电磁学的发展

电磁学的发展

电磁学是物理学中最重要也是最古老的分支之一。从远古到18世纪中、晚期是电、磁现象的早期研究阶段，以对电、磁现象的观察、实验及定性研究为主；从18世纪晚期到19世纪上半叶，库仑首次开始了对电磁现象的定量研究，并逐步建立起电磁学理论体系；1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，打开了寻找电与磁内在联系的大门。1831年，英国物理学法拉第形象化地引入了“力线”概念，并又经过10年的努力，终于发现了电磁感应现象，这是电磁学发展史上的一座重要的里程碑。1856年，麦克斯韦把法拉第的力线首次进行数学化的尝试；1862年，麦克斯韦把“涡旋电场”和“位移电流”的概念引入电磁学，这是他的杰出之作；1865年，麦克斯韦完成了《电磁场的动力学理论》的论文，这篇论文系统地总结了从库仑、安培到法拉第以及他自己的研究成果，提出了著名的麦克斯韦方程，并预言了电磁波的存在；1888年，德国物理学家赫兹用实验的方法证实了麦克斯韦关于电磁场理论预言的所有方面，至此，电磁理论的雄伟大厦已经建成。

第一节电磁现象的早期研究

据记载，最早对电现象进行认真研究的是被誉为古希腊七贤之一的泰勒斯（Thales，BC624～BC546）。泰勒斯发现，丝绸摩擦过的琥珀可以吸引灰尘、绒毛、麦秆等轻小物体，这是人类历史上第一次记载的摩擦起电现象；后来，人们把这种神奇的力量称为“琥珀电”（electricity）。16世纪后半叶以后，实验风气逐渐兴起，人们发明了产生电荷和储存电荷的起电机、莱顿瓶，发现了电流，制成了最早的电源——电堆。17世纪和18世纪初期，许多学者对摩擦起电、电火花的形成和大气潮湿的影响等现象进行了一系列的定性观察。英国学者吉尔伯特（Gilbert William，1544～1603）发现能带电的不仅有琥珀，而且还有钻石、水晶以及其他许多矿物，到18世纪40年代以前，摩擦起电已被人们广泛应用。在磁学方面的研究，最早的记载是古罗马自然哲学家普林尼（Pliny，23—79），他曾讲了两个传说：其一是说牧羊人玛格内斯（Magnas）在克里特岛的艾达山上时，他的鞋被山石所吸，以致于很难行走；另一个是说有一座沿海的磁山，它可以使驶向它的船四分五裂，原因是钉在船上的钉子，在磁山吸引力作用下被拔掉了。据说磁石（magnet）这个词，是古罗马自然哲学家卢克莱修（Lucretins，BC99一BC55）从磁铁矿的产地、小亚西亚的地名Magnesia得来的。从远古开始，无论是中国还是西方都有对电、磁现象观察的记载，这不仅加深了人们对电现象和磁现象的认识，并且为进一步探索电磁现象的规律作好了物质准备。

1、从吉尔伯特到穆森布洛克

英国医生和物理学家吉尔伯特（Gilbert William，1544～1603），1600年成为英国女王伊丽莎白一世的御医，是一个具有很大成就和声誉的医生，他的业余爱好是进行关于电和磁的实验，他花了18年的时间进行电和磁方面的实验研究。1600年，他出版了巨著《论磁性、磁体和巨大地磁体》，这是英国诞生的第一部物理学著作，伽利略称它为“伟大到令人嫉妒”的著作。吉尔伯特在著作中指出，实验证明，诸如金刚石、蓝宝石、硫磺、树脂、明矾等物经过摩擦后也能吸引轻小物体，这是关于摩擦起电的明确结论。吉尔伯特还把一块天然磁石磨制成一个大磁石球，用小铁丝制成小磁针放在磁石上面，发现与地球对其作用相同，他通过这个著名的“小地球”实验，证明了地球是一个巨大的磁体，他提出一个普遍的原理：每一个小磁体的磁北极吸引每个别的磁体的磁南极，而排斥它们的磁北极。并指出，电力和磁力是两种不同性质的力。但吉尔伯特坚持认为：电和磁是两种截然无关的现象。这些对后期人们对电现象和磁现象关系的研究产生了一定的阻碍作用。

关于获得较多的电荷方面的研究最早是德国马德堡市的市长奥托·冯·盖利克（Guericke Otto von，1602－1686），他于1660年发明了第一台能产生大量电荷的摩擦起电机。他在一个小足球那样大的球状玻璃容器中，装满研磨成粉末的硫磺，然后用火加热到硫磺全部融化。等它冷却之后，再把玻璃容

