经典电磁学理论的建立

（一）对电磁现象的早期研究

中国人发明的指向磁针经由阿拉伯人传入欧洲之后，很快在航海业中得到广泛的使用。曾任英国皇家医学院院长和宫廷御医的威廉·吉尔伯特（1544年—1603年）大大发展了对磁针特性的了解，他用实验驳斥了当时人们的一种谬见，即将大蒜抹在磁铁上将破坏其磁性。在实验中吉尔伯特发现了磁倾角，当一个小磁针放在地球上除南北极之外的地方时，它有一个朝向地面的小小倾角。吉尔伯特的天才之处就在于，他由磁倾角推测，地球是一块大磁石，而且用一个球形的磁石做了一个模拟实验，证明了磁倾角确来源于球状大磁石。在1600年出版的《论磁》一书中，吉尔伯特指出，一个均匀磁石的磁力强度与其质量成正比。除了研究磁力外，他还注意到了自然界中其他类型的吸引力。比如，人们早就知道摩擦琥珀，就能将细小物体吸起来，据说，泰勒斯就做过有关的实验。但是吉尔伯持发现，除琥珀外，还有许多物体经摩擦都有吸引力，他将这类吸引力归结为电力，并用希腊文琥珀（elektron）一词创造了“电”　（　 electricity）这个新词。他还通过实验具体测定了各种吸引力的大小，发现磁力只吸引铁，而电力则太微弱。吉尔伯特赞同哥白尼学说，这对日心理论在英国的传播起了很大的作用，因为他毕竟是英国社会中有身份的人物。

1650年，德国物理学家格里凯（1602年—1686年）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（1675年—1736年）研究了电的传导现象，发现导体与绝缘体的区别。随后，又发现导体的静电感应现象。1733年，杜菲（1698年—1736年）经过实验区分出两种电荷——称之为松脂电（负电）和玻璃电（正电），并由此总结出静电作用的基本特征——同性相斥，异性相吸。

1745年，荷兰莱顿大学的穆欣布罗克（1692年—1761年）和德国的克莱斯特（1700年—1748年）通过实验发现了电震现象，发明了一种能储存电荷的装置——“莱顿瓶”，它和起电机一样为电的实验研究提供了基本工具。1746年4月，法国科学家诺勒（1700年—1770年）在法国科学院的会议上演示了莱顿瓶的实验；他还让法国国王的180个卫兵手拉手，让莱顿瓶通过他们放电，使他们同时受到电击而跳起。由于诺勒的宣传，莱顿瓶不仅很快在科学界传开，而且在欧洲和美洲市民中成为风靡一时的新奇玩意儿，以至于有些人竟以此为业到处表演，为电学知识的普及和传播起了很好的作用。科学家对莱顿瓶放电的研究，产生了电路的概念和电沿最短路径走的概念，并进一步提出了“电以太”的假说。这些都标志着人们对电的认识开始从现象深入到本质。1752年10月，美国科学家和政治家富兰克林（1706年—1790年）在费城作了著名的风筝实验，证明天空闪电和地电相同。后来，他还发明了避雷针。

18世纪70年代英国物理学家卡文迪许（1731年—1810年）用实验证明了静电荷之间的作用力与它们间距离的平方成反比。1785年法国物理学家库仑（1736年—1806年）用自制的扭秤实测了电荷间作用力的大小，发现了库仑定律，这是电学史上第一个定量定律，标志着电学研究从定性进入定量阶段。后来，德国数学家、物理学家高斯（1777年—1855年）发展了库仑定律，提出了高斯定律，用它可以求连续分布电荷产生的电场，成为静电作用的基本定律之一。

1780年，意大利波仑亚大学医学教授伽伐尼（1737年—1798年）和助手在解剖青蛙时，发现用不同的金属与蛙腿接触可以使蛙腿抽动，得出存在动物电的结论。伽伐尼的观点是错误的，但他的发现激发起人们对电流的进一步研究。

