（四）电学和磁学（Ⅱ）

电学在整个十八世纪里一直在惊人地发展。及至这个世纪末，这发展以确定电荷间力的精确定律而达到了顶峰。此前一直定性地加以描述的电现象，从此得到精密的数学研究，一门新科学即静电学兴起了。这个巅峰阶段与普利斯特列、卡文迪什和库仑等人的名字特别联系在一起。尽管境遇不同，身份各异，约克郡的校长、伦敦的富有隐士和法国的军士工程师却对电力定律的确立作出了各自的贡献。普利斯特列和卡文迪什两人还研究了导体对静电放电的电阻的定律，这样，两人之间又多了一层联系。

当约瑟夫·普利斯特列还是一位年轻的校长时，他就用一架起电机做过实验。后来，他在多次造访伦敦期间结识了富兰克林、沃森、坎顿和当时的其他一些第一流电学家。正是由于受到这些人的鼓励，普利斯特列经过不到一年的努力写出了他的第一部科学著作《电学的历史与现状，及原始实验》（The History and Present State of Electricity，with Original Experiments）（伦敦，第一版，1767年；第三版，1775年）。这部杰作分为两卷，第一卷明晰地概述了直到普利斯特列时代的电学发展。这一部分尽可能用原始材料编撰，其中有许多是他的科学界朋友提供的。在第二卷中，普利斯特列提出了一些一般命题，它们有助于将已公布的大量实验事实加以系统化；他评论了当时流行的一些关于电的本性的理论；提出了一些质疑，它们提示了进一步探索的路线；对当代的起电机以及其他设备给出了有价值的、附图解的说明，并对业余科研爱好者提出了忠告；描述了他在探索过程中不断进行的大量电学实验，这些工作，使他于1766年当选为皇家学会会员。尽管普利斯特列自己倾向于电的单流质说，但他对一切这类假说也持批评态度。他写道：“说到电，我只是指称为电的效应的那些效应，或者这些效应的未知原因”（History，3rd ed. ，II，p.3）。他认为，假说在科学上的功能在于提示导致确立新事实的探索路线，而假说的成分由此将被逐渐排除。

普利斯特列在他的书和送交《哲学学报》的研究论文中描述了一些比较值得注意的电学观测，这里可以提到下述几个。继富兰克林之后，他观察了从带正或负电荷的导体突出尖端发出的气流，他表明，这种气流有时很强，足可吹熄一支点亮的蜡烛或转动一个带有叶片的小轮。他注意到，金属与一个邻近导体之间反复通过强烈火花后，在放电点周围的金属表面上形成了棱镜色环（颜色排列如同虹霓）（Phil.Trans. ，1768，p.68）。他指出了，这种色环与牛顿环相似。在《电学史》中他甚至提出，牧草中的“仙女环蘑菇”可能就是由电闪引起的一个这种效应（当时通常把它们归因于电闪的作用）。普利斯特列关于电传导的实验更具重要意义。他表明，碳是一种电的良导体（同上书，Vol.Ⅱ，p.193），干燥的冰和赤热的玻璃也应归类于导体。在投交《哲学学报》（1769，pp.57，63）的论文中，他先介绍了他对“电爆炸的侧力”的研究。在放电时，附近轻物体被这力抛散开来，尽管它们本身未获得电荷。他把这种效应归因于“爆炸”处的空气被排除。他试图表明，这种抛散现象在真空中不会发生，但由于他的抽气机不完善而没有得到什么结论。接着，他想通过实验表明，电瓶组成的电池的放电力在电路成曲折构形时是否会减弱，这放电力乃由电池熔化外部线路中的金属丝的能力来量度。他使某电池通过一根小铁丝放电，测得它刚好能把多长的这种铁丝熔化，线路的其余部分是3码长的粗黄铜丝。然后，他把这铜丝弯曲。但他发现，放电所恰能熔化的铁丝的长度与铜丝伸直时无异。然而，他观察到，以这种方式量度的放电力乃取决于外部线路的长度；于是，他想通过求出放电将通过的空气隙（而不是通过一条长长的金属线路）的宽度来量度一个导体在其长度上对放电的阻碍。他把一根长导线弯成环形，以便把其一端接到电瓶电池的外面，另一端接到其里面。他反复让电池放电，从导线两个端相接触开始，然后渐渐把它们分开，逐次发生放电，直到不再有火花通过，而放电使全部经由这导线。刚好通过的孔隙的最大宽度似乎与构成线路的导线的长度与粗细成比例。普利斯特列详细研究了他称之为旁向爆炸的现象（Phil.Trans. ，1770，p.192），它现在有时被称为侧闪光。他从自己的和威尔逊的实验得知，当莱顿瓶经由不完全导电的线路放电时，操作者经常感受到轻微的电击，尽管他的身体并未构成线路的一部分。为了确定电是否实际上从电路通到邻近物体，普利斯特列把放电通过的一条线路附近的一个中性导体绝缘起来，观察在电池放电过程中，连接于这中性导体的一个木髓球验电器是否指示电荷增减。他所用的导体是一根被覆金属箔的纸板管，长7英尺，直径4英寸，用丝线悬吊起来，距离一根联接着电池外侧的金属棒不到1/4英寸，电池通过一条断续的线路放电。他观察到，一个火花从金属棒通到绝缘管，但并未观察到所附属的木髓球分离开来，尽管它们完全能够显示远比电火花所代表的电为少的电在导体上的存在。这个实验重复了五十多次，其间在一些条件上有所改变，但未得出有重大差别的结果。普利斯特列在真空中重复了这个实验，让火花通过隔开一个空隙的两根金属棒。当他把空隙的宽度减小到2英寸时，他观察到这空隙由均匀的“淡蓝或紫红的光”跨接。两端处现象上没有什么区别，不像普通低压放电时那样。普利斯特列写道：“在所有其他场合，电物质都沿一个方向通过；而在这场合，电物质却往返于同一条路径。这样，就同一瞬间所能区分的而言，两种电之间在真空中那显而易见的区别在此必定全被搞混淆了。”这种现象显然是首次被认识到的振荡放电现象。在下一世纪，几位物理学家独立地研究了它。

然而，普利斯特列对电学的贡献中最有意义的大概要数他想用实验证明电的引力和斥力随距离的变化遵循平方反比定律的尝试。富兰克林曾告诉普利斯特列，他在被封闭在一个带电金属容器中的木髓球上未能检测任何起电效应。普利斯特列也进行了这种观察，如他在《电学史》结尾处所说的那样。“于是，我在〔1766年〕12月21日把放在一个用烘干术制的凳上的一个锡制一夸脱容器起电；我观察到，一对木髓球保持原位，丝毫未受电的影响，这对球被固定在一根玻璃棒的端头而绝缘，并被用线完全悬吊在那量杯中，线一点也不露出杯口。”不过，普利斯特列发现，在量杯放电之前，若把小球接地或从杯中取走，或者把它碰到杯壁时，这小球便带上少许电荷。然而，这可以归因于量杯没有被完全封闭。普利斯特列问道：“难道我们由此实验不能推论，电的引力也遵从和万有引力一样的定律，因而也遵从距离平方〔反比〕律吗？因为很容易证明，如果地球是一个壳体，那么一个位于其内部的物体将不会被某一边吸引较强，而被另一边吸引较弱。”（History，Ⅱ，p.372 f.）普利斯特列想确立电力的平方反比定律的尝试可看做是卡文迪什对这问题的更为细致的研究的萌芽。

十八世纪里电学上最为重要的开拓性工作是亨利·卡文迪什（1731—1810）做出的。他的父亲是查尔斯·卡文迪什勋爵，也是一位杰出的实验家。亨利是在他父亲的伦敦寓所里做电学实验的。但可惜的是他做实验好像只是为了满足自己的好奇心，他没有把他那些极其重要的结果发表出来，尽管他有充分的机会那样做。因此，当它们终于由麦克斯韦加以编辑而在1879年公之于世时，法拉第已通过独立的研究重新发现了其中的绝大部分（见The Electrical Researches of the Hon.Henry Cavendish，J.Clerk Maxwell编，Cambridge，1879）。卡文迪什自己仅发表了两篇电学论文，它们都投交给《哲学学报》。

