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第4章 中国古代的电学知识

电学理论溯源

我国古代对电的认识,是从雷电及摩擦起电现象开始的。早在3000多年前的殷商时期,甲骨文中就有了“雷”及“电”的形声字。西周初期,在青铜器上就已经出现加雨字偏旁的“电”字。

王充在《论衡·雷虚篇》中写道:“云雨至则雷电击”,明确地提出云与雷电之间的关系。在其后的古代典籍中,关于雷电及其灾害的记述十分丰富,其中尤以明代张居正(1525-1582年)关于球形闪电的记载最为精彩,他在细致入微的观察的基础上,详细地记述了闪电火球大小、形状、颜色、出现的时间等,留下了可靠而宝贵的文字资料。

在细致观察的同时,人们也在探讨雷电的成因。《淮南子·坠形训》认为,“阴阳相薄为雷,激扬为电”,即雷电是阴阳两气对立的产物。王充也持类似看法。明代刘基(1311-1375年)说得更为明确:“雷者,天气之郁而激而发也。阳气困于阴,必迫,迫极而迸,迸而声为雷,光为电。”可见,当时己有人认识到雷电是同一自然现象的不同表现。

尖端放电也是一种常见的电现象。古代兵器多为长矛、剑、戟,而矛、戟锋刃尖利,常常可导致尖端放电发生,因这一现象多有记述。如《汉书·西域记》中就有“元始中(公元3年)……矛端生火”,晋代《搜神记》中也有相同记述:“戟锋皆有火光,遥望如悬烛”。避雷针是尖端放电的具体应用,我国古代曾采用各种措施防雷。古塔的尖顶多涂金属膜或鎏金,高大建筑物的瓦饰制成动物形状且冲天装设,都起到了避雷作用。如武当山主峰峰顶矗立着一座金殿,至今已有500多年历史,虽高耸于峰巅却从没有受过雷击。金殿是一座全铜建筑,顶部设计十分精巧。除脊饰之外,曲率均不太大,这样的脊饰就起到了避雷针作用。每当雷雨时节,云层与金殿之间存在巨大电势差,通过脊饰放电产生电弧,电弧使空气急剧膨胀,电弧变形如硕大火球。其时雷声惊天动地,闪电激绕如金蛇狂舞,硕大火球在金殿顶部激跃翻滚,蔚为壮观。雷雨过后,金殿经过水与火的洗炼,变得更为金光灿灿。如此巧妙的避雷措施,令人叹为观止。

我国古人还通过仔细观察,准确地记述了雷电对不同物质的作用。《南齐书》中有对雷击的详细记述:“雷震会稽山阴恒山保林寺,刹上四破,电火烧塔下佛面,而窗户不异也。”即强大的放电电流通过佛面的金属膜,全属被融化。而窗户为木制,仍保持原样。沈括在《梦溪笔谈》中对类似现象叙述更为详尽:“内侍李舜举家,曾为暴雷所震。其堂之西室,雷火自窗间出,赫然出檐。人以为堂屋已焚,皆出避之。及雷止,共舍宛然。墙壁窗纸皆黔。有一木格,其中杂贮诸器,其漆器银者,银悉熔流在地,漆器曾不焦灼。有一宝刀,极坚钢(刚),就刀室中熔为汁,而室亦俨然。人必谓火当先焚草木,然后流金石。今乃金石皆铄,而草木无一毁者,非人情所测也。”其实,只因漆器、刀室是绝缘体,宝刀、银扣是导体,才有这一现象发生。

