莱顿瓶:最原始的电容器

莱顿瓶发明之后,电学的示范表演成了一种娱乐形式而风靡全球。然而,莱顿瓶的原理却不为人知。18世纪中叶,所有的电学家们都在思考这个问题。莱顿瓶的发明,标志着人们开始了对电的本质和特性的研究。

莱顿瓶

斯蒂芬格雷的飞翔男孩实验令观众叹为观止。但格雷使用了各种方法都无法将起电机发出的电储存起来,电从起电机流到男孩身上之后,很快就消失了。

到格雷为止,人们知道电的产生,也知道了电可以在导体中传导。但是,人们无法长时间将电能存储。电能存储的重大突破并未发生在当时全世界科技最先进的英国,而是英吉利海峡对岸的欧洲大陆。那个时代,欧洲大陆的电学家们同样痴迷于研究电,在荷兰莱(Leiden)有一座电学研究中心——莱顿大学,一位名叫彼得·范·穆森布罗克(Pieter van Musschenbroek)的教授完成了18世纪最重要的科学发明之一——莱顿瓶(Leyden jar)。直到今天,它的原理依然广泛地被用于各种电子设备之中。

与豪克斯比、格雷两人都不同,穆森布罗克出生于科学世家。他的父亲是一位制造气泵、显微镜、望远镜等科学仪器的制造师。这使得他从小就对知识与科学有着强烈的兴趣,他的整个学术生涯也更为正统。

穆森布罗克出生于1692 年, 1708年之前一直在拉丁语学校学习希腊语、拉丁语、法语、英语、高地德语、意大利语以及西班牙语,可以被称得上是一名语言天才。1715年他在莱顿大学学习医学并获得了博士学位。他还参加过艾萨克·牛顿(Isaac Newton)和约翰·德札古利埃(John Desaguliers,命名导体与绝缘体的牛顿助理)的一些讲座。1719年他完成了哲学方面的学习。同年,他在德国的杜伊斯堡大学担任数学和哲学教授,并在1721年成为医学教授。1723年,他回到荷兰,成为乌德勒支大学的教授,在1732年成为占星学(当时与天文学密不可分)方面的教授。

穆森布罗克在1726年出版的《Elementa Physica》一书在将牛顿的物理学观点传播到欧洲大陆的过程中扮演了十分重要的角色。1734年11月,他被选为英国皇家科学院的外籍院士。在各个领域取得了一系列学术成就之后,在1739年他回到了家乡,在母校莱顿大学担任教授。

穆森布罗克在莱顿大学求学时,就对静电学非常感兴趣。由于当时无法存储电能,在回校担任教授之后,他和学生开始寻找储存电能的方法,并最终发明了莱顿瓶。然而,有趣的是,这一重大发明与他严谨的学术背景相反,是源于一次人为的操作失误。

当时,他的思路是这样的:如果电是如同水一样可以流动的流体(如格雷所发现的那样),那么储存水的方法应该也能储存电。于是,他将水倒入瓶子里,将一根导线的一端插入水中,导线的另一端则与起电器相连。为了保证电荷不跑掉,他在瓶子和桌子之间垫了一块绝缘体。然而,不论他如何转动起电器,都没法把电荷留在瓶子里面。

然而,有一天出于意外,他没有把瓶子放在绝缘体上,而是拿在手里就开始充电。当他用手去触碰瓶盖时,受到了猛烈的电击,几乎跌倒。他记录道:“这是一个新颖但可怕的实验,建议大家切勿尝试。我蒙上帝庇护才幸免于难。”

莱顿瓶所发出的电击是之前的人们所从未见过的。更让人惊讶的是,它可以将电存储数个小时,甚至数天。随后,穆森布罗克尝试用各式各样的瓶子储电。他发现不一定要装水,只要在玻璃瓶内外壁各贴一层相互绝缘的金属箔,内层与起电机相连,外层与大地相连,起电机产生的电就会储存在瓶子里。瓶子越大、玻璃壁越薄,存的电就越多。如果用导线将内外金属箔相连则会激烈地放电。