1771年发表的他的第一篇也是较为重要的论文题为《试以一种弹性流体解释若干基本电现象》（An Attempt to Fxplain some of the Principal Phenomena of Electricity，by menas of an Elastic Fluid）（Phil.Trans. ，Vol.L Ⅺ，p.584），他在文中试图为静电学的数学理论奠定基础。他的基本假说同富兰克林和埃皮努斯一样，认为电是一种流体，其微粒相互排斥，并吸引普通物质的微粒，其力和距离的某小于立方的幂成反比，而物质微粒间的斥力也遵循这种定律。在一个电中性的物体中，电流体的量是这样的：电流体对任何给定物质微粒的引力恰好与其余物质对该微粒的斥力平衡。在带电物体中，电流体的量超过或少于这个量。他用数学方法研究了带电导体中流体的分布、物质和流体的各种分布对微粒的作用力或相互之间的作用力以及电流体在两个相连通的带电导体间的运动，等等。他尽可能根据普通实验的结果来证实自己的理论结论。

在1776年发表的第二篇论文中（Phil.Trans. ，Vol.L Ⅹ Ⅵ，p.196），卡文迪什描述了他如何制作了一个皮革人造“电”，用绝缘的导线把它与一个莱顿瓶电池联接，以及他如何甚至在这设备浸没于盐水之中时也成功地复制了这种鱼的功能。

卡文迪什未公开的实验主要研究了各种大小与形状的导体和电容器的我们现在所说的电容的比较、导电溶液柱对静电荷通过的阻抗的比较，以及电力的定律。

卡文迪什未公布的关于静电学的工作是以他所称的“起电程度”（degree of electrification）为基础，他把“起电程度”比作流体中的压力，可同现代的电压或电势的概念相比拟。如果两个带电导体处于相连通状态，则电将在两者之间流动，直至这压力处处相等，这时它们的“起电程度”也将相等。然而，两个导体上的电荷一般并不相等，而取决于导体的形状和大小。卡文迪什在静电学方面的工作大都在于求得许多导体的每一个上的电荷同处于与其电连通的一个标准导体（一个被覆锡箔的直径12.1英寸的球）上的电荷之比。确定了这种比以后，当一个球起电到与这给定导体同等程度而带有同样电荷时，便很容易算出这球的直径，因为同等起电的两个球上的电荷与它们的直径成正比。这样，卡文迪什便能够预言现代的电容量度，并用“电的英寸”来计量。他发现，他的电容器（两个锡箔圆片，中间用非导体隔开）的电容在一定程度上取决于用来隔开表皮的物质；他还求得了在其他条件相同时，用给定的隔离物质所得到的电荷与用空气隔离时所得到的电荷的数值比。这样，他便在一定程度上预言了法拉第的电容率工作。在运用这种类型的电容器时，他发现，必须考虑到电荷在玻璃上的散布。他发明了测量电容的专门仪器和方法；但由于他运用仅仅由悬吊的软木或木髓球构成的粗陋验电器，所以测量精度虽说出众，但仍不可避免地要受到影响。

为了比较各种已知强度的盐溶液和酸溶液的导电能力，卡文迪什把它们充入长约1码的玻璃管中，两端用软木塞堵住。导线穿过软木塞，后者可被推入或部分地抽出，以改变液柱的有效长度。导线被从两个被比较的溶液管的每一个的一端连接到一组莱顿瓶的接地外侧，每组瓶都被充电到同样电压。卡文迪什两手各持一块金属，然后用其中一块去触一根管的自由导线，用另一块去触一个莱顿瓶的球形捏手，这时他受到电击。他又让电路通过第二根管，重复这实验；然后，再通过第一根管，如此交替进行下去。每次让一个瓶放电，直到所有的瓶都被放电。他判明了哪一根管给出较强的电击，从而断言：那根管电阻较小。接着，他改变电击通过一根管时所经过的溶液的长度，以使电击更其接近相等。他一次次地重复这个过程，直到获得近似相等，这时液柱长度便可加以比较。卡文迪什以类似方式研究了电阻随温度的变化。他表明，一个导体的电阻与放电的强度无关，这样，他便在一定程度上预言了欧姆定律。他还提出了一些关于放电在许多并联导体中间分配的定律。这工作以及下一段所描述的工作都一直未经发表。

卡文迪什证明了，一个导体上的电荷全部驻留在它的表面上。他由此推出了电斥力的平方反比定律。他取它的直径12.1英寸的被覆锡箔的球，也用作为他的电容标准，将它绝缘，然后把它封闭在两个铰合的纸板半球中，但它与半球毫不接触。然后，他使两个半球起电，用一根导线把它们与内球短暂连接，继而把两半球分开，然后用木髓球验电器测试球。他发现，球未充电；并表明，如果这结果严格地真确，那就必定可由之得出电斥力的平方反比定律。通过用此装置进行的一些定量实验，他便能够得出这样的结论：电力必定至少与距离的处于 和 之间的某个幂成反比。麦克斯韦后来用一个类似实验把这个不确定性限度减小到 。

夏尔·奥古斯特·库仑（1736—1806）出生于昂古莱姆。他最初是军事工程师。像冯·盖里克一样，他的科学兴趣和探索也是从工作中产生的。1776年他从马提尼克岛卸任返回后，便定居巴黎，致力于研究工作。他主要从事摩擦、扭力和材料刚性等方面的研究。这些研究使他荣获了法国科学院的一项奖金，并成为该院院士。法国科学院为征求船用罗盘最佳制造方法而设立的一项奖金把库仑吸引到了电学和磁学问题上来。正是在这一研究中，库仑应用了他以往在刚性（特别是扭转刚度）研究上已获得的成果，大约于1784年发明了他的扭秤。约翰·米歇尔也发明过一种扭秤，而且可能在库仑之前，但似乎没有什么证据能够证明，他们两人不是各自独立地发明这种仪器的。卡文迪什在他关于地球平均密度的论文中写道：“多年以前，这个〔皇家〕学会的已故约翰·米歇尔大法师发明了一种测定地球密度的方法：使小量物质的引力能被觉察到。但由于他又忙于别的研究，因此直到他去世前不久也没有完成这个装置，更未能在生前用它做实验。他过世以后，这设备落到了剑桥的杰克逊教授弗兰西斯·约翰·海德·沃拉斯顿大法师手中，而后者不具备称心地用它做实验的条件，便慷慨地把它送给了我。”（Phil.Trans. ，1798，p.469）

库仑运用扭秤进行的研究以及他由此进而进行的其他研究，在他投给1784年以后的《皇家科学院备忘录》的论文中有记载。（这些论文中较重要者有德文注译本，见Ostwald：Klassiker，No.13。）

扭秤的结构和用法可用图109来说明。玻璃圆筒ABCD高和直径均约为30厘米，圆周上有刻度，上方有一块玻璃盖板，盖板上钻出了两个圆孔，一个在中央，另一个在侧旁。在中央的圆孔上升出另一个玻璃圆筒，高约60厘米，黏结于玻璃板，顶上是一个带刻度的微扭计op，从其上悬下一根细银丝qp，伸入下面的圆筒。银丝可转动一定角度，用扭头量度。银丝下端支承一根水平细杆，它是涂火漆的丝线或麦秆，一端有一个小木髓球a，另一端是一个圆纸片g，作为衡重体，并阻尼振荡。这装置的若干构件单独示于图中右侧。通过玻璃盖板上的第二个孔m，可使与第一个同样大小的第二个木髓球向下伸入在一根绝缘棒上的容器之中，并与第一个球接近。

这仪器的工作乃基于库仑早先发现的原理：一端固定的一根金属丝在扭转时产生一个与扭转角度成正比的回复力偶。因此，一当类似地给两个木髓球充电，在它们处于不同间距时两者间的斥力，便可通过从刻度头读取为使球处于这些间距所必需被扭转的角度来加以比较。对于在这个实验中水平杆ag的很小角位移，两球间的距离可以认为与这些位移成正比。作用于这金属丝的力偶臂也被认为是始终恒定的。

由于采用极其细的金属丝，库仑的扭秤达到极高的灵敏度，在横臂（长10.83厘米）仅用 格令 ^[1] 重量的力就足可引起1度的偏转。当用一根丝纤维时，一个 格令重量的力就足可使这个系统转动360°。

