趣味電力史 從河中的雷使者到電磁學的千年發展

667期

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口述 國立宜蘭大學電子工程學系 陸瑞強助理教授 整理 李文媛 繪圖 楊越涵

「電可以做什麼呢?」不能沒有手機的現代人大概連回個白眼都懶得翻。但同樣的問題,古埃及人卻會斬釘截鐵地回答:「治療痛風。」將近五千年前,古埃及漁夫在尼羅河中捕抓到一種聲似貓叫,還會發出電擊的魚,稱之為「Cat Fish」,又稱其為「河中的雷使者」,即今日的「電鯰魚」。他們將這些河裡的「皮卡丘」拿來電擊有關節病痛的患者,甚至做成「木乃魚」放進陵寢,希望在來生還能繼續享受其「服務」。這或許是目前所知最早人類使用電力的紀錄。

以電療為基礎的電力探索

「電鯰」、「電鰻」這類會發電的生物所發出的電稱為「生物電」,電鰻透過體內層層堆積的發電體發電,最大可以產生約800伏特電力。西元一世紀的古羅馬醫生,在其著作《醫學精選》(Compositiones Medicae)中建議病人透過觸摸電鰩以治療身體的疼痛。不過,從古埃及到古羅馬將近三千年中,人類真的只會把電用來電自己嗎?學者在約建於西元前一至三世紀的丹德拉神殿中,發現疑似電燈泡的壁畫,並以其形象仿造出一組真的會發光的丹德拉燈泡(Dendera Light),但事實上,壁畫的時代可能並沒有足夠的技術得以製造出可點亮燈泡的電壓。

兩河流域在這場生物電的探索中也沒有缺席。傳說中摸了就會被雷擊致死的以色列聖物「約櫃(又稱『法櫃』)」,被認為可能是利用生物電製作而成的蓄電池。根據《聖經.出埃及記》記載,約櫃以金合歡木製作並在四周包裹純金。科學家推測,櫃中也許設置了生物電,透過水氣使觸摸者觸電。而在伊拉克巴格達發現的一個廣口陶罐,推估約製造於西元前三世紀至西元七世紀,由於罐內有一根用銅片捲起的鐵棒,極似電池外殼,學者也指出可能是發電裝置,但因缺乏其他考古證據,此說目前並未受到學界承認。但如果是真的,這不到一伏特的電壓,最可能的用途是用來電療或製造宗教上的體驗。若一罐不夠,還可以多串連幾罐。

萬磁王誕生 科學家的電磁學實驗

暫時放下傳說故事,回到學理上的探討。西元前六世紀古希臘學者泰勒斯(Thales)發現用織品摩擦琥珀會對物品產生吸引力,是目前所知第一位「靜電」的實驗者,而遙遠的東方國度,亦有一位晉朝作家張華在西元三世紀寫下「今人梳頭,解著衣,有隨梳解結,有光者,亦有吒聲。」的靜電現象,但並沒有對這個現象進行更多的探討。

直到兩千年後,英國的吉爾伯特(William Gilbert)於1600年發表《論磁石》一書,伽利略(Galileo Galilei)稱此著作「偉大到令人妒忌的程度」。吉爾伯特透過實驗,將磁力分成磁鐵礦和摩擦吸力兩種,前者不需要摩擦就有吸力,並且只對鐵器產生作用,後者需經摩擦,但可對其他所有物質產生吸力。吉爾伯特進一步提出以下論點:

一、電和磁是兩種不同的現象。

二、磁石上的正極和負極不能獨立分開。

三、電的吸力在水中消失,但磁的吸力仍存在。

四、磁力在高溫時會消失。

這些偉大的發現開啟了往後數百年科學家對電磁學的探索,也讓吉爾伯特獲得「電學之父」的讚譽。

直到17至18世紀間,蓋里克(Otto Von Guericke)、格雷(Stephen Gray)、杜菲(Charles Du Fay)、穆欣布羅克(Pieter van Musschenbroek)、 諾雷(Jean Nollet)等科學家持續探索電磁學領域,以包括人體導電實驗等各種令人匪夷所思的殘酷方式,測試電的傳導媒介與速度,並製作出可儲存靜電的電容器「萊頓瓶」,提供電學實驗之用。1752年,美國科學家富蘭克林(Banjamin Franklin)進行了一項著名的實驗 ─ 在雷雨中放風箏,並嘗試把電導到萊頓瓶中。很幸運地,或許是當時的技術還不夠好,這位未來的《獨立宣言》起草人才沒有被電死,否則美金一百元上的頭像也得換人了。同時期的確有其他科學家進行類似實驗,因電擊犧牲了寶貴生命。