1746年1月,穆森布罗克把他的新发现写信告诉了瑞尼·瑞欧莫(René Réaumur,法国科学家,在许多不同的领域都有成就,尤其是昆虫的研究,他所提出的列氏温标曾经在欧洲相当流行),让·安托万·诺莱特(Jean-Antoine Nollet,法国牧师、物理学家,1734年成为英国皇家学会外籍院士)帮助后者翻译穆森布罗克的拉丁文信件时,以穆森布罗克发明这个瓶子所在的城市名字将其命名为“莱顿瓶”。

另有文章记载,一位名叫埃瓦尔德·冯·克莱斯特(Ewald von Kleist)的德国科学家在1745年用装有铁钉的瓶子和起电器相连也得到了类似的结果,时间比穆森布罗克稍早一些。由于克莱斯特并未公开发表他的研究成果,因此,科学界还是认定穆森布罗克为莱顿瓶的发明人。

莱顿瓶很快风靡了全世界,往东一直传到了东亚的日本,往西则一直到了美国东海岸,它成为了全世界第一个迅速全球化的新发明。莱顿瓶被用来作为电学实验的电源。其中,1746年,为莱顿瓶起名的诺莱特的实验最为著名。他让200名修道士围成一圈,用铁丝将他们互连,形成一个周长大概1.6公里的圆圈。然后,诺莱特让其中的修道士用手触碰已经充好电的莱顿瓶。此时,每个修道士因受电击几乎同时跳起来。这个实验向人们展示了电的巨大威力,同时也说明了电能够非常迅速的传播。有资料记载,诺莱特曾经在巴黎一座大教堂前邀请路易十五的皇室成员观看了类似的表演。

然而,虽然莱顿瓶风靡全球,其原理却不为人知。人们的疑问是,为什么将莱顿瓶拿在手里,电经身体流入地面时,反而感受到了更大的电击?18世纪中叶,所有的电学家们都在思考这个问题。莱顿瓶的发明,标志着人们开始了对电的本质和特性的研究。
到穆森布罗克为止,电在人们心中的无疑是一种神秘的事物,它能发光,能让人感到触电,能产生火花,能传导,能存储。但是,电的本质,各种奇怪的电现象依然没人可以解答。而莱顿瓶作为最早的电容器的原理则有待20年后的富兰克林解开。

中世纪的恶趣味涂鸦

第VII记:中世纪(约公元476年~公元1453年),处于基督教神权的高度集权统治之下。人们的行为受到教权的严格监管,所以又被称为黑暗中世纪。不过,他们都很严肃规范吗?上涂鸦。

莱顿中世纪涂鸦

在过去的几年里,中世纪古籍史学家Erik Kwakkel在他的中世纪抄写员笔测验研究中,翻遍了荷兰莱顿大学的古籍与手稿。中世纪抄写员所谓的笔测验即是用鹅毛笔涂涂画画一些素描、涂鸦与线条,来测验鹅毛笔的质量。这些涂鸦包括一些笑脸、直线、曲线、或是几何图形,涂鸦通常都存在书本背面的空白页中。

莱顿大学手稿

Kwakkel还说:从古籍史学家的角度来看,笔测验是一件很有意思的事情,因为抄写员通常会使用自己原生的笔迹来涂涂写写。当抄写员来到一个新的抄写环境(另一个国家或是宗教地区)抄写重要书籍时,他们会改变自己的笔迹风格来适应要求。然而这些涂鸦完全是他们原生的笔迹风格,这样一来就能留下关于抄写员的一些信息。

莱顿大学涂鸦

换种方式来讲,这些涂鸦就像是他们的印记与签名,一点点关于那些默默无闻、无法在他们的工作中留下痕迹的抄写员的线索。因为在当时任何夹带私货的素描与抄写员的姓氏首字母都不允许出现在手抄本中。

中世纪涂鸦

Kwakkel多数的发现都是标准的笔测验,然而在这些13、14世纪古籍中还有一些关于人类永恒话题的涂鸦,比如说爱情、道德与宗教,但其中最值得一提的却是无聊。看起来在那书籍稀缺的年代阅读哲学、法学书籍依旧会让人无聊至死。其中一些涂鸦发生在书籍出版后的好几百年,看来无论何方圣神都抵挡不住无聊的侵袭。

法律书上涂鸦

荷兰莱顿大学,14世纪的涂鸦

莱顿大学趣味涂鸦

有着尖尖鼻子的学生,莱顿大学图书馆

莱顿图书馆涂鸦