库仑实验的最重要结果是他证明了，“两个同样地起电的小球之间的斥力与它们球心的距离的平方成反比。”他的实验程序如下。先把微扭计置于0°，然后把整个扭头和所附金属丝一起旋转，直到悬置的小球对着下面刻度圈上的零度，并且处在玻璃盖板开孔之下。这时，把第二个小球降下而从孔伸进去，与悬置的球相接触，并固定位置，然后用一个带电导体与这两个球接触，使它们在完全相同的条件下起电。于是可动球立即被固定球排斥。在库仑所描述的一个实验中，秤的横梁转过了36°。通过扭转金属丝，这位移减半到18°，这时发现扭转角增加了四倍而成144°。为了把这位移减半，使球处于原来距离的四分之一里，扭转角就必须增加到其初始值的十六倍（576°）。根据这些结果，便可就排斥情形得出上述定律。

在发表于1785年的另一篇论文中，库仑叙述了他对电吸引定律的研究。如果他为此再应用上述装置，把两个球充以相反的电，实验本来会失败，因为当引力和扭力达到平衡时，整个系统将会不稳定。这时两球的任何进一步靠拢，都会引起引力比扭转阻力更快地增加，而两个球便跑到一起去了。因此，他对这种情形采用了下述方法。其一端固定着一个圆的小金箔的一根绝缘针用一根丝线水平地悬置，处于一个被绝缘的导电大球附近，并与这大球的中心齐平。大球和圆金箔被充以相反电荷，针被置于离大球的各已知距离上作水平振荡，每次都把其频率记录下来。如假定平方反比定律成立，则大球上电荷的行为如同电荷集中在球心，而针的振荡周期则应取决于它离大球的有效距离。因为 ， ；所以，周期∝距离。这样，这假定就得到了证实。

库仑还针对实验中漏电现象进行了修正。一项专门研究表明。这种漏电取决于带电体的绝缘效率、带电体的大小、其上电荷密度和空气湿度。

库仑用与上述方法相似的两种独立方法研究了磁力定律，这将放在关于磁学的那一节里研讨。

最后，库仑研究了导体上电荷的分布问题。他用两个带有绝缘手柄的半球杯把一个绝缘了的金属球罩起来（图111）。他使这整体起电，然后把杯罩移开。结果发现，金属球丝毫不带电荷，而杯被起电。当仅仅球被充电，杯呈中性态地放在球上面时，若把两个杯移开，则所得到的结果与第一个实验完全一样。卡文迪什早已做过一个更为精细的这种实验，但库仑大概不知道这件事。库仑提出两条关于电荷分布的基本定律：1）电按照导体形状而分布于一切与之连通的导体上，对它们毫不厚此薄彼；2）在一个带电导体上，电荷分布在导体表面上而不进入其内部。库仑像卡文迪什一样，也认为这后一性质是电荷基元按照平方反比定律相斥的一个结果，而这在事实上最精确地证实了这条定律。

库仑结束了电学发展的第一个时期。库仑的工作使静电学臻于高度完善。诚然，他没有考虑到电力作用所通过的媒质，只研究了带电体在空气中的相互作用。电介质概念是始于法拉第的电学发展下一阶段的特征。在库仑看来，电的引力和斥力是超距地、即时地通过空虚空间作用的力，正像牛顿追随者设想的重力作用那样。然而，这丝毫无损于库仑贡献的价值。库仑的贡献被认为唯在于提供了精密测量，排除了关于电本性的一切思辨。这种思辨乃是许多法国物理学家的工作的特征，它们构成了下一代人得以建立一个关于电现象的数学理论的基础。从十九世纪头十年开始，借助高等分析，特别是位势论，这个任务完成了。

（参见 G.R.Sharp：The Physical Work of Coulomb，1936，M.Sc.Dissertation，Library of the University of London。）

十八世纪的电学家很快就觉得需要检测，并尽可能地测量电荷的仪器。在确定感生电荷的存在和本性、检测大气电、编制摩擦系列、使给予莱顿瓶的电荷标准化等诸如此类的问题上，这种需要尤其突出。验电器和静电计的发明和逐步改进对把静电学转变为精密科学起到了重要作用；这最后使伏打得以研究不同导体接触而产生的微弱电荷，这一研究又导致发明伏打电堆和产生电流。与这种仪器的发展密切相关的是许多辅助仪器的发明，它们用于放大过分微弱的电荷，以使之能明显影响验电器。

十六世纪末，威廉·吉尔伯特曾用一根被置于支枢之上的指针来证明经过摩擦的非导体上存在着电荷。十八世纪初使用的原始验电器通常由用金属丝或玻璃管悬吊的黄铜箔条或线绳构成。例如，为了研究一个带电玻璃球对附近轻物体的吸引，豪克斯贝便在一个与玻璃球同心的金属丝环上悬吊数根毛线；当玻璃球旋转时被摩擦而起电时，毛线的取向使它们的自由端径直指向球心（Physico-Mechanical Experiments，1709）。斯蒂芬·格雷在二十年后所采用的验电方法与豪克斯贝的方法酷似。但是，继迪费发现了电排斥，又引入了一种新式验电器。据格雷的朋友和同事格兰维尔·惠勒描述（Phil.Trans. ，1739，p.98），它的原始形式乃由用一根丝线并排悬吊的两根线组成；它们在有一个带电体靠近时便分离开来。惠勒给线的两端系上羽毛。后来，魏茨提出用丝线并排悬吊两块金属，以便根据它们被充电时的分离程度来把它们的相互斥同重力比较。（Abhandlung von der Elektricität，Berlin，1745）。诺莱通常把这种线对的阴影投到一块屏幕上，再用一个分度规测量它们的分离度（Mém.de L’Acad.Roy.des Sc. ，Paris，Année 1747）。约翰·坎顿在他的感应和大气电实验中，应用一根导线并排悬吊一对长各约6英寸的亚麻线，每根线支撑一个豌豆大小的软木球或老木髓球（Phil.Trans. ，1753，p.350，和1754，p.780）。按照普利斯特列的说法，悬吊的球有时放在一个带有滑动盖的窄长盒子中；使用时盒盖可用作手柄以便手持仪器（图112）。

人们希望把给予莱顿瓶的电荷标准化，特别在把它们产生的电击用于医疗时。托马斯·莱恩提出过几种方法，其原始程度主要在于应用这样的火花隙：其两个端点的间隔可用一个螺杆进行极精细的微调（Phil.Trans. ，1767，p.451）。莱顿瓶的内部直接用起电机充电，而外部接地（见271页图106）。病人一只手持一根接地的导线，另一只手持一个绝缘的金属件，火花隙把后者同瓶的球形捏手隔开。当电瓶获得了足够强的电荷时，火花隙就会通过一个火花，病人便受到一次电击，其强度可通过改变火花所通过的火花隙两端间隔来调节。威廉·亨利于1770年发明了一种特别适用于指示一个莱顿瓶或莱顿瓶组成的电池上的电荷强度的仪器——象限静电计（图113），普利斯特列曾在致富兰克林的一封信中描述了这种仪器，此信后来发表于《哲学学报》（1772，p.359）。在这种仪器中，一根轻杆从刻度半圆即象限仪的中心悬吊一个软木球，这轻杆可在刻度半圆上转动。整个装置安装在一根象牙杆或黄杨木杆上，杆可藉其上的螺钉旋入起电机的原导体或莱顿瓶的球形捏手。支持球的轻杆的偏转便量度（按任意方式）了电荷。亨利应用这种仪器比较了各种金属的导电能力，其方法是观察需要由这静电计量度的多少电荷恰能熔化各种金属的1英寸长的丝（Phil.Trans. ，1774，p.389）。亨利还考虑过发明可用来研究大气的电状态的验电器的问题。奈恩建议屏蔽仪器，以免受气流影响。亨利为改进这一建议，提议把一对木髓球并排放在一个有孔的瓶中，把它们用线悬吊在一根伸出瓶塞数英寸的集电导线上（Canton MSS. ，II，p.94）。亨利的朋友提贝里乌斯·卡瓦洛（1749—1809）——一个几乎毕生在英国度过的意大利电学家——提出了对坎顿的木髓球验电器的其他一些改进意见。卡瓦洛的极其有名的静电计（1777年发明，记叙载《哲学学报》，1780，p.14）是最早广泛应用的此类仪器，其活动构件全部封闭在一个玻璃容器里（图115的图2）。纤细的银丝取代了亚麻线，它们支撑着锥形软木块，并由一根绕过“瓶颈”的绝缘导线连接到仪器顶端的一个铜帽。接地的锡箔条附装在瓶内两侧，（据解释）这是为了在软木块分得很开，足以同锡箔接触时使软木块接地（因为每当欲用感应方法使软木块充电时，就要这样做）。整个仪器装在一个高约3英寸的盒子中。

