)放在隔壁房間里, 他一個(gè)人做實(shí)驗(yàn), 只能來回奔跑、他先在一個(gè)房間里把磁鐵插入線圈, 再跑到另一房間里去觀察電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)。每次得到的都是零結(jié)果, 失去了觀察到瞬時(shí)變化的良機(jī)。

四. 法拉第電解定律的發(fā)現(xiàn)

----追求自然界的統(tǒng)一性

電解是電化學(xué)中的重要現(xiàn)象是電引起的一種化學(xué)反應(yīng)。人們利用電解提煉鋁之類的金屬對(duì)物品進(jìn)行電鍍。提起電鍍每個(gè)人都很熟悉無論你走進(jìn)哪個(gè)家庭都會(huì)用到漂亮的電鍍產(chǎn)品。電鍍的廚房用具、自行車、燈飾以及很多日用物品莫不都要經(jīng)過電鍍這些電鍍產(chǎn)品習(xí)習(xí)生輝發(fā)出耀眼的光芒不僅美觀而且防銹。所以可以說現(xiàn)代社會(huì)離不開電解和電鍍。更重要的是早期對(duì)電解的研究使著名電學(xué)家和化學(xué)家法拉第得到了兩個(gè)電解定律并由此進(jìn)一步確立了物質(zhì)電構(gòu)造的基本概念加深了對(duì)電的本質(zhì)的了解。

法拉第為什么會(huì)對(duì)電解現(xiàn)象感興趣呢讓我們從頭說起。電解的研究在伏打發(fā)明了電池以后就開始了英國工程師尼可爾森和解剖學(xué)家卡萊爾便利用這一電源對(duì)液體進(jìn)行研究他們首先選用了水。他們在一個(gè)玻璃杯中盛上水插入兩個(gè)鉑片作電極。當(dāng)他們用導(dǎo)線將伏打電池的兩個(gè)極分別與玻璃杯中的兩個(gè)極相連時(shí)發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)線和杯中電極接觸部分產(chǎn)生了許多氣泡可見水在電流的作用下發(fā)生了化學(xué)變化。經(jīng)過測定兩極所產(chǎn)生的氣體一種是氧氣另一種是氫氣可以肯定電流使水發(fā)生了分解。

在此以后歐洲立即掀起了對(duì)各種金屬化合物水溶液和固體物質(zhì)進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)的浪潮。

雖然電在溶液中流動(dòng)使溶液發(fā)生了化學(xué)變化是無可置疑的但變化的原理則不清楚。

1805 年法國化學(xué)家格洛塔斯曾提出過他的電解理論認(rèn)為在電解水時(shí)陽極和陰極好比磁鐵它們分別吸引水的粒子而把水分解?，F(xiàn)在看來這個(gè)理論當(dāng)然是錯(cuò)誤的。

19 世紀(jì) 20 年代初正當(dāng)法拉第在戴維的實(shí)驗(yàn)室里從事化學(xué)研究時(shí)奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)證明了電能生磁。在這件事的激勵(lì)下法拉第轉(zhuǎn)而研究了磁的電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)證明了磁也能生電。看來電與磁的統(tǒng)一是無可懷疑的了。不過這里所說的電是指伏打電和磁感應(yīng)電。在法拉第的那個(gè)時(shí)代人們根據(jù)電的產(chǎn)生方式把電分成五種伏打電、摩擦電、熱電、動(dòng)物電、磁感應(yīng)電。伏打電是伏打電池供應(yīng)的電流摩擦電是指由摩擦產(chǎn)生的靜電它往往存儲(chǔ)在萊頓瓶中熱電是指溫差電源供應(yīng)的電流動(dòng)物電指電鰻之類的動(dòng)物放出的電磁感應(yīng)電就是法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)中得到的感生電流。那么這些不同種類的電是不是統(tǒng)一的呢這正是法拉第長期思考的一個(gè)問題。