意大利物理学家伏打（1745年—1827年）对伽伐尼“动物电”的实验结果表示怀疑。1792年，伏打通过实验证明了伽伐尼动物电本质上是因为两种金属与湿的动物体相连造成的，蛙腿只起到了验电器的作用。1794年，伏打只用金属而不用肌肉组织来做实验，发现电流的产生与生物组织无关。由此，在伽伐尼和伏打之间发生了一场争论。后来，伏打用各种不同的金属搭配，进行了一系列实验，研究它们互相接触时产生电的情况，获得了著名的伏打序列：锌、铅、锡、铁、铜、银、金、石墨等。只要按这个序列的顺序，将排在前面的金属同后面的一种金属相接触，前者就带正电，后者带负电；在序列中相距越远，带电越多。1800年，伏打制成了伏打电堆。伏打电堆的出现使人们第一次有可能获得稳定而持续的电流，从而为研究电动现象打下了基础，也推动了电化学的发展。

（二） 电流磁效应的发现

电磁理论产生的突破口，是丹麦物理学家奥斯特（1777年—1851年）关于电流磁效应的发现。奥斯特青年时代就是康德哲学的崇拜者，1799年他的博士论文讨论的就是康德哲学。

自从吉尔伯特提出电和磁彼此独立无关的论断以来，科学家们受这种思想的影响，只是孤立地研究电和磁。而奥斯特由于受到德国古典哲学的同一性思想的影响和启发，一直坚信电、磁之间有某种关系，电一定可以转化为磁。在比较了电与磁吸引和排斥的相似性，以及它们规律的相似性之后，奥斯特提出了电与磁之间究竟有什么联系和作用的问题，并于1807年起就开始研究探索。在1812年出版的《关于化学力和电力的统一的研究》一书中，奥斯特推测，既然电流通过较细的导线会产生热，那么通过更细的导线就可能发光，导线直径再小下去，就可能产生磁效应。沿着这个思路，奥斯特做了许多实验，但均没有成功。

1819年冬天，奥斯特受命主持一个电磁讲座，有机会继续研究电流的磁效应问题。此时，他产生了一个新的想法，即电流的磁效应可能不在电流流动的方向上。为了验证这个想法，他于次年春设计了几个实验，但还是没有成功。1820年4月，在一次讲座快结束时，他灵机一动又重复了这个实验，果然发现电流接通时附近的小磁针动了一下。随后他又做了60多次实验，在磁针与导线之间放上玻璃、水、木头、石头等东西，确证了电流磁效应的存在。终于在1820年7月21日发表了《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文。论文指出，电流所产生的磁力既不与电流方向相同也不与之相反，而是与电流方向相垂直。此外，电流对周围磁针的影响可以透过各种非磁性物质。

自奥斯特的发现公布以后，电磁学的研究便突飞猛进。奥斯特的实验消息传到巴黎后，启发了法国物理学家安培（1775年—1836年）。他想，既然磁与磁之间，电流与磁体之间都有作用力，那么电流和电流之间是否也存在作用力呢？他立即重复了奥斯特的实验。一周后向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相关判定的右手定则——即判别电流磁场的方向的右手螺旋法则。再一周后，安培向科学院提交了第二篇论文，讨论了平行载流导线之间的相互作用问题：即两根平行导线，如果通以同向电流，它们相互吸引；如果通以反向电流，它们就相互排斥。他还发现，如果给两个螺线管通以电流，他们就会像两个磁铁一样相互吸引或排斥。

安培不仅具有良好的数学基础，而且精于实验。奥斯特只是发现了电流对磁针有作用，安培却在极短的时间里将这一发现推广到电流与电流之间的相互作用，并接连发现了作用的方向和大小，给出了判定方向的方法及计算大小的公式。

他认为磁的本质是电流，一切磁现象均起源于电流。他把电流和磁体、磁体和磁体的相互作用问题，统统归结为电流和电流的相互作用，并把电流和电流之间的相互作用力称作“电动力”，而把研究这种力的理论称为“电动力学”。

（三） 法拉第奠定电磁理论的基础

英国物理学家法拉第（1791年—1867年），贫苦出身，幼年失学，在印刷厂当童工时学习零星的科学知识。1812年，聆听戴维的讲演，得到戴维的赏识，到了实验室当一名刷瓶子工人。次年成为戴维的助手，游历欧洲，在电化学方面显示出卓越的实验才能。1824年被选为皇家学会会员。