卡文迪什在研究中所应用的验电器总的来说与坎顿的仪器区别不大。然而，他在对电射线或电性质的实验研究中应用了“一种非常精密的静电计”。他这样描绘这种仪器：“我所用的静电计有两根平行悬吊的麦秆，长10英寸，其一端在一根作为中心的钢销上转动，另一端上固定着直径四分之一英寸的软木球。我判断这些球的分离的方法是，看它们是否与置于其后约10英寸处的平行线相重合。这时要留心让眼睛总是与软木球保持同样距离，且不让这个距离短于30英寸。为使麦秆导电性能更好，它们被涂上了金箔，这就使它们的效应更加有规则。这种静电计非常精确，但只能在电很弱的场合使用。”

德索絮尔在几个细小方面改进了卡瓦洛的验电器。估量电荷方法的比较根本性的改进是伏打作出的。由于他是起电盘（elettroforo perpetuo）的发明者，所以当时的电学家都知道他。1775年，他向普利斯特列说明过这种仪器。这种装置如图116所示。它有一个金属底盘，里面盛有一块非导体材料，还有一个由几根绝缘丝线悬吊在一个环上的金属盖，或者装备一个绝缘手柄。先用摩擦使非导电体带电，然后把金属盖板放在它上面，用手指或底盘金属边沿接触盖板而使它接地。接着，把盖板移开，这样，它带的感生电荷便可传递给一个导体。在非导电体需重新带电之前，可将上述过程重复多次。将近十八世纪末时，制成了一些相当大的起电盘（直径达7英尺）。伏打把这种仪器发展成为一种新的形式，他称之为电容器。正是他为这种仪器的后来演进奠定了基础。伏打的电容器实际上是一个用树脂薄层取代非导电体块的起电盘，它的最终形式示于图117。它用于检测微弱的电荷或起电程度（Of the Method of rendering very sensible the weakest natural or artificial Electricity，London，1782）。伏打、拉普拉斯和拉瓦锡正是利用这种仪器证明了，在煤炭燃烧、铁屑在矾酸中溶解以及水蒸发等过程中，释出了少量电。为了测试这些实验中的微量电荷，首先应用的是卡瓦洛的验电器。然而，伏打在他于1787年7月写给利希滕伯格的两封信中，批评了当时判断电荷所用的一些方法，并说明了他自己新发明的静电计（Opere，1816，Tom I，Parte II，Meteorologia Elettrica）。这种仪器上主要是两根长约2英寸的细麦秆，它们并排紧贴着悬吊在银丝环上，当被充电时，它们很容易分开。整个装置封闭在一个方形玻璃容器中，后者一个侧面上贴着圆标尺。银丝与外部的一个金属帽联接。后来，这金属帽被代之以一种伏打电容器，从而构成了一种容电式验电器。伏打声称用实验确证了，两根麦秆的分离程度在一个很大范围内与静电计所得到的电荷成正比。

伏打渴望确立一种绝对的电的计量标准，它将与任何特定测量仪器的特征无关。十八世纪中期，已有几位作者建议，在测量一个物体的起电强度时，让它以引力把天平的一个秤盘拉低，然后看必须用多重的砝码放在另一个秤盘中，才恰好与这引力抗衡。一位佚名作者在致仪器制造家约翰·埃利科特的一封信中提出过这样一个建议，这封信发表于《哲学学报》（1746，p.96）。格雷拉特的静电计实际上应用了这一原理：仪器由一个天平构成，其中一个秤盘垂直地位于一根铁杆上端上方，铁杆下端放在一张桌子上，桌子的高度可以通过一个螺钉随意调节。铁杆由摩擦起电机起电，它们用导线联接。起了电的铁杆对一个秤盘的吸引力被另一秤盘中的砝码平衡（并被计量）。格雷拉特观察记录了，为产生平衡所需的砝码如何随秤盘离吸引杆的距离以及起电机离铁杆的距离的变化而变化。（Versuche und Abhandlungen der naturforschenden Gesellschaft in Danzig，I，1747，pp.506—34；格雷拉特对他的仪器的描述见诸他的论文第IV节）伏打试图沿相当类似的路线使起电程度的量度标准化，正如他于1787年致利希滕伯格的第二封信中所说明的那样。他使一个带电体与一个直径5英寸的金属圆盘处于导电的相联接，金属圆盘从一架天平的横梁上用丝线悬吊，以使它位于一块水平接地板上方2英寸处。他求出，当把金属圆盘与一个莱顿瓶相接时，需用多少砝码才能平衡对金属圆盘的吸引。这时经量度的一系列电荷被供给莱顿瓶。他还试图把这些砝码与附装在莱顿瓶上的一个亨利象限静电计所显示的相应偏转关联起来。

对卡瓦洛的思想的另一个有意义的发展是德比郡沃克斯沃斯地方的副牧师亚伯拉罕·贝内特（1750—99）的著名的金箔静电计（图118）。现在，它仍然是一种常用的初级仪器。它的原始形式是封闭在一个高5英寸的玻璃容器中的两条一端渐细的金箔；它们悬吊在一个象牙桩上，后者通过一根锡管与容器的绝缘金属帽联接。金箔对面的容器内表面的侧壁上用清漆固定着两条锡箔，当金属帽充电时，可用一个刻度纸标尺量度锡箔的张开程度。贝内特发现，这种仪器很灵敏，足可检测到放在金属帽上的一个金属容器中的水在蒸发时所引起的起电（Phil.Trans. ，1787，pp.26，32）。贝内特试图用他的“电倍增器”改良伏打的容电式静电计（Phil.Trans. ，1787，p.288）。这种仪器用来放大否则难于检测的微弱电荷。它由一个金箔验电器和两块下面涂漆、配有绝缘手柄的铜板构成。现假设有小量电荷（譬如正电荷）已被传送到验电器上，并把两块铜板名为B和C，于是，程序如下：将B放在验电器的金属帽上，并接地。于是，B便获得了几乎与仪器上等量的感生负电荷。然后，藉手柄将B移开，将C置于B上（涂清漆的面朝下）并接地；这样，C便获得感生正电荷。再将B放回到金属帽上并接地；然后，将C与金属帽联接，C便几乎把它所有的正电荷都给予金属帽；接着，B被移开，这时，它几乎带有比第一次多一倍的负电荷。将这样的循环程序反复进行，直到验电器呈现明显的张开。

有些人试图为贝内特的倍增过程中的操作设计一种机械方法。其中最著名的是以其发明者威廉·尼科尔森命名的“尼科尔森倍增器”。尼科尔森于1788年向约瑟夫·班克斯爵士说明了他的仪器（Phil.Trans. ，1788，p.403）。

这种放大电荷的机械装置很快就被看作同玩具差不多的东西。然而，可以认为它们是现代感应起电机的雏形。自十九世纪后期以来，感应起电机便取代摩擦起电机作为起电源。

（参见 W.Cameron Walker：“The Detection and Estimation of Electric Charges in the Eighteenth Century”，载Annals of Science，Vol.Ⅰ，1936，pp.66—100。）

自古以来人们一直知道，摩擦能使某些物质起电，而十八世纪的物理学家则表明，加热某些晶体也可以产生电，而且也可从大气收集到电。他们又进一步证明，电的袭击是电性质的。然而，更为重要的是，在流电即接触电现象中发现了第五种起电源，这种现象是在十八世纪末观察到的。对此类现象的较充分的研究和理论解释可以认为是十九世纪物理学的最大成就。