1832 年法拉第開始集中精力來思考“不同來源的電的同一性”問題。在此之前富蘭克林 1752 年的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)給他留下了深刻的印象這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了雷電與萊頓瓶放電的統(tǒng)一它們都屬于摩擦電或靜電?，F(xiàn)在法拉第把電歸納為靜電和流電兩類把電效應(yīng)歸納為生理、發(fā)熱、產(chǎn)生磁力、化學(xué)分解、電火花等等。他比較了這五種電在電效應(yīng)上的區(qū)別指出這些電在很多效應(yīng)上都是相同的如它們都會(huì)引起肌肉抽搐放電時(shí)都會(huì)發(fā)光、生熱都能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)等。雖然它們在某些電效應(yīng)上不同但只要電源足夠強(qiáng)大相應(yīng)的效應(yīng)也會(huì)顯現(xiàn)出來。于是法拉第總結(jié)說“電的所有這些形式與得到它們的來源無關(guān)在其本質(zhì)上是完全相同的”它們“僅僅在程度上有所不同而只在這種意義上才用得上不同的說法 即在數(shù)量和強(qiáng)度變化條件的意義上有所不同”。

所謂靜電指的就是摩擦電之類的電所謂流電指的是伏打電之類的電。法拉第對(duì)電的統(tǒng)一性的研究引導(dǎo)他進(jìn)一步探討流電與靜電之間的統(tǒng)一性問題。正是由于這項(xiàng)研究導(dǎo)致了電解定律的發(fā)現(xiàn)。實(shí)際上法拉第早在他學(xué)徒生涯的最后一年時(shí)已注意到電解問題了。那時(shí)他連起碼的伏打電池都沒有于是從皇家學(xué)院買到了一點(diǎn)鋅片再把它切成幾個(gè)銀幣大小的圓片、然后把它們覆蓋在幾個(gè)銅幣上中間夾上鹽水浸泡過的紙板做成了一個(gè)最簡單的伏打電池。就是利用這個(gè)電池他電解硫酸鎂獲得了成功。那時(shí)戴維早已是研究電解問題的權(quán)威了。他不僅用電解方法發(fā)現(xiàn)了鉀、鈉等一系列的化學(xué)元素而且還提出了電化分解的電性二元論。但他對(duì)電解問題的認(rèn)識(shí)尚未達(dá)到定量的水平。因此法拉第決心用自己的實(shí)驗(yàn)給電解問題作出精確的分析。

法拉第為了研究電解原理又進(jìn)行了一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)。他先用硫酸鈉溶液把石蕊試紙和姜黃試紙潤濕然后將濕的石蕊試紙與一個(gè)鉑片相連濕的姜黃試紙與另一鉑片相連前一個(gè)鉑片與伏打電池的正極連后一個(gè)鉑片與負(fù)極相連。他發(fā)現(xiàn)石蕊試紙顯紅色說明呈酸性姜黃試紙變成褐色說明呈堿性。

接著法拉第做了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他將兩塊鉑片電極插在盛硫酸鋅溶液的玻璃容器中 然后將兩個(gè)鉑電極與伏打電池的正、負(fù)極相連結(jié)果發(fā)現(xiàn)陰極的鉑片上覆上了一層金屬鋅陽極周圍的溶液顯酸性。

在以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上法拉第又用金屬鉑和銅作電極對(duì)氯化銅水溶液進(jìn)行電解為了更容易導(dǎo)電他在氯化銅水溶液中添加了少量硫酸銅水溶液。當(dāng)他把鉑電極與伏打電池的正極相連銅電極與負(fù)極相連后發(fā)現(xiàn)在鉑電極上有氯氣放出而在銅電極上又有銅附著在上面。

1832年法拉第用實(shí)驗(yàn)比較了摩擦電與伏打電的電解效應(yīng)之后寫道“當(dāng)電化分解發(fā)生時(shí)有許多理由使我們相信分解出來的物質(zhì)的量并不和電流強(qiáng)度成正比而是和通過的電量成比例”。這就是法拉第電解第一定律的最早表述。在此基礎(chǔ)上他進(jìn)一步研究了摩擦電與伏打電在電化分解上的共同量度和量的統(tǒng)一性通過實(shí)驗(yàn)證明了起電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定轉(zhuǎn)數(shù)產(chǎn)生的放電所引起的化學(xué)作用與電池在一定時(shí)間內(nèi)供應(yīng)的電流所引起的化學(xué)作用是等價(jià)的。這說明電化分解中析出的物質(zhì)與通過的絕對(duì)電量成正比不管這種電是摩擦電提供的也好還是伏打電提供的也好它們之間有一種量的同一性。