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器打碎，在剩下的硫磺球上钻一个洞，将它支在一根轴上，使之可以自由转动，这样由于摩擦，在硫磺球表面将积累越来越多的电荷。这是人类第一台摩擦起电机。通过这台起电机，盖利克发现，在摩擦起电的过程中，起电机可以发出劈啪劈啪的响声，并在黑暗中看到闪光，还可以看到对带了电的亚麻丝的相互排斥作用。这就是小型的火花放电、导电性和排斥现象。盖利克的摩擦起电机后来不断地经过改进，直到19世纪才被感应起电机所代替。

1729年，英国物理学家格雷（Gray Stephen，1666－1736）首次对电荷传递进行了研究，他发现摩擦过的玻璃管上所带的电荷可以转移到木塞上，用一根带有骨质小球的棍子插到带电的木塞中，小球又会带上电。随后他用一根绳子竟使电传到大约24米远。格雷还在朋友的建议下，请一个小孩做了第一次人体带电实验。通过研究，他发现，不仅摩擦可以使物体带电，用传递的方法也可使其他物体带电。他把物体分成两类：一类是非电性物体，另一类是电性物体。这就是我们现在所说的导体和绝缘体。同时，他还发现了电荷只分布在导体的表面上，这一结论后来被法拉第“圆桶实验”进一步证实。

18世纪中叶，电学实验逐渐普及，电在导体中可由一处移到另一处这一事实，就很自然地使人按照机械力学的观点，把电视为某种不可称衡的流体。电既然是一种流体，可不可以像水那样用容器来蓄存呢？1745年，一个德国牧师冯·克莱斯脱（Georg von Kleist，1700～1748），试用一根钉子把电通往瓶子里去，当他一手握瓶，一手摸钉子时，受到明显的电震。1746年，荷兰莱顿城莱顿大学的教授彼得·冯·穆欣布罗克（Musschenbroek Pieter van，1692～1761），无意中发现同样的现象，用他自己的话说：“手臂和身体产生一种无法形容的恐怖感觉，总之，我认为自己的命没了。”这是人类有史以来第一次受到的人工大电击。就这样，穆欣布罗克公布了自己意外的发现：把带电的物体放进玻璃瓶里就可以把电保存起来。穆欣布罗克的发现，使电学史上第一个保存电荷的容器诞生了。它是一个玻璃瓶，瓶子内外分别贴有锡箔。瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球，由于它是在莱顿城首先制成的，所以叫做莱顿瓶，这就是最初的电容器。

莱顿瓶很快在欧洲引起了强烈的反应，电学家们不仅利用它们做了大量的实验，而且做了大量的示范表演。有人用它来点燃酒精和火药。其中规模最壮观的是法国人诺莱特（Jean Antoine Nollet）在巴黎一座大教堂前所作的表演。诺莱特邀请了法国路易十五的皇室成员临场观看。他让七百名修道士手拉手排成一行，全长约275米。并让排头的修道士用手托住莱顿瓶，当莱顿瓶充电后，让排尾的修士用手触摸莱顿瓶的引线，瞬时间，七百名修道士因受电击而几乎同时跳了起来，在场的人无不为之目瞪口呆。诺莱特以令人信服的证据向人们展示了电的巨大威力。莱顿瓶的发明，使物理学家第一次有办法储存大量电荷，并对其性质进行研究。

二、两种电流质的提出与争论

18世纪，由于对电学的最初研究开阔了人们对电现象的认识，法国科学家杜菲（C．F．Dufay，1698—1739），为了解释摩擦起电及电的吸引和排斥现象，对电现象理论做出了最初的尝试。他认为：自然界存在有两种流质，可以通过摩擦的形式把它们分开，使两个物体带异种电荷而相互吸引，当它们结合时，又彼此中和。这个假设后来被称为杜菲的“双流说”。

美国物理学家富兰克林，他在对静电现象研究的基础上提出了关于“电液说”的假说，1747年7月11日，他在给伦敦皇家学会会员科林森（Peter Coullinson）的信中说道，“电火是一种普通的元素”，它在所有的物体中存在。如果一个物体得到比它正常分量更多的电液，它就被称之带上“阳电”；如果一个物体少于他正常分量的电液，它就被称为带上了“阴电”，并可分别用“＋”号或“－”号来表示“阳电”和“阴电”。在这里，富兰克林在杜菲的“玻璃电”和“树脂电”的基础上，第一次提出了正电和负电的概念，这就为定量研究电现象提供了一个基础，使人们第一次有可能用数学符号来表示带电现象，具有很重要的意义。他认为电是“一种普通的元素”，是一种没有重量称为“电液”的电流质，它渗透在整个空间和一切物质实体中，如果物体内部电液的密度同外部一样，物体呈“电中性”。他还指出，“电液”是由极其细微的粒子构成的，因为它很容易毫无阻碍地、自由地渗入到普通的物质（即便是最密的金属）中去。为了解释异性电相吸引现象，他认为“虽然电液粒子彼此排斥，但是它们却为一切其他物质所强烈地吸引。这样，富兰克林关于电的“单液说”取代了杜菲的“双流

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