1750年前后，一个德国数学教授J.G.祖尔策首先注意到，在一定条件下，仅使两种金属接触，就能产生一种奇异感觉。但是，后来人们才把这效应与电联系起来（Theorie der angenehmen und unangenehmen Empfindungen，Berlin，1762）。祖尔策有一次碰巧用他的舌尖放进两块不同金属之间，而它们的边缘是相接触的。他注意到，有一种刺激性的感觉，使他想起绿矾的味道。当把两块金属分开放在舌头上时，便没有产生什么。这个实验（如图119所示）可很容易地重复。将舌头伸进擦洗干净的锌片（A）和铜片（B）之间，两者沿边缘（C）相接触地放置。祖尔策认为，当把两种金属放在一起时，大概不会发生什么分解作用。他猜想，这两种金属的相触大概引起了它们的微粒振动，而这种振动刺激了味觉神经。在这种实验后来的一种形式中，一个锡或锌的烧杯被安装在一个银制支座上，里面盛有水。当把舌尖浸入水中时，只要不与银支座接触，舌尖就不会感到任何味道。但是，若同时用湿手握住银支座，就会感觉到有一种独特的味道。祖尔策的发现当时还只是一种孤立的观察事实；正像这类事情常见的结局那样，它也未引起注意，最后被人们遗忘，直到科学的进一步发展导致必然地回到这个发现。

对接触电现象的真正研究始于偶然的观察。把一只新制备的青蛙腿与地导电地连接，每当在蛙腿附近有放电发生，蛙腿就会痉挛。蛙腿的这种行为是波洛尼亚大学解剖学教授意大利人卢伊季·伽伐尼（1737—98）约在1780年观察到的。伽伐尼在日记中记载了他的划时代实验，后来又在《关于电对肌肉运动的作用的评论》（De viribus electricitatis in motu musculari commentarius，1791）中发表了有关说明，这里的说明即以此为根据。（德文注译本，见Ostwald：Klassiker，No.52。）

人们早就知道，直接通过动物尸体放电的作用可以使它产生肌肉痉挛，也知道电能使死鱼发生动作。使伽伐尼惊讶的是，事实上制备的蛙上所观察到的痉挛是在起电机与它之间没有任何联系的条件下发生的。如图121（左第二图）所示，伽伐尼制备了一只青蛙，放在一张桌子上，桌子上还有一台起电机。一个助手无意间用刀尖轻轻触了一下胫神经DD，这时关节处的全部肌肉便都收缩了起来，就像被紧紧地夹住了一样。这恰巧发生在起电机导体产生一个电火花的时候；若无电火花，则什么也不发生。当握住刀的骨柄而不触及刀片时，实验也失败。这意味着这现象包含电的因素。伽伐尼证实了这一点。他交替用玻璃棒和铁棒去触神经，结果只有用铁棒时电火花才产生这种效应。然而，迄此，各个现象与接触电尚无任何关系，它们是由回击引起的，因为起电机上电荷引起的蛙腿上的电荷分布在放电的时刻被改变了。为要在距起电机导体一定距离处感知这种电荷分布及其因放电而达到的均衡，必须把蛙腿置于与地相连的导电联接中。在伽伐尼的实验中，这起先是藉刀偶然接触神经而实现的，而后来则是故意地让蛙腿与一个导体相接触来实现的。当用莱顿瓶替代起电机放电时，以及当用活动物替代死的标本时，都观察到了类似的效应。温血动物的尸体也可以弄得产生这样的痉挛，但要比冷血动物更快地失去这种特性。

这些实验引起的震惊使伽伐尼进一步地去进行实验，这是这个新领域中几乎无限的重要发现的序幕。在演示了放电对位于起电机附近的蛙腿的作用之后，伽伐尼接着便想确定，大气电的影响是否也能引致类似效应，这里电闪起着起电机或莱顿瓶的人工放电的作用。他的著作的第二部分描述了他关于这个问题的实验。在一次雷雨中，用前述方法制备的蛙和一些温血动物的腿的神经被缚在长铁丝上，脚则用类似导线连接于地。结果不出伽伐尼所料。就在电闪闪现的同时，肌肉强烈地痉挛起来。在如此检验了与雷雨相关联的电效应之后，伽伐尼想研究大气中长久存在的电的激发这种神秘痉挛的力量，从而导致了他的书的第三部分所描述的那些发现。

伽伐尼注意到，若把制备的蛙缚于一个铁格子，并把黄铜钩刺进脊髓，则不仅在雷雨天气，而且甚至在晴朗天气，也会出现偶发的痉挛。他想，这些运动肯定是因大气电状态的变更而引起的，因而他就在一天中各不同时间观察被他盯住的动物。但是，肌肉只是难得有明显的运动。最后，他等得不耐烦了，便把铜钩贴压在铁格子上。结果，他立即看到了他起初将之归因于大气电的反复痉挛。但是，当他把一个标本拿进屋内放在一块铁板上，并把插入脊髓的铜钩贴压在这铁板上时，他又观察到了类似的痉挛。

伽伐尼这时认识到，他正在研究一种根本料想不到的崭新现象，它与大气电的变化毫无关系。他改变了实验方式，把蛙放在一块不导电的玻璃板上，并把铜钩与蛙足连接起来。如果用另一种金属作连线，则痉挛就会产生，但如果用同种金属或非导体，就没有这种痉挛。图122取自伽伐尼的书，示出了伽伐尼设计的这个基本实验的种种变形。其中最有意思的是第二图所示的那种电摆。电摆这样制成：把一个制备的蛙的一条腿举起，将黄铜钩穿过脊髓与一块银板接触，另一条腿可在银板上自由滑动。一当这条腿触及银板，肌肉便收缩，以致这腿向空中举起。当线路断开后，肌肉便放松，腿便再次与银板接触。这样便发生了又一次痉挛，腿又举高，这个过程如此便继续下去，蛙腿的振动颇像一个摆的运动。

当时对这种奇特现象只有两种可能的解释。它或者由于动物机体内存在电的缘故；或者它包含某种取决于不同金属接触的电过程，而蛙腿仅仅起到了一种灵敏验电器的作用。伽伐尼赞同前一种意见，认为所有这些现象全都证明存在着一种动物电。他设想这种电从脑流经神经而到达肌肉，并把肌肉比作莱顿瓶，设想肌肉表面和内部充有相反的电荷。当把神经与肌肉表面（它们各相当于莱顿瓶的内侧和外侧）导电地相连接时，就会发生放电，他设想肌肉收缩就是这种放电的一个结果。

伽伐尼的实验及其一开始便被广为接受的理论自然引起了物理学家、生理学家和医学家的极大兴趣，他们全都急切地弄来青蛙和不同种类的金属，亲自重复这些实验。

伽伐尼的科学活动以他的《评论》的发表而达于顶峰。此后，这个新领域便由他的同胞伏打执牛耳了。伽伐尼只是在继续捍卫他的“动物电”学说，以抵御伏打对它的攻击。但他渐渐地沉沦于深深的沮丧之中，未能在有生之年看到他的理论由于伏打发明了电堆而终于被推翻。

亚历山德罗·伏打（1745—1827）是科莫人，还不到三十岁时便在科莫当上了物理学教授。五年以后，他应邀到帕维亚大学担任同样的教职。1815年，他成为帕多瓦大学哲学院院长，直到1819年。他的晚年在退休中度过。他的生涯从投身于气体性质的研究开始，但是甚至在1791年伽伐尼的研究结果发表以前，他就已经对电的科学作出了重要贡献。前面已讲到的起电盘和电容器都是他在这一时期的发明。他把它们与他的麦秆静电计一起使用，作为检测微量电的手段。这仪器在他后来研究接触电时起了极大作用，这使他很早就被接纳为皇家学会会员并荣膺该学会的科普利奖章。伏打的实验和思辨大都见诸他写给朋友们的书信。（这些书信的最重要部分的德文注译本，参见Ostwald：Klassiker，Nos.114和118。）