1833年法拉第指出“不管電源、電流強(qiáng)度、電極的尺寸、通過電流的導(dǎo)體的性質(zhì)和其他一些條件發(fā)生多大變化具有恒定電量的電流其化學(xué)分解作用是恒定不變的”。他以水的分解為例進(jìn)一步指出“不管實(shí)驗(yàn)條件和情況有多大變化當(dāng)水受到電流作用時(shí)被電解的水的數(shù)量都嚴(yán)格正比于通過它的電量?！娏鞯幕瘜W(xué)力正比于其傳輸電量的絕對(duì)數(shù)量?！庇谑撬偷玫搅穗娊獾谝欢?。

根據(jù)法拉第電解第一定律既然由電解作用所析出的生成物質(zhì)量正比于通過電解質(zhì)的電量那么只要準(zhǔn)確地測定出這種生成物的數(shù)量就能測定出通過的電量。為此法拉第設(shè)計(jì)了許多實(shí)驗(yàn)用以測定電解水所生成的氫氣和氧氣的質(zhì)量并以此為電量標(biāo)準(zhǔn)測定了電解其它化合物時(shí)所析出的物質(zhì)質(zhì)量發(fā)現(xiàn)各種元素在電解時(shí)始終以確定的比例被析出。法拉第把這種比例稱為電化當(dāng)量如氫、氧、氯、碘、鉛、錫等元素的電化當(dāng)量分別為1、8、36、125、104、58 等。這種電化當(dāng)量與化學(xué)當(dāng)量異常吻合。

于是法拉第便得出如下結(jié)論“電化當(dāng)量與通常的化學(xué)當(dāng)量彼此一致系同一個(gè)概念?！?這就是法拉第電解第二定律它表明一定的電量通過電解質(zhì)所析出的物質(zhì)質(zhì)量與這種物質(zhì)元素的化學(xué)當(dāng)量成正比。

從法拉第電解定律可以導(dǎo)出單位電荷的概念。對(duì)此亥姆霍茲 1881 年作了很好的說明。他說“法拉第定律的最令人驚異的結(jié)論也許是如果我們接受元素物質(zhì)由原子組成的假說就不可避免地要得出結(jié)論不論正電和負(fù)電都可以分成一定的單元其行為如同電的原子?！?亥姆霍茲說這番話時(shí)電子還沒有發(fā)現(xiàn)以后我們知道這個(gè)電量的基本單位就是一個(gè)電子或一個(gè)質(zhì)子所帶的電量。法拉第的電解定律有如此深邃的科學(xué)價(jià)值這是法拉第本人都沒有預(yù)料到的。

法拉第的電解定律也可以用如下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示只要通入硫酸銅和稀鹽酸的電解槽中96495 庫侖的電量就能在陽極上析出氯 35.46 克在陰極上析出銅 31.77 克。后來才知道 96495 庫侖正是 1 摩爾電子的總電量為了紀(jì)念法拉第的功績科學(xué)界就把這個(gè)量稱為法拉第常量在計(jì)算中用F表示。法拉第常量等于電子電荷e與阿佛加德羅常量NA的乘積是物理學(xué)和化學(xué)中的重要基本常數(shù)之一?，F(xiàn)在精密的測量結(jié)果是F=96485.3415 庫侖/摩爾。

法拉第通過對(duì)電解過程的研究還創(chuàng)造了許多科學(xué)術(shù)語。例如他把電流進(jìn)入的那個(gè)電極叫做陰極;電流出去的那個(gè)電極叫做陽極他把電流通過溶液在溶液中分解成的粒子叫做離子把走向陰極的離子稱為陽離子把走向陽極的離子稱為陰離子等等。直至現(xiàn)在我們所用的電化學(xué)的基本術(shù)語大多都是法拉第創(chuàng)造的。