莱顿瓶的改进

John Bevis最先建议沃森用锡箔(tinfoil)或铅皮(sheet-lead)来包装莱顿瓶的外层,也很可能是第一个注意到莱顿瓶的电量(charge)随着莱顿瓶的增大而增大,而不是与莱顿瓶中水的含量成正比,水只是起着导体的作用.他正确地认识到金属也可以像水一样起到同样的作用,于是就制作了3个用lead外层包围的莱顿瓶,当莱顿瓶连在一起后,发现3个莱顿瓶放电效果比两个大,两个比1个的大.这显示了莱顿瓶的电力是由金属和玻璃决定的.并且证明了电力与金属外层的量(quantity)成正比.

沃森的真空放电实验

沃森是第一个示范了电在真空中传播的人,他在1752年将这一系列实验发表在了皇家学会的Philosophical Transactions上,这些实验随后被smeaton ,canton,and wilson重复.沃森是在John Smeaton 和Lord Charles Cavendish的帮助下做这些实验的.

玻璃管差不多有1英尺(0.98米)长,直径几乎有3英寸(7.5cm),一个与玻璃管很合适的铜环粘牢在玻璃管两端,铜环中各有一个可以像螺丝一样扭稳的中空铜杯,几乎是圆的形状.其中一个铜杯的顶上是蘸有油的皮革材料,皮革材料中插有一根纤细的、与玻璃管另一端的距离小于8英寸(20cm)的铜棒.玻璃管另一端的铜杯上固定一根只有8英寸(20cm)的同样的铜棒.这样一来,两根铜棒就能容易地相互接触在一起,并且为了更好地观察由于表面的增加而引起的不同效果,在玻璃管两端扭上一小片圆形铜片.这样做的目的是方便将铜棒之间的距离分开或靠近某一距离.电流在真空中产生的距离要比同样条件下在空气中的远.

将玻璃管内外擦干,然后放在一个大概2英尺长,半径正好可以放之前提到的铜杯的铜柱内.为了防止空气进入,在铜柱两端固定一小片湿的皮革.将这些放在空气泵上,底端放在一块蜡,铜棒两端连接上导体,然后使发电机(摩擦产生直流电)转动起来.如此一来铜棒就被充电了,当铜棒靠近底端的铜片,或者与铜片距离2 inches(5.08 cm)时,电火就会从顶端的铜片吹向底端的铜片.并且任何一个站在地面上的人与空气泵任何部位接触时都会被猛然吸住,给其他人一种被充电的信息.但是,当铜片彼此后退时,效果就会越来越小,当他们相距5-6inches时,与空气泵接触就不会被吸住.

当抽出玻璃管中空气时,电火不仅通过5 inches,而是通过整个玻璃管.

And it was a most delighted spectacle,when the room was darkeded,to see the electricity in its passage; to be able to observe, not as in the open air, its brushes or pencils of rays an inch or 2 inches,but here the coruscations were of the whole length of the tube between the plates,viz.32 inches , and of a bright silver hue.these did not immediately diverge into less and less ramification ,and resembled very much the most lively coruscations of the aurora borealis.

当玻璃管被perfect抽空时,电火会成为一束连续的流,朝同一方向通过整个玻璃管. 当放入一小点空气进入的时候,上面的现象就消失了.

这些实验显示,无论真空能做的多么强,电火都可以扩散在整个玻璃管的长度里(真空越好,电火通过的距离越长).

Watson非常渴望知道,当他做了多人手拉手通过莱顿瓶放电实验形成电路后,以及长距离测量莱顿瓶放电的传播速度(结论是即时性)的实验是否能在真空中做.通过真空实验,他发现在真空中的放电应该是即时性的,但是当铜棒相距超过10 inches时,就不再有电火通过真空了.

法拉第在图书装订商和书商当学徒时看过taylor的电学资料,并对相关自然科学十分有兴趣,有一名老顾客看到法拉第的学习热情,就送给他一张科学院davy的化学演讲票,在听了davy的演讲后,法拉第详细做了笔记并用自己的图书装订技巧装订成书,附上自己想做科学研究的信一起寄给davy,希望当他的助手.但是davy当时没有能力做出这个决定,后来davy在试验中一只眼睛失明,且恰好科学院一名助手因为某种原因而被开除后,davy才很快把法拉第招入当自己的笔记员.

1820年,奥斯特发现电流的磁效应,受到科学界的关注,1821年,英国《哲学年鉴》的主编约请戴维撰写一篇文章,评述自奥斯特的发现以来电磁学实验的理论发展概况.戴维把这一工作交给了法拉第.法拉第在收集资料的过程中,对电磁现象产生了极大的热情,并开始转向电磁学的研究.