伏打开始时先重复并证实了伽伐尼的实验。起初他相信伽伐尼“动物电”观点的正确性。他猜想，伽伐尼所观察到的肌肉痉挛必定起因于肌肉电和神经电之间的不均衡，而金属的连接只是起恢复平衡的作用。然而，几年之后，他认识到，不可把肌肉比作莱顿瓶的涂层，因为即使电荷均衡完全通过神经进行，肌肉完全处于导电线路之外，蛙腿仍然发生痉挛。伏打仿效祖尔策的实验，把两块不同的金属与嘴和眼接触，成功地不仅产生了味觉，而且还产生了光的感觉。这个实验证明，放电不但可引起肌肉痉挛，而且还能激发感觉神经。他的步骤如下。他把一条宽的锡箔放在舌尖上，把一枚银币放在舌后部。当用一根铜线联接这两种金属时，他感到一种强烈的酸味。伏打不用铜线，用一只银匙替代银币，放在舌后部，把匙柄接触放在舌头上的锡箔时，得到了同样结果。当按伽伐尼方式用不同种类的金属把前额与腭部连接时，他得到一种光的感觉，在接触的瞬间看到了一道明亮的闪光。通过这些研究，他越来越相信，那些金属不仅起到导体的作用，而且实际上本身就产生电。这样，大约在1792年，伏打在描述这些生理学研究时，改变了自己原来的观点。他认为，显然，在这些实验中，神经只是受到了刺激，产生这种刺激的电流的原因应当到金属本身去找。他写道：“它们是真正的电激发者，而神经本身是被动的。”大约就在此时，伏打发现，木炭可以用作为一种导体和电激发物替代伽伐尼实验中的金属。

在1794年写的一封信中，伏打便以动物电学说的反对者的姿态出现了，从此他以金属电这个术语取代了动物电。他坚持认为，这整个效应都起因于金属与任何潮湿物的接触，这接触使电循环起来。如果这电流通过尚存有一定活力的神经，则受这些神经控制的肌肉因而就发生痉挛。在这些百折不挠的艰辛研究中，伏打发现，这种运动以及上述的味觉和视觉因所用金属的性质而有明显差异。伏打在1794年制定了下列序列：锌、锡、铅、铁、铜、铂、金、银、石墨、木炭。这些物质在序列中相距越远，效应就越强烈。这种制定现在所称的元素电化序的最初尝试很快被扩展，添进了其他许多成员，包括诸如黄铁矿、方铅矿和铜矿石等矿物。

从此，伏打便力图把神经和肌肉完全从伽伐尼现象中排除出去。他把一对对金属同诸如纸、布等等潮湿物质相接触。为了正确无误地演示迄此肌肉痉挛中呈现的电荷最后均衡现象，伏打应用他的电容器放大极微量电的效应。他用这种仪器进行的初步试验就为他那著名的接触电基本实验铺平了道路。该实验表明，不用动物或其他任何潮湿物质作媒介，两种不同金属仅仅短暂接触时，它们也会因此带上相反的电荷。在这个实验中，除了带绝缘手柄的各种金属板、一个电容器、一个用于检验和测量金属因相互接触而产生的电荷的灵敏金箔静电计之外，别无其他进一步的要求。例如，一个锌圆片与一个铜圆片接触后，两者便都充了电，前者带正电，后者带负电。再如，当锡或铁与铜接触后，铜带负电，但其强度要弱得多，而锡或铁则带正电。但是，当使这铜与金或银接触时，铜得到正电，而贵金属带负电。伏打在1797年的一封信中记述了他的这个基本实验。他在信中再次强调指出，仅仅让不同金属接触便可得到如此可观数量的电，这是何等奇怪的事，而目击了他的实验的专家们又都是何等地惊讶不已。为了确定各种接触电荷的符号，伏打把它们与他的静电计接通，然后把摩擦过的玻璃棒和树脂施加于静电计，观察哪个使箔片的张开增大，哪个使之减小。伏打通过大量地对他的基本实验作种种变化，终于把所试验的物质排成下列顺序：

这些物质是这样排列的：当让表中任意两种金属相接触时，位置较前者带正电，较后者带负电。此外，用麦秆静电计作的测量表明，表中任何两个成员接触而产生的电的分离，取决这两种物质在表中的间距，距离越远，分离就越大。例如，对于序列中前四个成员，他发现差值如下：

锌/铅=5

铅/锡=1

锡/铁＝3，

而对于锌/铁，差值为9（=5+1+3）。这个结果促成确立“递次接触定律”：序列中任意两个成员的电分离等于全部中间成员间电分离之和，因此，在一个由各种金属构成的闭合电路中，沿这电路的各分离将抵消掉。李特认识到，这电化序还表示了这些金属的这样一种顺序排列：每一种金属都可以把其后的金属从它们的化合物溶液中置换出来，它本身也可被其前的金属置换。于是，他进而假设，伽伐尼电［流电］自有其化学过程的原因，这是与伏打的接触电理论相抵触的。直到后来得到法拉第研究的支持，李特的这个观点才得到广泛承认。

伏打起初依据自己的研究认为，电的激发力只存在于不同金属的接触点上，动物或其他流体仅仅起导体的作用。但进一步的研究使他认识到，当一种金属与一种流体接触时，也会产生激发力或电动势。绝缘的银、锡、锌等的圆片与潮湿的木块、纸张或瓦片接触，在再移开后可发现前者带负电。他称这些金属为一级电动体，把不能列入电化序的液体称为二级电动体或二级导体。但是，他承认，他解释不了为什么这两类物质成员的接触会如通常所观察到的那样导致起电。

伏打表明，在一个完全由一级电动体（金属）构成的电路中，不发生任何电的运动、电流。但是，他又进一步表明，当让两个一级电动体与一个潮湿的中间导体相连接，并且它们彼此直接或通过另一导体相连接而形成一个导电通路时，便会产生这种电流。这种组合被称为原电池。伏打为了倍增这种单个原电池的功效，就把许多单个原电池组合起来形成一个“电堆”。

这一已证明是绝顶重要的发明的最早说明见诸伏打致皇家学会会长约瑟夫·班克斯爵士的一封信中，时间是1800年3月20日（Phil.Trans. ，1800，p.403）。他在信中说，在他进行接触电实验的过程中，他成功地制成了一种新装置。他说，它具有非常微弱程度上的莱顿瓶性质，但又具有一个远远优于莱顿瓶的特点：无需从外部充电，而只要按适当方式接触便可自发地生电。他把这种装置的作用和布置比作电的电器官。伏打的第一种电堆示于图124。他这样描述它的结构：“取30块、40块、60块或更多块铜片，银片更好，使每一块都施加于一块锡片，或者锌片，那更好得多。取同样数目的水层或其他诸如盐水或碱液等导电性能优于纯水的液体层，或者同样数目在这些液体中浸泡过的卡纸或皮革等等，这些层夹在每对或每个组合所包含的两种不同金属之间。一个这种间隔的系列，并且这三种导体总是按同样顺序排列，就构成了我的仪器。”（Phil.Trans. ，1800，p.403）

用一只手接触顶端的金属片，另一只手浸入容器b以完成通路，除了可得到轻微的电击感而外，还可演示这装置对味觉、视觉和听觉神经的作用。为了把许许多多金属片组合起来，伏打不得不在电堆的周围放置支架，或者把电堆分成若干部分（图125）。这种电堆的缺点之一是，由于金属圆片紧压住布圆片，因此最后将引起后者中含有的流体流遍整个电堆，从而使它失效。因此伏打便设计了一种布置来克服这个困难。他摆出一行玻璃或其他非金属材料制的烧杯，每个杯里都注入一半盐水或碱液。然后，如图126所示把它们串联起来，方式是在每个烧杯中都放入一块铜片或镀银铜片（A）以及一块锡片或锌片（Z）而每块铜片都与相邻的下一个烧杯中的锌片焊接。“以这种方式联接的30、40或60个烧杯的系列排成直线或任何形状曲线，就构成了整个这新装置。它在原理上以及所用的物质方面都与排成一列形式的装置无异。”为要从伏打在致班克斯的、用法写的信中称之为couronne de tasses［杯冠］的这种装置上得到电击，只要把一只手浸入一个烧杯中，另一只手的一个手指浸入第二个烧杯中，就可以了。这两个烧杯在系列中隔得越开，电击的强度就越大。这样，当伏打把两只手放入系列中第一个和最后一个烧杯时，他得到了最强烈的电击。一个由四十或五十个烧杯构成的杯冠除了给出瞬间的电击而外，还可用来刺激味觉、视觉和听觉器官及触觉。伏打详细描述了让电流稳恒地通过他身体一些时候的情况下他的感觉。同一电刺激对各感官都激发其特有的感觉，这个事实对感官生理学有着极其重要的意义。后来，米勒据此进而提出了感官具有特殊能量的学说。

伏打在杯冠实验中注意到，电流的强度随所用盐溶液浓度的改变而变化，而且当水及周围空气温暖时，结果最好。他还研究了电流在并联电路间分配的方式，但他似乎没有觉察到伴随电流通过的化学过程，也可能他对之不感兴趣。

