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電量的單位、電力學第一條物理公式──庫倫誕辰 │ 科學史上的今天:6/14

張瑞棋_96
・2015/06/14 ・961字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

自 1746 年可以貯存靜電的萊頓瓶發明後,科學家們才能展開電學的研究。不過,也因為這是人類首度能「把玩」神秘的電,沒有說哪種專長就比較高明,因此初期的研究者來自各種不同背景。例如富蘭克林是政治家、他的朋友普利斯特利(Joseph Priestley)是化學家、卡文迪許是物理學家、伽伐尼(Luigi Galvani)是醫生,而庫倫(Charles-Augustin de Coulomb, 1736-1806)在四十歲之前根本就是軍中的結構工程師。

庫倫自法國皇家軍事工程學校畢業後即加入軍隊,至各處建造防禦工事與軍事工程。1777 年,法國科學院懸賞改良羅盤,以便於海上航行可以遵循更精確的航向。搞了十幾年結構工程的庫倫認為他的力學知識可以提出改進方案,於是著手撰寫論文參加此科學競賽。而這成了一個重要的轉捩點──不論是對他個人人生或是對電學的發展而言。

庫倫認為羅盤上的磁針架在軸上必然會有摩擦而影響擺動,因此提出改用頭髮或細絲懸吊磁針。庫倫在研究過程中找出細線扭轉時的扭力與指針轉動角度的比例關係,因而發明了扭力計,可以測出極為微小的磁力。這篇論文果然贏得了首獎,庫倫因此從工程轉而專注於科學理論的研究,而他所發明的扭力計將成為測量電力的關鍵工具。

庫倫先埋首於摩擦力的研究,於 1781 年發表論文指出摩擦力與壓力成正比,分別提出靜摩擦與動摩擦的公式。這篇論文再度獲得法國科學院的論文首獎,他也於次年當選為法國科學院院士。他接著投入電學的研究,用扭力計測量靜電彼此間的斥力與距離的關係。

其實早在 1766 年,普利斯特利在回覆富蘭克林的信中就大膽猜測靜電力也跟萬有引力一樣,與距離的平方成反比。卡文迪許也在 1770 年曾做過未公開發表的實驗,推論電荷之間遵守平方反比定律。不過終究是庫倫於 1785 年用扭力計無懈可擊地證明了這個如今以他為名的「庫倫定律」──兩個帶電物體間的作用力大小與距離平方成反比,與帶電量乘積成正比。

庫倫定律是電學的第一條物理公式,因此是電學上一個重要的里程碑,代表電學的研究從定性跨入定量的階段。為了表彰他的成就,庫倫成為電量的單位,代表一安培的電流在一秒內通過導線截面積的電量。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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富蘭克林誕辰|科學史上的今天:1/17
張瑞棋_96
・2015/01/17 ・987字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

美國的紙鈔上印的都是政治人物,但其中最高面額的百元紙鈔上的班傑明・富蘭克林卻顯得與眾不同。他不但是政治家,還是政治學者、出版家、作家、慈善家、發明家與科學家。

富蘭克林的塑像。圖/James Peniston Sculpturelicense

富蘭克林最家喻戶曉的故事應該就是他放風箏捕捉閃電的大膽實驗,其實在這之前他就對電有深入的研究了。當時人們對電的認識只有摩擦產生的靜電現象,還以為摩擦玻璃與摩擦樹酯所產生的靜電是兩種不同的電。1748 年,富蘭克林自一手創辦的印刷事業退休下來,專心研究之後才發現靜電是因為摩擦造成電荷移轉所致,而且兩者的電荷數量是守恆的,他分別將之正名為正電與負電。不過他誤以為電流是正電荷的流動方向,後來為了維持這沿用已久的定義,我們只好定義電子帶負電。

此時可以貯存靜電的萊頓瓶才剛發明沒幾年,人們拿它來做娛樂表演,富蘭克林想到可以用它來驗證自己的推測:閃電的性質與靜電是相同的。1752 年一個暴風雨的日子,富蘭克林站在穀倉內將風箏升到雷電交加的半空中,風箏線上掛了支鑰匙連接到室內的萊頓瓶。果然閃電經由掛在風箏線上的鑰匙導引到萊頓瓶,證明了閃電就是電,而且可以像靜電那樣傳導並貯存起來。

富蘭克林因此實驗成為英國皇家學會的院士,從一個沒受教育的印刷商變成受人敬重的科學家。是的,他十歲就輟學,他的豐富學識都是靠自學而來。除了因為風箏實驗得到靈感而發明了避雷針,還發明了雙焦眼鏡、安全壁爐、導尿管、里程表,並對光學、熱學、氣象學都做出貢獻。他還做了人口統計、海洋灣流的調查。他從未為他的發明申請專利,他說:「當我們享受他人的發明帶來的便利,我們應該為自己的發明有機會服務他人感到高興,因此當然應該無私慷慨的去做。」

基於這種無私的胸懷,他一直都積極的參與公共事務。他設立了美國第一家醫院、第一所圖書館、第一支消防隊、第一家保險公司等等嘉惠公眾的機構,也參與了美國獨立宣言的草擬。他這些偉大的創舉以及對美國的重大貢獻,為他贏得了「美國第一人」(The First American)的稱譽。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

 

 

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史上首度測量電流速度 │ 科學史上的今天:06/19
張瑞棋_96
・2015/06/19 ・1058字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

十九世紀初,倫敦一家樂器行走出來一位十幾歲的學徒,他握著剛領到的工資,興奮地又來到附近的舊書攤買書。這一次他的目光被一本描述伏打(Alessandro Volta)所作電學實驗的書給吸引住,但他身上的錢不夠,而且這是本法文書,他還得再買本辭典才能看得懂。他還是下定決心將手中的錢給老闆當訂金,並在之後攢夠錢時將書與辭典買回家。

研讀之後,他找了哥哥一起打造書中所述的伏打電池,但只剩零錢不夠買所需的銅片。他靈光一閃,根本不用買,就拿手上的便士銅板取代就行啦!這就是惠斯登(Charles Wheatstone, 1802-1875),從小就努力追求新知,並展露發明的天份。

1834 年的今天,就在他受聘至倫敦國王學院講授實驗物理沒多久後,惠斯登發表論文,這是史上首度有人想出測量電流速度的方法,距離萊頓瓶發明已八十八年,伏打堆問世也已三十四年。這麼久的時間,沒有人知道電流的速度,因為它實在太快了!