法拉第研究电学的另一个主要原因,在于Davy当时制造了世界上最大的电池,利用这个电池,他发现了很多元素,并且引起了他的学生法拉第在电学上的兴趣.于是,他企图从静止的磁力对导线或线圈的作用中产生电流,但是努力失败了.经过近10年的不断实验,到1831年法拉第终于发现,一个通电线圈的磁力虽然不能在另一个线圈中引起电流,但是当通电线圈的电流刚接通或中断的时候,另一个线圈中的电流计指针有微小偏转.法拉第心明眼亮,经过反复实验,都证实了当磁作用力发生变化时,另一个线圈中就有电流产生.他又设计了各种各样的实验,比如两个线圈发生相对运动,磁作用力的变化同样也能产生电流.这样,法拉第终于用实验揭开了电磁感应定律.法拉第的这个发现扫清了探索电磁本质道路上的拦路虎,开通了在电池之外大量产生电流的新道路.根据这个实验,1831年10月28日法拉第发明了圆盘发电机,这是法拉第第二项重大的电发明.这个圆盘发电机,结构虽然简单,但它却是人类创造出的第一个发电机.现代世界上产生电力的发电机就是从它开始的.

Faraday coined many of the terms still used today, including electrolysis, electrolyte, electrodes, anode, anions, cathode and cations.

沃森watson之后一个几乎一个世纪里,人们在真空放电方面都没有任何新的发现.1838年,法拉第将电流通入两端有铜棒rod的封闭的空气稀薄的容器时,注意到了一束紫色雾气或光束从正极流出,停在距离负极一小段距离的位置上,而负的铜棒上被连续的光glow罩住,如此这样地在正极与负极之间出现了一小段狭小的黑色空间,为了纪念它的发现者,这段空间被后续的研究者命名为法拉第黑色空间faraday dark space.(真空或稀薄气体管中的颜色取决于充入的气体.)尽管法拉第观察到了一系列有趣的现象,但是他受到当时空气泵的影响,人们不能将玻璃管中的气压减小很多来有效地研究阴极的光.1854年,德国一个具有超常吹制玻璃容器的人盖斯勒不仅发展改善了真空泵,还成功地将金属电极封装在玻璃管内,他制作的这个玻璃管尤其适合于电流通过低压气体.盖斯勒是德国吹玻璃的人和物理学家,他设有一家制造兼出售科学仪器的店铺.他在德国很多大学找到过工作,包括在波恩大学.在波恩大学,他被物理学家普吕克叫去设计一种抽空玻璃管的仪器.

发现阴极射线

普吕克(Plücker,Julius)1801年6月16日生于德国埃尔伯菲(Elberfeld);1868年5月22日卒于波恩(Bonn).数学、物理学.

普吕克出身于亚琛(Aachen)的一个商人家庭.青年时代毕业于杜塞尔多夫(Düsseldorf)地方的大学预科,以后曾到波恩、海德堡、柏林和巴黎等地的大学学习.1824年从马堡(Mar-burg)大学获得博士学位.1825年在波恩大学担任讲师.1828年被提升为特别教授.1833年在柏林任特别教授,同时担任弗里德里希•威廉(Friedrich Wilhelm)高级文科中学的教师.1834年在哈雷(Halle)大学任数学教授,以后又继 K.明休(von Miün-chow)之任,在波恩任教数学(1836—1847).

普吕克在物理学方面的引路人是法拉第,他和后者通信.两个世纪以前,葛利克发明了第一台空气泵.葛利克用空气泵抽出容器中的空气,从而形成真空,而科学家用这样的真空器能心满意足地做实验.托里拆利比当时的空气泵所能做到的要强,他在一个水银柱上造成了真空.然而,这种真空仅仅作为一件珍贵物品而被保留下来,因为它是密封容器内的真空,因此,不适用于做实验. 1855年,盖斯勒吸取了托里拆利发现的优点,制造了一台没有机械运动部分的空气泵.他使一柱水银上下运动.水银柱上面的真空可以用来一点一点地吸出密封容器内的空气,直到密封容器内的真空度接近水银柱上方的真空度为止.他用这种方法形成的真空比以前任何人形成的都纯.盖斯勒的朋友普吕克把用这种方法形成真空管子称为盖斯勒管. 有了盖斯勒管,就有了可能使电和原子的研究迈出了重要的一步.在此以前,物理学家曾经想通过真空器来进行放电,法拉第也曾经指出,若是如此,结果应是荧光的形成.遗憾的是,法拉第所使用的真空器不够理想,以致不能作出很多成就.有了盖斯勒管,情况发生了变化,研究工作得以开始.

1847年,普吕克对法拉第的真空放电实验的工作变得感兴趣起来.普吕克认为,如果将气体放入玻璃中密封,那么可以长时间观察到放电效应.1858年,普吕克用盖斯勒管产生放电现象,发现一种神秘的、漂亮的绿光.这种光可以持续很长时间.

Humphrey Davy在1821年曾经研究过另外一种形式的放电现象,两个碳极之间有弧光,当用磁铁靠近时,弧光会偏转.

普吕克做了一个在真空中放电的相似实验,观察到了类似的光在磁场中的偏转.但是他的实验的最有趣的地方是在负极附近检查到了光在磁场中的行为;当负极改成一个单一的点,则整个负极的光都集中在通过该点的磁场的磁力方向的一条线上.换句话说,负极的光就像是由金属离子丝组成的一端连着负极的可以弯曲的链条.