一文看全电灯泡发展的百年历史：从1705到1809

• History of the Light Bulb 1705 to 1809
• Kathy老师讲述的有趣科学历史

 

01 电灯泡

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一、前言

  想象一下你碰巧回到了 1705 年 11 月，又碰巧被邀请到伦敦皇家学会现场。 那么你可能会看到令人难以置信的演示实验。 艾萨克·牛顿的助手、45 岁的朗西斯·豪克斯比， 他是抽真空的专家， 在现场展示了一种奇怪的装置。 该装置的上面有一个旋转轴， 上面固定一个大型空的玻璃球， 他用手柄旋转轴。  然后房间照明蜡烛全部熄灭， 会场陷入一片漆黑，Hauksbee 一边旋转他的玻璃球， 一边将手放在旋转的玻璃球上。  根据 Hauksbee 的说法，该真空球会发出怪异的紫色光，这种光足够亮，可以阅读大字体的文字，并且可以在 10 英尺外观察到紫色光。  

▲ 图1.1.1 电灯的发展历程
  在哪个人们还只能点蜡烛的年代， 这个灯泡是怎么工作的？  豪克斯比 是怎么设计出这个依靠静电发光的灯泡的？  将近 100 年后，它是如何产生电池和第一盏明亮持久的电灯的？  让我们听Kathy通过电灯泡接近100年的发展史， 讲讲人类电学发展的脉络。

二、静电荧光灯

  首先让我们了解一下 Hauksbee 发明用于实验的荧光灯的想法。  他作为牛顿的科学实验助手，在准备这次演讲实验时，他阅读了一份报告，一位法国科学家注意到气压计的顶部在摇动时会发光。  由于气压计只是一个倒置的水银管，因此管子的顶部是真空的， Hauksbee 认为如果他摇动抽空了空气的管子中的一滴水银就会发光。  这就是他产生设计静电荧光灯的灵感。 令他高兴的是，通过实验发现带有水银的真空玻璃瓶晃动后确实发光了。

▲ 图1.2.1 水银气压计顶部会发光
  后面为了使其更容易摇动，他为真空球设计了一个纺纱机类似的机械结构，  这不仅可以方便旋转， 而且玻璃球的转速也可以提高，产生的静电更多更稳定，最终发出的荧光更加明了。  后来，Hauksbee 注意到，在旋转这个玻璃球时将他的手放在上面，他的手上会感应出大量静电。 他在一个单独带有导线的旋转玻璃球中演示了这一点，静电会被传递到球体的外部。  Hauksbee 只需要在灯管中添加荧光晶体，这些晶体可以吸收紫色或者紫外线并发出迷人的白光。   到此为止他就制造出第一个利用静电驱动的荧光灯泡。  顺便说一句，你在撕开保鲜膜时也会产生大量的静电，这些静电点亮荧光灯。

三、绝缘体和导体

  在 Hauksbee 发明静电灯泡 26 年后，Hauksbee 的竞争对手史蒂文·格雷 在摩擦玻璃管时意外发现静电可以传导，一根羽毛粘在玻璃管子的软木塞上，而不是管子本身。  后来格雷利用静电吸引轻薄物体的特性， 可以测试静电传输的条件和距离，  在此过程中他发现有些物体导电，称为导体，有些不导电，称为绝缘体。  如果你想让东西保持带电，最好用丝绸等绝缘体把它挂起来。  为了证明这一点，格雷带了一个小男孩，用丝线把他吊起来，然后用带电的管子给他通电，然后看着小东西像变魔术一样被吸引到孩子的手上。

▲ 图1.3.1 人体导电实验

  格雷的实验随后启发了一位名叫查尔斯·西斯特尼·杜菲的法国科学家， 杜菲无意中发现，如果两个不同材质的物体相互摩擦，一根羽毛可以在它们之间跳舞， 依次断定存在两种电。  他称玻璃产生的为玻璃电，树脂产生的电为树脂电。  在确定他能找到的所有物体属于哪一类时，杜菲意识到他能找到的每一个固体，甚至是导体，如果他摩擦并将它们放在绝缘架上，都可以保持带电。

四、电火花

  杜菲的文章随后被一位戏剧性的德国人 Georg Matthias Bose 阅读，他厌倦了用手摩擦管子， 并想出了用 Hauksbee 机器在支架上给物体充电的想法。 在写了一首关于他有多伟大的烂诗之后， Bose 决定将一个人放在架子上，然后用 Hauksbee 机器给他们通电，这将是进行疯狂的人体电实验的好方法。 就像用 Hauksbee 机器给漂亮女人通电，然后让男人给她们花火放电的震撼吻。  这个实验我最喜欢，不得不重新做这个实验，给自己通电，然后用他自己的手或剑点燃火花，点燃酒精。 让我们再看一遍慢动作吧。