在我国,摩擦起电现象的记述颇丰,其常用材料早期多为琥珀及玳瑁。早在西汉,《春秋纬》中就载有“玳瑁吸衤若(细小物体)”。《论衡》中也有“顿牟掇芥”,这里的顿牟也是指玳瑁。三国时的虞翻,少年时曾听说“虎魄不取腐芥”。腐芥因含水分,已成为导体,所以不被带电琥珀吸引。琥珀价格昂贵,常有人鱼目混珠。南朝陶弘景则知道“惟以手心摩热拾芥为真”,以此作为识别真假琥珀的标准。南北朝时的雷敩在《炮炙论》中有“琥珀如血色,以布拭热,吸得芥子者真也”。他一改别人以手摩擦为用布摩擦,静电吸引力大大增加。西晋张华(232-300年)记述了梳子与丝绸摩擦起电引起的放电及发声现象:“今人梳头,脱著衣时,有随梳、解结有光者,亦有咤声”。唐代段成式描述了黑暗中摩擦黑猫皮起电:“猫黑者,暗中逆循其毛,即若火星”。摩擦起电也有具体应用。据宋代的张邦基《墨庄漫录》记载:孔雀毛扎成的翠羽帚可以吸引龙脑(可制香料的有机化合物碎屑)。“皇宫中每幸诸阁,掷龙脑以辟(避)秽。过则以翠羽扫之,皆聚,无有遗者”。关于摩擦起电的记载还很多。

近代电学正是在对雷电及摩擦起电的大量记载和认识的基础上发展起来的,我国古代学者对电的研究,大大地丰富了人们对电的认识。

电学的生活运用

一、古人如何认识静电

古代中国人从分辨真假琥珀和玳瑁的经验中发现了静电。琥珀是一种透明的树脂化石,从魏晋时起已成为中药材之一;玳瑁是类似龟的海生物,其甲壳也叫玳瑁。古代药物学家在分辨真假琥珀和玳瑁时发现了琥珀吸取草屑的现象,一般以布摩擦琥珀,或以手心摩擦琥珀,看它是否能吸引草屑,从而检验琥珀的真假。

除了在分辨真假琥珀和玳瑁的实践中知道了摩擦起电外,古人还在日常生活中发现了毛皮、丝绸等物质的静电现象。

西晋时,张华(232-300年)在《博物志》中记述了两则静电现象的事例。一则是黑夜用梳子梳理头发,发现梳齿尖端会放电亮光,并听到微弱的放电爆声。另一则是黑夜猛地解脱衣服时(毛皮或丝绸质料),看到放电闪光和听见放电爆声。唐代人还发现摩擦猫皮时的静电火花和声音,宋代人则发现孔雀毛静电感应现象,并知道用这种羽毛作掸子,尘灰不飞扬,与现代家用鸡毛扫具有相同作用。

二、从大气放电认识雷与电

古代中国人在日常生活和军事战斗里发现了自然界放电现象,虽然还没有发展一套有系统的物理学理论来解释,不过,在知识的发现和探索上,确实比西方人早得多。

汉代王充曾在《论衡·雷虚篇》以雷电烧焦人的头发、皮肤、草木等例子来证明雷电的本质是火。西方则在18世纪时,美国人富兰克林(1706-1790年)曾冒着生命危险证明天上雷电与地上琥珀的电都是火。他的论证方式和论证证据,几乎都与王充相同。

三、尖端放电

中国史书都记载了古代军旅经常发现“尖端放电”现象。古代的兵器,如矛、戈、戟等,都有尖利的锋刃,有些兵器连柄也是金属的。《汉书·西域传》记述了元始年间,汉朝为开辟通往玉门关的近道,与当地车师后王国姑句发生了一场小小战争。汉军士兵们看到“姑句家矛端生火”。其实,发生雷电的大气电场是相当高的,但是,当大气中有尖锐导体存在时,电光可以在较弱的大气电场中发生,形成所谓尖端放电现象。

古代人在长期观察雷电现象中,也看出导体和绝缘体的差别。沈括在《梦溪笔谈》卷二十《神奇篇》曾描述了金属器物被烧熔的事例:雷电打入一平民家,该家有一漆木盆,内藏金银诸器,漆木盆内的银器全部被烧熔,但漆木盆却丝毫无损,还有一把宝刀,它在刀鞘中熔为汁,皮制刀鞘却不曾损坏。

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