【科學哪裡來】 電與磁 傻傻分不清

文/胡妙芬  |2021.03.17
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《科學史上最有梗的20堂物理課》 親子天下出版 圖/陳彥伶
世界各地的人們發現「天然磁石」或「摩擦生電」的現象,可以追溯到很久以前。圖/陳彥伶
支持「日心說」的布魯諾(Filippo Bruno)、伽利略(Galileo Galilei)為真理挺身,結果不是著作被禁,就是終身被關,甚至被活活燒死。這是近代科學從宗教的牢寵破繭而出前的痛苦掙扎。圖/陳彥伶
吉爾伯特正在伊莉莎白女王面前演示磁性實驗。 圖/陳彥伶
天然磁石就是磁鐵礦,含四氧化三鐵,外形通常呈現黑或灰黑色,而且帶點金屬光澤。由於天然磁石的重量較重,所以被沖刷出土時容易堆積在河床或海邊沙灘上。在台灣北部、西部海岸的海砂,和花東的河砂裡,都不難找到磁鐵礦;只要簡單帶個磁鐵就可去採集,因為磁鐵會吸住磁鐵礦,幫你輕鬆找到它們。圖/陳彥伶
焦爾達諾.布魯諾(1548~1600),義大利科學家 圖/陳彥伶
摩擦海龜殼可以吸引草屑,一種「摩擦生電」的簡單現象;但是,古代人並不知道電與磁的分別,只是因為它們都有神奇吸力,就把它們相提並論、混為一談。而在西方,情況也一樣。圖/陳彥伶
在中國大陸,人們無意間撿到一些黑色的石頭,發現它們竟然可以牢牢的吸引鐵塊;就像「慈母」緊緊抱著自己的孩子一樣,所以就稱這種石頭為「慈石」,後來在「慈」邊加上部首變為「石慈」,慢慢的又簡化成為今日通用的「磁」字。圖/陳彥伶

文/胡妙芬
上個月我們提到,支持「日心說」的布魯諾(Filippo Bruno)、伽利略(Galileo Galilei)為真理挺身,結果不是著作被禁,就是終身被關,甚至被活活燒死。這是近代科學從宗教的牢寵破繭而出前的痛苦掙扎。
但事實上,當時並不是每一個科學家的下場都如此悲慘,也不是每一種科學領域都受到教會如此嚴厲打壓。像是純粹的「數學」、「幾何學」,不影響到一般民眾的信仰和價值觀念,比較少受到宗教的干預;而相反的,關係到道德觀、宇宙秩序的哲學或科學問題就比較敏感,萬一科學家自以為「理性」的做著觀察、實驗,做著做著得出與教義不合的結果,很容易就挑起教會的敏感神經,立刻被壓制打為異端邪說。
幸運的是,還有一些實用型的科學領域,在民眾的日常生活中扮演重要角色,所以受到很大的包容,例如醫學或地磁學。15世紀進入16世紀的當下,正是歐洲各國爭相在海上擴張、追逐財富與利益的時代,迫切需要跟導航有關的磁性研究和地磁研究;被譽為「電磁學之父」的英國醫生威廉.吉爾伯特(William Gilbert)就是搭上這股風潮,研究了十幾年的磁石,不但沒有受到教會干涉,還功成名就、名利雙收。
不過,吉爾伯特如此幸運,還有另外一個重要原因。在開始他的故事以前,讓我們先從人類發現磁與電的歷史說起……其實,世界各地的人們發現「天然磁石」或「摩擦生電」的現象,可以追溯到很久以前。
電磁不分 中西皆然

在中國大陸,人們無意間撿到一些黑色的石頭,發現它們竟然可以牢牢的吸引鐵塊;就像「慈母」緊緊抱著自己的孩子一樣,所以就稱這種石頭為「慈石」,後來在「慈」邊加上部首變為「石慈」,慢慢的又簡化成為今日通用的「磁」字。
偶然間,人們也在生活中發現「頓牟掇芥」或「瑇瑁吸楉」的現象。「頓牟」、「瑇」從文獻推測,應是指海龜的龜殼,「芥」、「楉」是細小的種籽、草屑。簡單講,就是摩擦海龜殼可以吸引草屑,一種「摩擦生電」的簡單現象;但是,古代人並不知道電與磁的分別,只是因為它們都有神奇吸力,就把它們相提並論、混為一談。而在西方,情況也一樣。
而至於用布或獸皮摩擦後,能吸起碎紙、草屑的「琥珀」呢?古代西方人跟中國人的想法類似,認為既然這跟磁石都同樣能隔空吸引,大概屬於同類物質,也算具有「磁力」吧!
所以,在很長的一段西方歷史裡,有「磁」這個字,卻沒有「電」這個字;靜電一直被誤以為就是磁力;直到吉爾伯特出現,才終於把磁與電明確分開,從此打開了一道通往「電磁學」的大門。吉爾伯特在科學史上立下大功,而且幸運的是──沒有受到迫害。
地球是個大磁石

倫敦,16世紀末。吉爾伯特已經是個醫術高明的有名醫生。但在工作之餘,他最感興趣的卻是科學研究。剛開始他的最愛是化學,但是最近突然迷上「天然磁石」這種神奇玩意兒。據說,只要在磁石上抹大蒜,磁石的磁性就會消失;古希臘的醫生還會拿磁石製成藥粉或油膏,治療燙傷或眼疾。「這種藥真的有效果嗎?」身為醫生的吉爾伯特對這種藥方自然有點興趣;但是,用更多實驗驗證想法,才是真正的科學。
吉爾伯特認為:「地球本身就是一個大磁石,上面覆蓋岩石、泥土和一層水。形狀不規則的磁球,磁力方向也會不規則,就跟地球的實際情況一樣。」這個「地球本身就是大磁石」的大膽假設,轟動了當時的科學界;教會對這個十分前衛的科學結論,也沒有太大的意見。一來,當時的吉爾伯特已經成為伊莉莎白女王的御醫,身分地位非常崇高;另外一個更主要的原因是:吉爾伯特雖然有了新發現,但他做出的解釋沒有違反亞里斯多德的權威。亞里斯多德認為「地球是有靈魂的」,吉爾伯特也說:「磁石具有靈魂,所以會互相吸引」、「地球的靈魂就是磁力,而磁力一直延伸到天上,使宇宙完美的合而為一。」這個想法雖然有誤,但在當時,卻是受到教會許可和歡迎的。
除此之外,既然當時的大家認為摩擦後的琥珀吸力也是「磁力」的一種,研究磁性的吉爾伯特當然也對琥珀仔細的研究一番。他發現除了琥珀,寶石、水晶、玻璃和硫磺,摩擦後也都有吸力。只是,他一點都不認為琥珀的吸力就是「磁力」。因為:
1.琥珀需要經過摩擦,磁石不用。
2.琥珀能吸住所有輕的東西,但磁石只能吸引金屬。
3.紙、布或者水能阻擋琥珀的吸力,但不能阻擋磁力。
本文摘自《科學史上最有梗的20堂物理課》 親子天下出版
福報小學堂
同學問:
天然的磁石長什麼樣子?在野外要到哪裡才能撿到天然磁石?
老師答:
天然磁石就是磁鐵礦,含四氧化三鐵,外形通常呈現黑或灰黑色,而且帶點金屬光澤。由於天然磁石的重量較重,所以被沖刷出土時容易堆積在河床或海邊沙灘上。在台灣北部、西部海岸的海砂,和花東的河砂裡,都不難找到磁鐵礦;只要簡單帶個磁鐵就可去採集,因為磁鐵會吸住磁鐵礦,幫你輕鬆找到它們。

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