电磁学发展简史

电磁学发展简史

电磁学发展简史

一. 早期的电磁学研究

早期的电磁学研究比较零散，下面按照时间顺序将主要事件列出如下： 1650年，德

国物理学家格里凯在对静电研究的基础上，制造了第一台摩擦起电机。1720年，格雷研究了电的传导现象，发现了导体与绝缘体的区别，同时也发现了静电感应现象。1733年，杜菲经过实验区分出两种电荷，称为松脂电和玻璃电，即现在的负电和正电。他还总结出静

电相互作用的基本特征，同性排斥，异性相吸。1745年，荷兰莱顿大学(图1)的穆欣布罗

克和德国的克莱斯特发明了一种能存储电荷的装置－莱顿瓶，它和起电机一样，意义重大，为电的实验研究提供了基本的实验工具。1752年，美国科学家富兰克林对放电现象进行了研究，他冒着生命危险进行了著名的风筝实验，发明了避雷针。

1777年，法国物理学家库仑通过研究毛发和金属丝的扭转弹性而发明了扭秤，如图2

所示。1785－1786年，他用这种扭秤测量了电荷之间的作用力，并且从牛顿的万有引力规律得到启发，用类比的

方法得到了电荷相互作用力与距离的平反成反比的规律，后来被称为库仑定律。

图2

在早期的电磁学研究中，还值得提到的一个科学家是大家都已经在中学物理课本中学

过的欧姆定律的创立者－欧姆。欧姆,1787年3月16日生于德国埃尔兰根城，父亲是锁匠。父亲自学了数学和物理方面的知识，并教给少年时期的欧姆，唤起了欧姆对科学的兴趣。16岁时他进入埃尔兰根大学研究数学、物理与哲学，由于经济困难，中途缀学，到1813

年才完成博士学业。欧姆是一个很有天才和科学抱负的人，他长期担任中学教师，由于缺

少资料和仪器，给他的研究工作带来不少困难，但他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈

地进行科学研究，自己动手制作仪器。

欧姆对导线中的电流进行了研究。他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中

两点间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此相似，猜想导线中

两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，即现在所称的电动势，并且花了很大

的精力在这方面进行研究。开始他用伏打电堆作电源，但是因为电流不稳定，效果不好。

后来他接受别人的建议改用温差电池作电源，从而保证了电流的稳定性。但是如何测量电

流的大小，这在当时还是一个没有解决的难题。开始，欧姆利用电流的热效应，用热胀冷

缩的方法来测量电流，但这种方法难以得到精确的结果。后来他把奥斯特关于电流磁效应

的发现和库仑扭秤结合起来，巧妙地设计了一个电流扭秤，用一根扭丝悬挂一磁针，让通

电导线和磁针都沿子午线方向平行放置。再用铋和铜温差电池，一端浸在沸水中，另一端

浸在碎冰中，并用两个水银槽作电极，与铜线相连。当导线中通过电流时，磁针的偏转角

与导线中的电流成正比。实验中他用粗细相同、长度不同的八根铜导线进行了测量，得出了欧姆定律，也就是通过导体的电流与电势差成正

比与电阻成反比。这个结果发表于1826年，次年他又出版了《关于电路的数学研究》，给出了欧姆定律的理论推导。

欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视，经济极其困难，使欧姆精神抑郁。直到1841年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌，才引起德国科学界的重视。

二.安培和法拉第奠定了电动力学基础

1820年间，奥斯特在给学生讲课时，意外地发现了电流的小磁针偏转的现象。其实验示意图如图4所示，当导线通电流时，小磁针产生了偏转。这个消息传到巴黎后，启发了法国物理学家安培。他思考，既然磁与磁之间、电流与磁之间都有作用力，那么电流与电流之间是否也存在作用力呢？他重复了奥斯特的实验，几天后向巴黎科学院提交了第一篇论文，提出了磁针转动方向与电流方向的关系，就是大家在高中学习过的右手定则。再一周后，他向科学院提交了第二篇论文，在该文中，他讨论了平行载流导线之间的相互作用问题。同时，他还发现如果给两个螺线管通电流，它们就会象两个条形磁铁一样相互吸引或者排斥。1822年，安培在实验的基础上，以严密数学形式表述