▲ 图1.4.1 电火花接吻实验
  Bose 甚至创造了他自己的电灯泡，它是皇冠的形式， 当靠近通电板时会发出火花并发光。  与此同时，法国国王非常喜欢这种示演示活动，他提拔儿子的家庭教师、曾是杜菲的助手的阿贝·诺莱特担任凡尔赛宫的常驻电学演示实员， 虽然这不完全是一个正式的头衔。城里人可真的会玩。  Nollet 创造了充满不同气体的球体， 当被触摸时会产生非常漂亮的火花，这被称为 电蛋。

▲ 图1.4.2 Nollet的放电球

  Nollet 收到他朋友的一封信，讲述了一个令他非常震惊的实验。  来自丹麦莱顿的 Pieter van Musschenbroek 在信中描述，他如何使用装满水的罐子来储存 Hauksbee 机器产生的电荷，并可以快速释放大量的电荷，信中写道：“被电击后，我以为我完蛋了。” “我现在是靠上帝的恩典活了下来，”我不会为了整个法兰西王国而重蹈覆辙。”   为了验证他朋友所言不虚，Nollet决定接受挑战！他用这些罐子电击了所有人，包括一次 200 名僧侣， 并且 把莱顿瓶卖给其他电学专家，赚了点钱。

五、正电荷与负电荷

  与此同时，在美国，年轻的本杰明·富兰克林在听说德国正在进行的实验后对电学产生了极大的兴趣，并写信给他的朋友说：“我以前从未从事过这样的研究， 它完全占据了我的精力和时间”。 我的朋友们成群结队地来观看实验演示，“ 在过去的几个月里，我几乎没有空闲时间做其他事情。”  富兰克林随后建造了自己的 Hauksbee 起电机， 但富兰克林的机器没有让人手来摩擦玻璃球，  而是使用了 刷子摩擦玻璃。富兰克林随后发现，  志愿者可能会因触摸玻璃或触摸刷子而带上电荷，但不能同时触摸两者。当刷子沾上灰尘时， 富兰克林认为刷子也会沾上电荷。所以他命名 刷子的电荷是正的，而玻璃，因为他假设它失去了电荷，是负的。 

▲ 图1.5.1 富兰克林的起电机

  富兰克林还制作了许多独特有趣的电力设备。 包括一个带有金箔的特殊框架，当电流流过它时，它会发出火花并发光，这是白炽灯的第一个原型。 

六、闪电与避雷针

  富兰克林随后发现，电往往会从光滑表面的尖锐点进出，他想知道，如果他认为闪电云是由电构成的，那么也许一根锋利的金属棒可以悄无声息地排出暴云中的电荷，从而拯救人类免受来自天空闪电的打击， 他将雷击称为上天的恶作剧。  但首先，他必须证明闪电是带电的，他认为这可以用一根与大地绝缘的带有尖端大金属杆来证明，如果一个人能雷暴期间从金属棒杆获得电荷并对地释放电火花，那么电线杆一定是在从云层中汲取电荷，而闪电一定和他们得到的电火花一样，只是规模大得多。

▲ 图1.6.1 富兰克林验证闪电的实验
  在法国，皇家的电学家Abbe Nollet同时也是一名牧师，Abbe的意思是修道士，他认为富兰克林的电学说是垃圾，火花就是火花，闪电就是上帝的审判。  因此，Nollet 的一些对手决定接受挑战并尝试从云端窃取一些电力。 1752 年 5 月 10 日，在法国马尔利，他们就是这么做的。  1852 年 10 月，本杰明·富兰克林写道，他“从欧洲听说了费城实验的成功”，该实验“通过尖杆”从云层中引出了电荷，于是他使用“不同的”方式中完成该实验，这种方式是更简单的风筝实验。 实际上，他们实际上都没有从云层获得电荷。杆和风筝通过静电感应，尖峰顶部的电子被云中的电荷排斥 , 这个实验对验证云中电荷仍然有效。 事实上，如果被闪电击中，他们就会被电死。尽管如此，因为费城实验的成功，Abbe Nollet 非常沮丧，他和其他宗教领袖都反对避雷针。

▲ 图1.6.2 云层电荷感应实验
  在意大利的博洛尼亚，拥有该镇唯一的 Hauksbee 机器的科学家劳拉·蓓茜 也成为该镇第一个重现从云中获取闪电的 马尔利实验的人。 然而，当她和她的丈夫试图安装避雷针时，引起了民众的愤怒，他们不得不将避雷针拆除。 为了引起人们对小镇的注意， 巴西是第一个获得了博士学位的女性。 由于当时她不允许在大学任教，只好在家里指导她的学生， 在那里她可以自由用她的静电起电机教授富兰克林的理论。 她还建立了一个室外系统来研究大气中的电，当时她的一个学生路易吉·加尔瓦尼 ， 后来成为生物学家， 也是跟随蓓茜学习了电学。