电流有磁效应，磁有没有电流效应呢？法拉第也深受德国古典哲学的影响，认为电和磁之间存在着某种联系，从1822年起开始寻找磁产生电的效应。起初，他简单地认为用强磁铁靠近导线，导线中就会产生稳定的电流，或者在一根导线里通上电流，在附近的导线中也会产生稳定的电流。按照这一思路，法拉策做了近10年的“磁生电”实验，在工作日记中写下了大量毫无结果的失败记录，厚厚的日记册正是法拉第百折不挠、坚持奋斗的见证。1831年8月，法拉第终于观察到了感生电流的发生。这次法拉第在一只软铁环上绕以两组线圈A、 B，线圈B与一电流计连接，当线圈A与电池组（由30只电池组成）相连的瞬间，电流计的指针偏转了一下，然后又回到原来位置。当线圈A与电池组断开时，指针又偏转了一下再回到原来指示位置。这一事实证明，电与磁的关系是动态的而非静态的。此后法拉第又设计了多种实验方案，结果证明，不论采取何种方案，只要穿过闭合回路中的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电流，这就是著名的电磁感应定律。1833年，在俄国工作的物理学家楞次（1804年—1865年）在《论动电感应引起的电流的方向》一文中指出感应电流所产生的磁场方向与引起感应的原磁场的变化方向相反，即楞次定律。这是充实、完善电磁感应定律的一大贡献。正如奥斯特的发现是电动机的理论基础一样，法拉第发现的电磁感应定律是发电机的理论基础。

为了对电、磁现象做出正确的物理解释，法拉第提出了一种全新的概念和物理图像，这就是“场”的概念和力线图像。1831年11月24日，法拉第用铁粉做实验，形象地证明了磁力线的存在。他确信这种力线不是几何的，而是具有物理性质，是物理实在。电荷或磁极周围的空间，不再是一无所有，而是布满了向各个方向散发出去的力线，电荷或磁极就是力线的起点，他把布满力线的空间称为磁场，磁力线就是通过连续的场这种物理实在传递的。法拉第的这个创见比电磁感应的发现意义还要重大，它奠定了电磁理论的基础。可是在当时，对法拉第提出“场”的概念，几乎所有物理学家都认为是离经叛道的妄想，直到二三十年以后，麦克斯韦接受了法拉第的思想，并用数学语言把它表达了出来，这一天才构想才开花结果。

有了力线的概念，法拉第就能够进一步解释电磁感应现象。他在发表于1851年的 《论磁力线》一文中说，只要导线垂直地切割磁力线，导线中就有电流产生，电流的大小与所切割的磁力线数成正比。这就正式将电磁感应现象确立为一条定律。法拉第由于从小没受过正规教育，其数学能力十分欠缺，但他对物理世界天才的洞察力弥补了这一不足。“力线”概念就是一种极为出色的非数学化的图像式想象，至今仍为物理教学所喜用。

法拉第在1832年的一封信中，提出了电磁波的观念。他认为，磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动或者空气粒子的声振动，而且这也是光现象最可能的解释。1846年，法拉第提出光的本性是电力线和磁力线的振动。这一看法后来被麦克斯韦发展成为光的电磁说。

（四）麦克斯韦的伟大贡献

麦克斯韦（1831年—1879年） 出生于苏格兰爱丁堡的一个名门望族，从小便显露出色的数学才能，14岁时就在英国《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。1847年，麦克斯韦进入爱丁堡大学学习数学和物理学，1850年考入剑桥大学三一学院，主攻数学、物理学。1854年大学毕业，数学成绩非常优秀。1871年回到母校剑桥大学任实验物理教授。

1855年，麦克斯韦写了《论法拉第的力线》一文，第一次试图将法拉第的力线概念赋予数学形式，从而初步建立了电与磁之间的数学关系。这一年恰好法拉第告老退休，接力棒传给了麦克斯韦。法拉第和麦克斯韦的结合，就好像第谷和开普勒的结合那样，是观察实验和理论分析相结合的范例。法拉第精于实验研究，麦克斯韦擅长理论概括，他们相辅相成，相互补充，导致了科学上的重大突破。麦克斯韦的理论表明，电与磁不能孤立地存在，总是不可分离地结合在一起。这篇论文于次年发表在《英国科学促进会报告集》中，使法拉第的力线概念由一种直观的想象上升为科学的理论，引起了物理学界的重视。法拉第读过这篇论文后，大加赞扬。

1862年，麦克斯韦发表了《论物理的力线》，不仅解释了法拉第的实验研究结果，而且发展了法拉第的思想。他提出了“感生电场”和“位移电流’的概念，初步提出完整的电磁理论。