了电流产生磁力的基本定律，即安培定律。该定律表明，两个电流元的作用力与它们之间距离的平方成反比，与库仑定律很类似，但是它们作用力的方向却要由右手定则来判断。安培通过研究电流和磁铁的磁力情况，他认为磁铁的磁力在本质上和电流的磁力是一样的，提出了著名的安培分子电流假说。如图5所示，该假说认为在物体内部的每个微粒都有一个环形电流，它们实际上就相当于一个小磁针，当这些小磁针的磁性排列一致时，就体现出宏观磁性。这一假说在当时不被人们看重，一直到了70年后人们才真的发现了这种带电粒子，证明了安培假说的正确性。

图5

既然电流有磁效应，那么磁是否也会有电流效应呢？根据物理的相互作用原理，这个结果应该是显然的，因此不少人为此做了很多实验，试图发现磁的电流效应。但是这个现象直到奥斯特发现电流磁效应的10多年后，才被英国物理学家法拉第和美国物理学家亨利发现。

图6

法拉第，1791年9月22日生在一个手工工人家庭，家里人没有特别的文化，而且颇为贫穷。法拉第的父亲是一个铁匠。法拉第小时候受到的学校教育是很差的。十三岁时，他就到一家装订和出售书籍兼营文具生意的铺子里当了学徒。但与众不同的是他除了装订书籍外，还经常阅读它们。他的老板也鼓励他，有一位顾客还送给了他一些听伦敦皇家学院讲演的听讲证。1812年冬季一天，正当拿破仑的军队在俄罗斯平原上遭到溃败的时候，

一位二十一岁的青年人来到了伦敦皇家学院，他要求和著名的院长戴维见面谈话。作为自

荐书，他带来了一本簿子，里面是他听戴维讲演时记下的笔记。这本簿子装订得整齐美观，这位青年给戴维留下了很好的印象。戴维正好缺少一位助手，不久他就雇用了这位申请者，从此，法拉第开始步入科学的殿堂。

图7

法拉第是一个伟大的实验物理学家，他在电磁学方面的主要贡献就是现在称之为法拉

第电磁感应定律，并且提出了力线和场的概念。前面提到的安培和奥斯特等人的工作说明

了电和磁之间存在着必然的联系，法拉第发现的电磁感应定律比他们前进了一大步。他用

实验证明了电不仅可以转化为磁，磁也同样可以转变为电。运动中的电能感应出磁，同样

运动中的磁也能感应出电。法拉第的发现为大规模利用电力提供了基础，后来人们利用法

拉第电磁感应定律制造了感应发电机，从此蒸气机时代进入了电气化时代。1831年，法拉第用铁粉做实验，形象地证明了磁力线的存在。他指出，这种力线不是几何的，而是一种

具有物理性质的客观存在。从这个实验说明，电荷或者磁极周围空间并不是以前那样认为

是一无所有的、空虚的，而是充满了向各个方向散发的这种力线。他把这种力线存在的空

间称之为场，各种力就是通过这种场进行传递的。

法拉第将他的一生所做的实验进行了总结，写出了《电学实验研究》。由于法拉第基

本上不懂数学，在这部著作中人们几乎找不到一

个数学公式，以至于有人认为它只是一本关于电磁学的实验报告。但是，正是因为他

不懂数学，他才不得不想尽方法用简单易懂的语言来表达高深的物理规律，才有力线和场

这样简明而优美的概念。法拉第同时还是一个出色的科普演讲家。他的这个不懂数学的缺

陷恰好被他的后来者麦克斯韦所弥补，建立了完美的电磁学理论。

同时，法拉第具有深刻的哲学思想和几何学和空间上的洞察力。他的善于持久思考的

能力，正好补偿了他数学上的不足。在他留下来的笔记中，有下面一段话：“我一直冥思

苦索什么是使哲学家获得成功的条件。是勤奋和坚韧精神加上良好的感觉能力和机智吗？……但是，我长期以来为我们实验室寻找天才却从未找到过。不过我看到了许多人，如果他

们真能严格要求自己，我想他们已成为有成就的实验哲学家了。”

开尔文勋爵对法拉第非常了解，他在纪念法拉第的文章中说：“他的敏捷和活跃的品质，难以用言语形容。他的天才光辉四射，使他的出现呈现出智慧之光，他的神态有一种

独特之美，这有幸在他家里或者皇家学院见过他的任何人都会感觉到的，从思想最深刻的

哲学家到最质朴的儿童。”

二. 麦克斯韦的电动力学

麦克斯韦出生于苏格兰爱丁堡的一个名门望族。他从小便显露出出色的数学才能。他

在14岁就在英国《爱丁堡皇家学会学报》上发表数学论文，获得了爱丁堡学院的数学奖。