透過實驗,富蘭克林證明天上的打雷閃電與人們製造出來的靜電,其實是同一種電,也因多次應用物體進行導電,進而發明出「避雷針」,有文章記錄到當時避雷針的外形及運作方法:「直立鐵棍,尖如針頭,鍍金防鏽,在棍底連接導線,通向建築外地面……棍頂能夠在烏雲劈雷前安靜吸收電火花。」其後,法國的庫倫(Charles Augustin de Coulomb)提出多少電荷可以產生多少電力的公式;義大利醫生伽伐尼(Aloysius Galvani)透過對死後還會抽搐的青蛙進行實驗,推導出生物皆有帶電的結論。1800年後,電的相關研究像是裝上引擎般突飛猛進,因為伏打(Alessandro Volta)發明出最早的化學電池「伏打電池」,能夠比萊頓瓶更穩定儲存更多電荷,使電學實驗更為便利。

從嬰兒長成巨人的電磁應用

19世紀的電磁學蓬勃發展,丹麥科學家厄斯特(Hans Christian Orsted)發現電會產生磁場,法國科學家安培(Andre Marrie Ampere)以之為基礎發展出「安培定律」,可推算多少電流能產生多少磁場,而且許多人都不陌生的「安培右手定則」,只要比一個「讚」就能從電流方向(姆指方向)瞭解磁場方向(手指彎曲方向)。而德國科學家歐姆(Geory Simon Ohm)在1827年發表歐姆定律,由磁場回推電流,導出電壓與電流的關係。三年後,法拉第(Michael Farady)在前人的基礎上製作出發電儀器,成為第一部馬達和發電機的發明者。傳說當時的人向法拉第提出了一個問題:「這到底能做什麼?」法拉第則反問:「一個剛出生的嬰兒有什麼益處?」而他口中的嬰兒在近兩百年內,茁長為帶動人類文明一飛沖天的巨人。

有趣的是,相對於19世紀初科學家以大量實驗累積的電磁學成果,蘇格蘭的天才數學家馬克士威(James Clerk Maxwell)沒有做過任何電磁實驗,卻以數百年來人類對電的研究為基礎,重新推導庫侖定律、法拉第定律、安培定律等電學公式,於1862年提出電磁波方程式,指出光與磁其實是同一物質的兩種屬性,而光波就是一種電磁輻射。馬克士威的理論把電學與磁學結合成電磁學,更將光學納入討論。電磁波方程式使電磁學來到一個暫時的制高點,使工業技術從「機械」跨入「電磁學」,是現代許多電器的基礎。隨後的半個世紀,愛迪生(Thomas Alva Edison)、特斯拉(Nikola Tesla)等發明家利用電磁學理論,將電燈、交流電系統帶到現代人的生活中。

沒有電的日子怎麼過?

1887年德國科學家赫茲(Heinrich Hertz)以實驗證明電磁波的存在後,義大利工程師馬可尼(Guglielmo Marconi)將之應用於無線電通信技術,1901年成功的橫跨大西洋,從英國將摩斯密碼傳到2,800公里外的加拿大紐芬蘭,撞上冰山的鐵達尼號就是使用馬可尼公司的無線電報,發出了沉沒前最後的求救訊息。從無線電、收音機、電視一直到帶來資訊革命的電腦與網路,現代人的生活已幾乎離不開「電」,我們似乎已將電摸得足夠透澈,但研究者的投入卻從未停止。電是什麼?電可以做什麼?從「河中的雷使者」、治療病痛的方式,到靜電的發現與實驗、電磁現象及理論的分合,五千年來漫長探索,不同時代的人有不同的回答,只要我們對電、對整個宇宙繼續保有好奇心,相信電還會帶給我們更多出乎意料的驚奇。

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