麦克斯韦通过对电磁感应现象——闭合回路中磁场发生变化就产生感生电流——的分析，提出了存在感生电场。这种电场，不是由电荷所产生的，而是由变化的磁场所产生的。

按照电磁的对称性，麦克斯韦进一步提出：既然变化的磁场会引起感生电场，那么，变化的电场也会引起感生磁场。通常导体中的电流称为传导电流，电流是电荷传导而形成的，电流会产生磁场。现在，变化的电场也会引起感生磁场。变化的电场其作用等效于传导电流，但由于它并不是真正的电荷传导而形成的电流，故称为位移电流。

这样一来，就有两种电流可以产生磁场，一种是传导电流，一种是位移电流。

按照麦克斯韦的观点，感生电场产生位移电流，位移电流产生感生磁场，感生磁场（变化的磁场）产生感生电场。电磁场中广泛存在的电场与磁场的交相变化，使麦克斯韦意识到它是一种新的波动过程。1864年，他向皇家学会宣读了另一篇著名的论文《电磁场的动力理论》（该文于次年发表在学会的机关刊物《哲学杂志》上），文中不仅给出了今天被称为麦克斯韦方程的电磁场方程，而且提出电磁波的概念。他认为，变化的电场必激发磁场，变化的磁场又激发电场，这种变化着的电场及磁场共同构成了统一的电磁场，电磁场以横波的形式在空间传播，形成所谓电磁波。

麦克斯韦建立的电磁场方程，以非常简洁、完美的数学语言概括了全部电磁现象。运用电磁场方程，加上电场E和磁场B应满足的边界条件和初始条件，就可以确定空间某点在某一时刻的电磁场，它们包括了静电场、稳恒电流和似稳电磁场等特殊情况。所以，麦克斯韦方程组以数学的形式概括了电磁场的基本规律，同时，为解决各种实际问题奠定了基础。

麦克斯韦推算出了电磁波的传播速度，发现与光速十分接近。他本来就猜测光与电磁现象有着内在的联系，在建立了完整的电磁理论之后，他更明确提出了光的电磁理论。麦克斯韦写道：电磁波的这一速度与光速如此接近，看来我们有充分的理由断定，光本身是以波动形式在电磁场中按电磁波规律传播的一种电磁振动。

麦克斯韦1873年出版的《电磁通论》，全面总结了一个世纪以来电磁学所取得的成果，是一部电磁学的百科全书，是集电磁理论之大成的经典著作，是一部可以与牛顿的《自然哲学的数学原理》和达尔文的《物种起源》相提并论的里程碑式的著作。1879年11月5日，麦克斯韦因长期患病，终于与世长辞，这年他才48岁。他没能看到他所预言的电磁波真的在实验室里被发现，但是今天，电磁波已经成了信息时代最基本的物质载体。

（五） 电磁波的实验发现

麦克斯韦电磁理论的验证，是德国物理学家赫兹（1857年—1894年）完成的。1886年赫兹发明了检波器，并检验了由莱顿瓶的间隙放电或线圈火花产生的电磁波的存在，并成功地让这些波发生反射、折射、衍射和偏振，从而使麦克斯韦电磁理论中“电磁波与光波具有同一性”的假说，从各个方面得以检验。

电磁波的传播速度应该等于光速，这个结论在1888年由赫兹证实。1888年赫兹发表《论动电效应的传播速度》一文，给出计算电磁波波长的方法；虽然在有限空间难以直接测量电磁波的速度，但是赫兹通过用检波器测量出电磁波两个波之间的长度，即半波长，然后根据振动器的频率公式计算出电磁驻波频率，最终计算出电磁波的速度，从而检验了电磁波速等于光速的结论。

如果电磁波与光波具有同一性，则电磁波应显示出光波的所有性质。赫兹又进行了关于电磁波的反射、聚焦、折射、偏振等多种实验，证明了在当时认识水平上的光所具有一切物理特性，电磁波都具有。

赫兹的实验发现不仅证明了麦克斯韦理论的正确，也为人类利用无线电波开辟了道路。可惜的是，赫兹英年早逝，没能在电磁波的应用技术方面作出他本来完全可能作出的重大贡献。不久以后，意大利青年物理学家马可尼（1874年—1937年）就实现了无线电波通信。