作者/曹盛威

彈起的羽毛

17世紀初期,許多科學家嘗試說服大眾日心說是正確的,但是他們都碰到一個問題,那就是地球在移動的話,為什麼站在地球上的人不會被甩開。而在這時,研究電與磁的先驅吉爾伯特說:「地球是一個大磁鐵,這個大磁鐵會把人吸在地球上,所以地球在動的時候,人才不回被甩開。」

不過吉爾伯特很快就發現自己的問題,畢竟磁力是不會吸人的。因此吉爾伯特又說:「地球上的人之所以不會被甩開,是因為地球上有強大的靜電力,能把人牢牢吸在上面。」

馬德堡市長是一位對於新的科學理論都非常有興趣的人,他不只喜歡新理論,也會動手做實驗來驗證理論,像是經典的馬德堡半球實驗,就是他聽完托里切利的大氣壓力理論後做的驗證實驗。

生在與吉爾伯特同一個時代的馬德堡市長,在聽到吉爾伯特的新理論,自然也想要親自做實驗來驗證吉爾伯特的說法。

馬德堡市長製作了起電機,讓硫磺球上覆滿靜電去吸羽毛,起初羽毛被牢牢吸附在硫磺球上,怎麼擺動也甩不下來,但過了一會,卻發現羽毛竟然彈開了!

馬德堡市長的發現,不只讓吉爾伯特的說法不攻自破,也讓後來的科學家開始好奇,為什麼被靜電吸引的羽毛會突然彈開。

實驗中的意外發現

英國科學家格雷因為馬德堡市長發現的現象,開始研究靜電,在一次研究中,他原本預計要用摩擦後的玻璃試管來吸引羽毛,但他擔心會有灰塵跑到玻璃試管裡面造成實驗誤差,因此他幫摩擦完玻璃試管塞了一個軟木塞,再把玻璃試管拿去吸羽毛。

結果,不只玻璃管會吸羽毛,甚至連軟木塞都把羽毛吸了起來,這讓格雷十分驚訝,因為他並沒有摩擦軟木塞,軟木塞照理來說是沒有靜電的,不會吸引羽毛。

摩擦起電與接觸起電

在電學發展初期,科學家們認為靜電是固定在物體之中,平常沒什麼用,但是透過摩擦就能激發靜電產生吸引力,而他們把摩擦激發靜電的方法,稱為「摩擦起電」,「起電」的意思就是「激發靜電」。

也因為這個想法,讓看到軟木塞吸起羽毛時的格雷瞬間當機。

格雷回復思緒後,發現所有實驗器材,只有玻璃試管有靜電。格雷猜測,軟木塞上的靜電,會不會是因為接觸了帶電的玻璃試管造成的?為了證明自己的想法,他在軟木塞上又插上了一根細木棒,木棒的另一頭是一顆象牙球,當他摩擦玻璃試管後,發現象牙球也能夠吸東西,有了靜電。

但是,這不代表靜電能夠傳遞,只能說可以用帶電的物體,激發沒電物體的靜電。此時的格雷還是認為,靜電是固定在物質中,並不會流動,也因此,格雷才會把這種產生靜電的方式,稱為「接觸起電」,而不是「接觸傳電」。

木棒越長,靜電越弱

之後格雷嘗試將帶有象牙球的木棒加長,發現到木棒越長,象牙球的吸引力就越弱,而木棒本身也隨著長度增加,只有在接觸試管的部分有較大的吸引力。這個現象讓格雷開始懷疑激發的正確性,如果接觸後是激發靜電,那應該跟距離沒什麼關係,接觸過後都能激發出同樣多的靜電,產生相同的吸引力。

金屬也能帶靜電

以前只有摩擦起電能產生靜電,而摩擦起電並不能讓金屬獲得靜電,因此以前的科學家認為,金屬是不能帶靜電的。在格雷發現接觸起電後,做了大量的接觸起電的實驗,他發現把帶電的物體接觸不帶電的金屬,金屬身上也能帶電,證明了所有東西都是能夠有靜電。

之後,格雷嘗試將帶電的金屬觸碰到其他物體,發現其他物體也會帶電,但是金屬身上的電像是消失了一樣,不再能吸東西。這件事情讓格雷再次懷疑激發的正確性,如果是激發,為什麼金屬在接觸之後電就不見了?

透過這個現象,格雷提出一個空前絕後的假設-「電是會流動的」,他認為金屬上的電不是不見,而是傳給了接觸的物體。

導電性

為了證明這件事情,他將象牙球用金屬線連接玻璃試管,並用毛皮摩擦玻璃試管,發現到這次無論金屬線多長,象牙球的吸引力都差不多!而且金屬線幾乎沒有任何吸引力。在比較用木棒連接的情況後,格雷提出了「導電性」。

他認為木棒之所以越長越沒辦法把電傳過去,是因為他的導電性不好,因此在加長木棒長度後,象牙球上就沒沒辦法獲得靜電,而木棒上的靜電也只停留在接觸是管的部分。

而金屬可以無視長度把電傳到象牙球上,是因為他導電性良好,因此無論怎麼增加長度,象牙球上都可以獲得靜電,而金屬線也因為都把靜電傳給了象牙球,自己也就沒辦法帶電了。

參考文獻:

Thank Stephen Gray for wire and insulators

Stephen Gray (scientist) - Wikipedia

The Story of Electricity – Impulse

History of electricity. The discovery of conductors and insulators by Gray, Dufay and Franklin. - Le blog d'histoire des sciences