威廉·吉爾伯特-電力之父,開啟現代電磁物理學和天文學的時代

2021-01-15 老趙說製造

威廉·吉爾伯特(William Gilbert),1544年5月24日,威廉·吉爾伯特出生在英國埃塞克斯郡的科爾切斯特鎮。他在英國劍橋的聖約翰學院(St.John's College)接受教育,在那裡他獲得了所有學位、文學學士、文學碩士和醫學博士學位。他在倫敦開辦了一家醫療機構,後來成為皇家醫師學院的院長。吉爾伯特曾擔任伊莉莎白一世女王和詹姆斯一世國王的醫生。 他作為一位敏銳的天文觀察家在他的時代最為著名。但迄今為止,他最持久的成就是一部六卷本的著作,匯集了所有的電磁學知識。這本書名為《磁鐵上》,出版於1600年,也就是莎士比亞在倫敦寫《哈姆雷特》的那一年。

地球的磁性

在保持成功的醫療實踐的同時,吉爾伯特對電和磁進行了廣泛的研究。當他開始實驗時,對這些現象知之甚少。磁石(磁性鐵礦石)的基本磁性很熟悉,指南針已經被航海者使用了一段時間,琥珀效應(現在稱為摩擦電效應)是眾所周知的,琥珀和某些其他物質通過摩擦獲得靜電荷。但沒有人能充分解釋這些事情是如何或為什麼起作用的。吉爾伯特的調查使他形成了自己的一些理論,一個重要的說法是,磁石所表現出的磁效應與琥珀效應是不同的,這一觀點與人們普遍認為的觀點背道而馳。他的實驗駁斥了其他流行的觀點,例如大蒜對磁羅盤產生不利影響的觀點,吉爾伯特提出的最重要的主張涉及地球的磁性。

吉爾伯特的一個親戚收集了一些他未發表的作品,這些作品被收錄到了1651年出版的《德蒙多·諾斯特羅·次魯納裡哲學新星》中,這篇論文表明,吉爾伯特和哥白尼一樣,認為地球不是靜止的,而是在一個軸上不斷地旋轉。吉爾伯特進一步指出,磁力是行星保持在各自軌道上的原因。

對他可用的原始材料的實驗和研究使吉爾伯特得出了一個反直覺的結論,即地球是一塊巨大的磁鐵。再往前走一步,他得出結論,在地球深處有一個鐵心。通過實驗,他證明了當一塊磁鐵被切斷時,每一段都會保持其磁性,包括它自己的南北極。關於磁鐵以及吉爾伯特的大量實驗以及過去的知識,是其致力於科學方法研究的結晶。

「德馬格內特」——「在磁鐵上」

吉爾伯特發明了一種實驗,一種由金屬針(懸掛起來以便它能在磁場或電場的作用下自由轉動)和一種叫做terella的圓形磁石組成的儀器,吉爾伯特得出結論,地球是磁性的,類似於磁石。根據他的觀點,當一個經緯儀繞著一個圓柱面移動時,它的傾角變化的方式類似於指南針在地球表面不同點上所顯示的傾角變化。吉爾伯特對這一類比作了解釋,並在1600年出版的《德馬格涅特》中宣布了他的地球是一塊巨大磁鐵的理論,論文還介紹了他的實驗,包括極性、靜磁、溫度對磁性的影響等。

給定兩個磁鐵,吉爾伯特知道磁極可以吸引或排斥,取決於極性,吉爾伯特猜對了,在一個永久磁鐵附近,這樣的鐵變成了一個臨時磁鐵,具有適合吸引的極性。也就是說,粘在磁鐵S極(尋南極)上的鐵棒末端暫時變成N極。由於磁極總是成對出現,磁棒的另一端暫時變成S極,並反過來吸引更多的鐵。

如果你把一塊馬蹄鐵磁鐵放入一個有鐵釘的杯子裡,你就會看到這一點。如吉爾伯特的預期,許多銷子會粘在杆子上,但除此之外,還有一些銷子會粘在杆子上。當銷子被拔松時,人們又發現它們都是非磁性的。這個原始實驗證實了他對暫時性(誘導性)磁的猜測。他用繩子把兩根平行的鐵棒掛在一個杆子上,注意到它們互相排斥。在拉力的影響下,每根磁棒都變成了一個具有相同極性的臨時磁鐵,每根磁棒的臨時磁極都排斥了另一根磁棒的臨時磁極。

對後世電磁科學家的影響

威廉·吉爾伯特,發表了他的偉大的磁學研究「德馬格內特」——「在磁鐵上」,它首次合理地解釋了指南針指向南北的神秘能力:地球本身就是磁性的。」德馬格納特「開啟了現代物理學和天文學的時代,開啟了一個以伽利略、克卜勒、牛頓等的偉大成就為標誌的世紀。

作為電之父,吉爾伯特創造了「電」一詞並不奇怪,這個詞是基於希臘語中琥珀這個詞,以及「磁極」、「電力,吉爾伯特將琥珀效應與磁效應區別開來,琥珀等某些物質與其他物質摩擦後會帶電。他還發現金屬在加熱到白熱時會失去磁荷,在冷卻之前不會恢復磁荷。他還是一個狂熱的實驗者和教育家,創造了一個經久不衰的術語,400年後才開始使用,我們欠他「電」和「電力」的術語,以及電引力和磁極的概念。

德馬格內特的廣度和洞察力使它成為其他對電和磁感興趣的科學家的開創性著作,事實上,它被認為對伽利略和約翰內斯克卜勒等其他偉大的思想產生了重大影響,德馬格內特為吉爾伯特贏得了相當大的聲譽。

結論

據認為,當吉爾伯特於1603年去世時,病因是黑死病,儘管對他的生命來說這是一個痛苦而過早的結論,但他的精神卻在他的工作所帶來的偉大技術中得以延續。他今天感到榮幸的是,吉爾伯特是磁動勢的測量單位,正如伏特是電動勢的測量單位一樣。

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