▲ 图1.6.3 劳拉·蓓茜与路易吉·伽瓦尼

七、青蛙腿与生物电

  20 年后，伽瓦尼和同为生物学家的妻子购买了自己的 Hauksbee 起电机， 用来来给动物通电。  一天，他们将一只解剖过的死青蛙放在桌子上进行解剖学讲座， 这时一名助手无意中或为了开玩笑，用带电的尖头触碰了死青蛙，震惊地发现死青蛙跳了起来。  因此，Galvani 表示电击， 这是该单词的来源。 此后他们对能找到的每只死去的动物通电， 并认定所有生命都对电能够产生反应。

▲ 图1.7.1 路易吉·伽瓦尼的青蛙腿实验
  为了进一步探索，在打雷的天气，他们拿了一些青蛙腿到室外，看看它们是否会在雷暴中跳下。  有一次在一个风平浪静的日子里，青蛙也跳了起来， 他们意识到是两种金属之间的结合产生了电荷，导师青蛙活动。 这两个金属分别是栅栏中的铁和固定青蛙腿的铜线。  当意大利首屈一指的电学家 亚历山德罗·伏达 听说这件事时，他认为是金属产生了电荷刺激了青蛙，在他了解青蛙腿实验中包括两种金属之后， 他更确认他的判断。

八、伏打电池

  研究了几年之后，伏达证实只有在潮湿的情况下金属才能产生电。 1800 年，伏达证实了他的理论，他制作了一个金属片堆积在一起，中间夹有湿润的硬纸板，这个装置可以产生持续的电流。  伏达给这个装置起了一个奇怪的名字，人造电子器官， 大多数人称它为电堆，或者根据富兰克林对莱顿瓶的称呼，人们称它为电池。

▲ 图1.8.1 伏达的电池
  伏达在英国、法国、德国和意大利发表了他的论文，基本上所有欧洲国家各种语言版本都有。 在英国，伦敦皇家学会的秘书让他的朋友读了这本书。  当那个叫安东尼·卡莱尔和他的朋友构建了伏打电池的时候，无意中发现电池的两端会起泡，一端是氢气，另一端是氧气。  电池不仅可以起到电击的作用，还可以通过电完成化学物质的分离。

九、电弧灯

  伏达获得他的发现的几周前，一位名叫汉弗莱·戴维的英俊的化学家和诗人获得了新成立的伦敦皇家学会的讲师职位。 戴维随后用他的电流实验给每个人留下了深刻印象，然后证明了伏达电池堆由于化学反映而起作用， 因为盐水作为酸参与反应，因此，如果电池中有更强的酸，电池会更强大，这使戴维成为科学巨星。

▲ 图1.9.1 英国科学家戴维

  戴维听说另一位科学家用电池让金银发光，就像富兰克林多年前所做的那样，戴维还发现“薄薄的铂金”，这是一种铂合金，也能够发出“生动的光。 这就是为什么戴维经常被错误地认为发现了白炽现象。 第二年，苏格兰外科医生威廉·克鲁克香克 在使用电池进行生物实验时，发现他的电池堆一直在往下掉，于是他把电池极板竖着放，称为槽式电池。  这让戴维有了能力和想法，在皇家学院的地下室用 2,000 块铜板、锌板和巨量的酸液制造一个庞大的电池，并用电线连接到演讲厅和实验室。 他应该把它放在地下室，因为它闻起来很难闻。 

▲ 图1.9.2 戴维使用电池分解出性的化学元素
  1806年和1807年，戴维用这种电池进行化学电解发现了很多新的元素，将已知元素的数量增加了62%。  通过这个巨大的电池和他的化学实验，戴维展示了一些惊人的东西。 如果他有两根碳棒，并在它们之间施加一个大电压，当他开始将它们分开时，就会发出明亮的光。 戴维在 1809 年 11 月 16 日展示了他所谓的弧光灯。一位听众写道，“电弧光非常强烈，就像太阳一样。”这是一种令人眼花缭乱的光彩。

十、后记

  突然之间，拥有 100 年历史的电灯变得足够明亮和持久，可以用作公共照明。 然而，戴维的弧光灯还需要 55 年的时间才能盈利，而白炽灯的盈利还需要 20 年的时间。 那是怎么发生的呢？这中间的故事我们下次再聊。 

▲ 图1.10.1 电灯用于室外照明

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■ 相关文献链接:

• History of the Light Bulb 1705 to 1809

● 相关图表链接:

• 图1.1.1 电灯的发展历程
• 图1.2.1 水银气压计顶部会发光
• 图1.3.1 人体导电实验
• 图1.4.1 电火花接吻实验
• 图1.4.2 Nollet的放电球
• 图1.5.1 富兰克林的起电机
• 图1.6.1 富兰克林验证闪电的实验
• 图1.6.2 云层电荷感应实验
• 图1.6.3 劳拉·蓓茜与路易吉·伽瓦尼
• 图1.7.1 路易吉·伽瓦尼的青蛙腿实验
• 图1.8.1 伏达的电池
• 图1.9.1 英国科学家戴维
• 图1.9.2 戴维使用电池分解出性的化学元素
• 图1.10.1 电灯用于室外照明