伏打电堆的发明在英国和法国引起人们的极大兴趣。1801年，伏打应拿破仑邀请去到巴黎。他在巴黎讲学，赢得了盛誉。

在英国，第一个按照伏打的说明制成一个电堆的看来是伦敦的一位外科医生和解剖学教授安东尼·卡莱尔爵士（1768—1840）。事情的经过是这样的。1800年4月底，约瑟夫·班克斯爵士给卡莱尔看了伏打谈论电堆的那封信的第一部分；于是，卡莱尔立即亲自动手制作这种装置。尼科尔森写道：“4月30日，卡莱尔先生拿出了由十七枚半克朗银币制成的电堆，它还有同样数目的锌片和在盐水中浸过的纸板。这些东西的排列顺序为：银、锌、卡纸等等……银……在锌之下。”应用一个贝内特静电计和倍增器做的实验证明，从这电堆得到的电击是一种电现象，它们还表明，银端带负电，锌端带正电。在后来实验的过程中，“为使接触可靠起见，卡莱尔先生在顶端金属片上放了一滴水，结果发现在接触导线周围有气体离析出。当用钢作连接导线时，尽管这种气体的量非常微小，但我还是能够辨出它显然具有氢的气味。这和其他一些事实启发我进而想到可在两根导线之间代入一个水管来切断电路。因此，在5月2日，我们在塞在一根内径半英寸的玻璃管两端的两个软木塞上各插入一根黄铜导线。管内充有取自新河的水，两根导线在水中的两个线头相距1.75英寸。应用了这种复合放电器，就可使它的导线的外端与一个电堆两端的板片相接触，这个电堆由三十六枚半克朗银币以及相应数目的锌片和纸板片构成。一串精细的气泡立即开始从管中与银片联接的下部导线的端头流出，而上部导线的相对端头便失去光泽，先变成深橙色，然后成为黑色。当把管子颠倒过来时，气体就从这时处于最低位置的另一端头释出，而上部导线端头又失去光泽而变黑。……在整个两个半小时的时间里，气体产物共达三十分之二立方英寸。然后，让这气体产物与等量的普通空气混合，并用一根点燃的蜡线引爆之。”“我们看到氢最先出现，于是便推想，会发生水的分解。但令人惊讶的是，我们发现，游离的氢处于与一根导线相接触处，而氧则与差不多2英寸以外的另一根导线相结合。这个新事实还有待于解释，而且它似乎表明了在化学过程中电作用的某种普遍规律。”后来“两根铂导线……被插进一根内径四分之一英寸的短管内。把这装置置于电路之中后，银的一侧放出一串密接的精细气泡，而锌侧也有一串气泡，但没有前者那么多。……自然可以猜想，从银侧放出较大气泡串是氢，而较小气泡串则是氧。……”这时，卡莱尔和尼科尔森各自都已制作了一个电堆；这两个电堆被组合了起来，结果收集到大量这两种气体。“使两根铂导线从两根独立的管中伸出……”这两根管子“被浸入一根盛水的浅玻璃容器中，这容器中有两个倒放的小容器，它们充满水，并这样放置：使一根管中的铂导线在一个容器下面，另一根管中的铂线在另一个容器下面。……从每根导线都升起了一团气云，但大都是从银侧即负侧升起的。气泡从水中各处析出，附着于小容器的全部内表面。这个过程持续了十三小时，此后，导线被断开，两种气体被移注到另外的瓶中。当称量这些瓶以测定空气数量时，发现被气体置换的水的数量，在锌侧为72 格令，在银侧为142格令。……它们在体积上的比例接近等于所说的水的组分的比例”。（见威廉·尼科尔森的说明，载Nicholson’s Journal，July 1800，pp.179—91。）

卡莱尔和尼科尔森对水的电解是利用伽伐尼电流完成对一种化合物的分解的第一个完整而又肯定的事例。事实上，冯·洪堡以及其他人已经指出一些显然依靠电流的化学作用的现象。甚至在伏打电堆发明以前，就已有人猜想，化学变化可能是电产生的原因，而不是其结果。然而，这两位英国研究者应当说是有功绩的，他们首次通过一个精心设计的有说服力的实验明确地演示了流电对水的分解。下一步的工作是把这种新仪器应用于一些其化学构成尚属未知的物质，这一步没过几年就由汉弗莱·戴维完成，他获得了辉煌成果。

在德国，J.W.李特是最早投身伽伐尼电研究的人之一。像伏打一样，李特也认识到，伽伐尼现象可以在没有动物体参与的情况下发生；而且他进一步证明，伽伐尼电现象和普通电现象本是同一种现象。这个问题在一个时期里一直是有争议的。李特给一个电堆的两极各接一根导线，给每根导线的端头再各接一条金箔，由此表明，两极互相吸引。当把两根导线靠近时，两条金箔便相互吸引，直到它们最后相接触而闭合电路（Gilbert’s Annalen，Ⅷ，p.390）。W.H.沃拉斯顿做了一个带些补充性的实验。他从一台摩擦起电机的两个接线端上接出了两根细导线作为电极，以之分解硫酸铜溶液（Phil.Trans. ，1801，p.427）。

在十八世纪的大部分时间里，磁现象都被解释为起因于据认为围绕磁体循环的笛卡尔涡旋。欧勒提出了这种理论的一种形式即“单流体”说。按照它，磁体被认为像蜂房一样布满了许多阀门似的细孔，磁流体只能从一个方向通过这些孔。这样，磁流体从一极进入磁体，从另一极离去。然而，在这一世纪的后半期，物理学家倾向于把一种无所不在的流体或两种这样的流体的假说应用于磁学，而在解释类似的电现象时，这类假说已显得很有效。例如，埃皮努斯于1759年倡言磁的（像电的一样）“单流体”说。他认为，这种流体由相互排斥，但吸引普通物质微粒子的微粒构成。当一个物体内所含的这种流体大部分积聚在其一端时，该物体便被磁化。这种假说在解释负极相斥现象时遇到了困难。这自然地导致“两流体”理论，例如安东·布鲁格曼不久后便提出的那种，它后来为库仑和泊松所接受。在这种理论通常所采取的形式中，磁性物质的终极微粒或其中的某一些被认为是微磁体，或在磁场的作用下能够变成这样的微磁体。实验上无法获得孤立磁极的事实证明这假说是合理的。按照这假说，磁化就是使不规则分布的磁微粒取向而排列成链。

在十八世纪里，制造强磁性人造磁铁的方法取得显著进步，这便利了对磁的吸引和排斥的研究。高恩·奈特的工作就属于其中最好者之列。他先用自己的独特方法把许多钢条分别磁化，然后把它们扎成一些捆或弹仓似的东西，它们配备有铁，以形成具有很大起重力的复合磁铁（Phil.Trans. ，1744，p.161和1747，p.656）。约翰·坎顿在这方面提出了一些进一步的改良，但是在十九世纪发现了电磁后，所有这些方法全都被废弃了。

在我们所讨论的这个时期中，磁学上只作出了不多几个新发现。人们发现了，除铁以外，其他一些物质也受磁体影响，而且这种影响并非总是吸引。例如，布兰特（1735年）和克朗施泰特（1751年）证明他俩分别发现的新元素钴和镍具有轻微的磁性，后来库仑又扩充了这张表。另一方面，西博尔德·布鲁格曼（安东的儿子）于1778年表明，铋和锑排斥一根磁针的两极，这是已知最早的抗磁性事例。在这个时期中，电闪使铁磁化的现象也受到相当的注意。