惠斯登將八百公尺長的電線從中切開,一端接上萊頓瓶(奇怪為什麼不是用伏打堆?莫非惠斯登仍拮据到買不起銅片?),再用快速旋轉的鏡子觀測跳過電線缺口的火花相較於電線兩端的火花有多少延遲,而估算出電流的速度。雖然他得出的數值比真正的電流速度快了 50%,但在方法學上卻是正確無誤的。他所發明的旋轉鏡後來也成為物理學家測量光速所用的關鍵工具。

惠斯登繼續在電磁學上做出貢獻。1837 年,他和庫克(William F. Cooke)共同發明電報,不但成為最早的發明者之一,並且在兩年後沿著鐵路建造了世界上第一條商用電報線路。1843 年,他改良別人的設計而發明的「惠斯登電橋」(Wheatstone bridge)至今仍被廣泛用來測量電阻。他還是最先在發電機中用電磁鐵取代永久磁鐵,而成為能產生大電流的工業用發電機的發明人之一。

惠斯登的發明與發現橫跨不同領域。除了在自己的老本行上發明六角形手風琴、研究聲波,他還是全世界最先發明 3D 圖片顯示裝置的人──他讓左右兩眼同時各自觀看 45度角的反射鏡,而產生立體效果。他發現不同的金屬放電時產生的火花,透過稜鏡會呈現各自特有的光譜,為光譜學開啟了先河。他還發明一種矩陣加密法(Playfair cipher),廣被軍隊採用,直到第二次世界大戰初期仍被部分英軍使用。

憑藉著熱情與努力,惠斯登從一個樂器行的學徒成為英國皇家學會的一員,如願成為科學家與發明家,可說是事在人為的最佳例證。

 

 

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拉瓦節誕辰 │ 科學史上的今天:8/26
張瑞棋_96
・2015/08/26 ・1306字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

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拉瓦節的肖像。圖/wikipedia

即使到了十八世紀,所謂化學仍只是罩著神秘與魔幻外衣的煉金術。上個世紀有偉大如牛頓者沉浸其中,卻也未能如他在物理所展現的奇蹟那般,將煉金術轉化為明確清楚的科學。直到「現代化學之父」拉瓦節出現,才撥開重重迷霧,導入正確的觀念,開啟研究化學的科學方法。

拉瓦節出生於巴黎一個富裕家庭,念中學時就對自然科學充滿興趣,但家人希望他將來當律師,因此他大學雖然念的是法律,卻常利用課餘時間研讀化學、植物學、數學等學科。畢業後也沒馬上執業,竟跑去考察礦區。26 歲時,他發現有個絕佳的工作機會──稅務官;只要預付一筆稅款給皇室,就可以代皇家收稅,多收的就進自己口袋,而且還免稅。有了這穩定豐厚的收入,他就可以添購儀器,打造實驗室,無後顧之憂地專心研究科學。他萬萬想不到,這個如意算盤將來反而為他帶來殺身之禍。

就在當上稅務官這一年,拉瓦節也因為對石膏的研究而獲選為法國科學院院士。第二年,他針對被視為「四元素說」之證據的「水經長時間加熱會轉化成土類物質」展開實驗。經他仔細分析質量的增減後,發現生成物並非由水轉變而來,而是來自於裝水的容器,有力地駁斥了此一說法。

1772 年,他接著挑戰主宰世人觀念數十年之久的「燃素說」──物質燃燒後會釋出蘊藏其中的燃素。拉瓦節再度以定量的方法,透過一連串簡單明瞭的實驗證明:金屬燃燒後增加的重量恰等於空氣減少的重量,證明並無所謂的燃素。他將空氣中參與燃燒的氣體稱為氧氣,並算出所佔的比例,推翻長久以來人們以為空氣是單一元素的錯誤觀念。他並且指出呼吸作用也是氧氣與體內的碳結合後,產生二氧化碳與熱,和燃燒作用完全一樣。

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拉瓦節用於氧化汞實驗的器材。

拉瓦節根據多年來的實驗,證實了質量守恆定律,並且提出統一化學命名的規範,讓科學家們有共同的語言可以彼此交流,因而加速了化學的進展。1789 年他出版史上第一本系統化的化學教科書《化學要論》,定義了元素的概念,並首度列出 33 種元素(雖然有些後來證明是化合物);兩年後他以科學院院士的身分起草建立公制。拉瓦節逐步為科學文明建立起有邏輯、有秩序的知識體系,然而他身處的政治環境卻是逐漸狂亂失控。

1793 年的法國大革命革了皇室的命,身兼稅務官的拉瓦節也受到牽連。先是科學院被勒令關閉,不久後拉瓦節就被逮捕拘禁,半年後被送上斷頭台。我們不知他死前是否有留下遺言,但他頭顱落地的次日,科學家拉格朗日聞訊感嘆道:「砍下這顆頭顱只需一瞬間,可是即使再過一百年,只怕再也找不到這樣的頭腦。」雖然一年半後拉瓦節獲得平反,但已無法挽回重大的科學損失了。

 

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