然而，十八世纪在磁学上的最大成就是，库仑确定了磁极的力随距离而变化的定律。牛顿在《原理》中描述了他自己想确立这条定律的一些初步尝试，在随后的一世纪里，人们对这一问题进行了一系列研究，但均无结果。通常的程序是在一个刻度象限仪的中心安装一根磁针，用一块磁石沿与磁子午圈垂直的方向对准这指针，读取磁针的偏转。磁针的偏转随磁石的距离而变化，可把偏转与距离对应地列成表。哈雷就是沿这路线进行实验的，他在1687年3月20日向皇家学会宣读的一篇论文中描述了这些实验（Register Book，Vol.9，p.25）。豪克斯贝（Phil.Trans. ，1712，p.506）和布鲁克·泰勒（Phil.Trans. ，1721，p.204）后来都进行过类似观察。但这些实验均未得到什么确定的磁力定律。米欣布罗克用一架天平来比较两个相隔不同距离的磁体的引力；但他的结果同样是不确定的。然而，米歇尔研究了这些研究者获得的结果，遂于1750年提出，磁力可能遵循平方反比定律。米歇尔的陈述见诸他的《人造磁体论》（Treatise of Artificial Magnets）（剑桥，第二版，1751年）。他认为，“每个磁极在一切方向上等距离处都具有完全相等的引力或斥力。……磁引力和磁斥力彼此完全相等。……磁体的引力和斥力随距各该磁极的距离的平方的增加而减少。”米歇尔推演出这条定律，其根据是“我自己做的以及我看到的别人做的实验。……但是，我并不自称它是确实的，因为已做过的实验尚不能够以充分的精确性确定它”（上引著作，pp.17—19）。不久，J.T.迈尔也提出了同样的定律。他提交给哥廷根皇家学会的论文显然没有发表；但费舍说，埃克斯勒本和利希滕伯格的《自然科学基本原理》（Anfangsgründe der Naturwissenschaft，§709）中转述了迈尔论文的内容。后来，兰伯特用一个探察罗盘测绘一块磁体的磁场，得到了一些曲线，他把它们与按照平方反比定律的假设计算出来的力的曲线进行比较。由此，他也推出了同样的定律（Mém.de l’Acad.Roy.des Sciences de Berlin，1766）。

库仑在他那测定磁力定律的经典实验中，运用了两种独特的方法。他在1785年发表于《皇家科学院备忘录》（巴黎）（Ostwald：Klassiker，No.13）的一篇论文中描述了这两种方法。

在第一种方法中，他应用了一根可绕其平衡位置自由振动的短罗盘针，并垂直地悬吊一根约25英寸长的磁化钢丝，使它与罗盘针在同一条磁子午圈上，其一个磁极与罗盘针齐平。记下罗盘针的小振幅振动的周期，先是仅仅在地球磁场的作用之下，然后是在处于不同短距离上的垂直磁体的作用之下。如果假定振动是简谐的，则场强将与周期平方成反比。把各结果适当加以组合，就可消除地球磁场的效应，而磁体产生的力被表明与距吸引极的距离的平方成反比。库仑在实际的实验中考虑到了各种干扰因素。例如，他发现，长磁体与罗盘针间的有效距离应认为是多大；长磁体的极应考虑处于何处；另一极的作用范围应认为有多远；等等。

库仑的第二种方法运用了一种扭秤，有些像他在测定电斥力定律时用的扭秤。他的仪器主要是一个盒，内有一个刻度圆，并有一根横臂横跨这盒，一根垂直管穿过横臂中央的一个孔。在这管内部，一根黄铜线从其上端连接于一个微扭计，这微扭计能把这黄铜线转过任何角度，后者可从微扭计的刻度头读出。黄铜线下端吊着一个镫形物，里面放着一块棒状磁体。这装置起先这样安置：铜线不受扭力作用，微扭计上的读数为零，镫形物中的磁棒在磁子午圈上的方向指向下面刻度圆上的0°。这时黄铜线被扭转，使磁棒转离子午圈一个被计量的角度。为此所需的扭转的量便给出了对地球磁场强度的一种度量。然后，磁棒又被回复到磁子午圈位置，并在磁子午圈上垂直放置一个长磁体，以排斥悬吊的磁体。通过扭转黄铜线，后者又被逐渐转回到出发点，记下两个极处于各角距离时所引起的扭转。考虑到地球磁场所引起的扭转（根据预备实验可知），就可以确定两极间斥力如何随其间距而变化，这样，平方反比定律也就得到证实。

十九世纪初，高斯用一种更其决定性的实验证实了这条定律。

十八世纪里，对磁偏角或者说罗盘变化进行了大量观察。人们发现，有必要定期对哈雷1700年的变化图进行修正。这就是威廉·蒙顿和詹姆斯·多德森所做的工作。1757年，他们发表了以半个世纪里做的数千次观测为根据的几组图表，它们表明了1710、1720、1730、1744和1756这五年罗盘变化的分布（Phil.Trans. ，Vol.L，p.329）。1768年维尔克在瑞典发表了最早一张宣称表明地球表面相当一部分上磁倾角分布的图，为此图上画有一系列穿过几组地点的曲线，在这些地点罗盘针对地平线的倾角都相同（Kongl.Vetenskaps Academiens Handlingar，Vol.Ⅹ Ⅺ Ⅹ）。实际上，威廉·惠斯顿更早地绘制过两种等磁倾线图，发表于他的书《磁倾针指示的经度和纬度》（The Longitude and Latitude found by the Inclinatory or Dipping Needle，etc.）（伦敦，1721年）之中，它们的主要依据是他自己对磁倾角的测量。但是，惠斯顿的图仅仅分别覆盖英国东南部，以及中部和东南部；图上的等磁倾线是一些平行的等距离直线，表明了一种常规分布。而维尔克的图覆盖了欧洲、大西洋、南美洲、非洲、印度洋以及太平洋的一部分，但未包括亚洲和北美洲。在图上适当位置记录了制图所依据的全部观测资料，尽管维尔克对这些磁倾角估计值以及观测地的精确经度和纬度的不确定性并不抱幻想。（参见Hellmann：Neudrucke，No.4，其中复制了惠斯顿和维尔克的图，并附注释。）

乔治·格雷厄姆证实了罗盘变化的周日波动的存在，这是他在1722至1723年间做的一系列观察的结果（Phil.Trans. ，1724，p.96）。后来，摄尔絮斯证实了这一效应，他也注意到磁针扰动和极光显现之间的密切关系。沃根廷和道尔顿后来研究了这一关系。1756年，坎顿研究了罗盘变化的周日波动和不规则波动这两个问题，对这种量进行了多达约四千次的一系列观测。他把周日波动归因于太阳对地球表面的加热不均匀，把不规则扰动归因于地下加热，而他认为，有些像加热电气石时会产生电那样，地下加热也是伴随出现的极光显示的原因（Phil.Trans. ，1759，p.398）。他注意到，夏季的周日波动幅度几乎两倍于冬季时的幅度。约在1780年，卡西尼伯爵也观察到了罗盘变化的周年波动。

将近十八世纪末时，人们开始尝试比较各个时间和地点的地磁场强度。所用的方法是比较一根给定磁针在各种条件下的振动频率。这领域的先驱者包括瑞典人F.马利特（1769年，Novi commentarii Academiae Scientiarum Petropolitanae）、法国物理学家博尔达（1776年）以及探险家洪堡（约在世纪末）。高斯在十九世纪首先达致磁场强度的绝对量度。

洪堡编制了一张图，表明了地球表面地磁场强度到处大致相等的地带。这图以他在美洲之行（1799—1803年）中进行的测量为依据，发表于洪堡和毕奥的论文《论不同纬度上地磁的变化》（Sur les variations du magnétisme terrestre à différentes latitudes）之中，此文于13年霜月26日 ^[2] 在国家研究院宣读。获得数据的方法是让一根磁倾针在磁子午圈上振动，观察它在十分钟里的振动次数。洪堡认为，他的发现，即地磁场强度从地极到赤道渐减，或许是他的美洲之行的最重要成果。C.汉斯滕在1825年和1826年发表了最早的等磁力线详图。（Hellmann的Neudrucke，No.4中复制了洪堡的图，并附注释。）

除了坎顿对罗盘针周日振动作的解释（这种解释在十九世纪一度又复活）这类思辨之外，这里讨论的这个时期里对地磁学理论几乎没有作出什么贡献。哈雷的四磁极假说被欧勒否弃，后者接受笛卡尔的观点，认为罗盘针变化的缓慢变动起因于地球内部铁的生成和衰变，因而是难于预测的。

（参见 P.F.Mottelay，Bibliographical History of Electricity and Magnetism，1922；E.Hoppe，Geschichte der Elektriziät，Leipzig，1884；以及边码第181—182页所列关于物理学的一般书籍。）

---

[1] 作为质量单位，一法国格令（grain）=0.0531克；作为力的单位，它=0.0531×981，即约52.1达因。

[2] 此日期系按法国共和历，共和元年为1793年，霜月为共和历的三月，即公历十一月二十一日至十二月二十日。——译者