电磁学发展简史

第一节　电磁学发展简史

有关电的记载可追溯到公元前6世纪。早在公元前585年，古希腊哲学家泰勒斯已记载了用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体，后来又有人发现摩擦过的煤玉也具有吸引轻小物体的能力。在以后的2000年中，这些现象被看成与磁石吸铁一样，属于物质具有的性质，此外没有什么其他重大的发现。在中国，西汉末年已有“璋瑁(玳瑁)吸褚(细小物体之意)”的记载;西晋(公元3世纪)张华著的《博物志》中进一步还有关于摩擦起电引起放电现象的记载，“今人梳头，解着衣时，有随梳解结有光者，亦有咤声”。

1600年英国物理学家吉尔伯特发现不仅琥珀和煤玉摩擦后能吸引轻小物体，而且相当多的物质，如金刚石、蓝宝石、硫磺、硬树脂和明矾等经摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质，他注意到这些物质经摩擦后并不具备磁石那种指南北的性质。为了表明与磁性的不同，他采用琥珀的希腊字母拼音把这种性质称为“电的”。吉尔伯特在实验过程中制作了第一只验电器，这是一根中心固定可转动的金属细棒，当与摩擦过的琥珀靠近时，金属细棒可转动指向琥珀。大约在1650年马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机。他用硫磺制成形如地球仪的可转动球体，用干燥的手掌摩擦转动球体，使之停止而获得电。盖利克的摩擦起电机经过不断改进，在静电实验研究中起着重要的作用，直到19世纪霍耳茨和推普勒分别发明感应起电机后才被取代。

18世纪电的研究迅速发展起来。1729年英国的格雷研究琥珀的电效应是否可传递给其他物体时发现导体和绝缘体的区别:金属可导电，丝绸不导电。并且他第一次使人体带电。格雷的实验引起法国迪费的注意。1733年迪费发现绝缘起来的金属也可摩擦起电，因此他得出所有物体都可摩擦起电的结论，认为吉尔伯特把物体分为“电的”和“非电的”并没有事实根据。他把玻璃上产生的电叫做“玻璃的”，琥珀上产生的电与树脂产生的相同，叫做“树脂的”。他得到:带相同电的物体互相排斥;带不同电的物体彼此吸引。他把电其他为二元流体，当它们结合在一起时彼此中和。

1745年荷兰莱顿的穆申布鲁克为了避免电在空气中逐渐消失，寻找到一种保存电的办法，他所发明的装置即被称为莱顿瓶。这种贮存电的方法稍早也被德国的克莱斯特独立地发现。莱顿瓶的发现为电的进一步研究提供了条件，它对于电的知识的传播起了重要的作用。

差不多同时，美国的富兰克林做了许多有意义的工作，使得人们对电的认识更加丰富。1747年他根据实验提出，在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素;电跟流体一样，摩擦的作用可以使它从一物体转移到另一物体，但不能创造;任何孤立物体的电总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒定律;他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电，物体失去电而不足的部分叫做带负电。严格地说，这种关于电的一元流体理论在今天看来并不正确，但他所使用的正电和负电的术语至今仍被采用。他还观察到导体的尖端更易于放电等。他的最著名的实验是风筝实验。早在1749年他就注意到雷闪与放电有许多相同之处。1752年他通过在雷雨天气将风筝放入云层来进行雷击实验，证明了雷闪就是放电现象。这是一个危险的实验，后来有人重复这种实验时遭电击身亡。富兰克林还建议用避雷针来防护建筑物免遭雷击，1745年首先由狄维斯实现，这大概是电的第一个实际应用。

18世纪后期，开始了电荷相互作用的定量研究。1776年，普里斯特利根据他的实验发现带电金属容器内表面没有电荷，猜测电力与万有引力有相似的规律，两个电荷之间的作用力与它们之间距离的二次方成反比，但他未能予以证明。1769年，鲁宾孙通过作用在一个小球上电力和重力平衡的实验，第一次直接测定了两个电荷相互作用力与距离二次方成反比。1773年，卡文迪什根据他实验中导体球内表面检测不到的电荷数量推算出电力与距离成反比的方次与2相差最多不超过百分之二。他的这一实验是近代精确验证电力定律的雏形，可是他的这一实验以及其他重要实验成果到1879年才由麦克斯韦整理公诸于世。1785年，库仑设计了精巧的扭秤实验，直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比，与它们的电量乘积成正比。库仑的实验得到了世界的公认，从此电学的研究开始进入科学行列。1811年泊松把早先力学中拉普拉斯在万有引力定律基础上发展起来的势论用于静电，发展了静电学的解析理论。

18世纪后期电学的另一个重要的发展是意大利物理学家伏打发明了电池。在这之前，电学实验只能用摩擦起电机的莱顿瓶进行，而它们只能提供短暂的电流。1780年意大利的解剖学家伽伐尼偶然观察到在放电火花附近与金属相接触的蛙腿发生抽动。为了找出这一现象的原因，他进一步实验却意外地发现若用两种金属分别接触蛙腿的筋腱和肌肉，则当两种金属相碰对，蛙腿也会发生抽动。伽伐尼没有弄清楚其中的原因，他称之为“生物电”。1792年，伏打仔细研究之后，认为蛙腿的抽动不过是一种对于电流的灵敏反应，电流是两种不同金属插在一定的溶液内并构成回路时产生的，而肌肉提供了这种溶液。基于这一思想，1799年他制造了第一个能产生持续电流的化学电池，其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体，叫做伏打电堆。当导线连接两端的导体时导线中产生持续电流。此后，各种化学电源蓬勃发展起来。1822年塞贝克进一步发现，将铜线和一根别种金属(铋)线连成回路，并维持两个接头于不同温度，也可获得微弱而持续的电流，这就是热电效应。

化学电源发明后，很快发现利用它可以作出许多不寻常的事情来。1800年卡莱尔和尼科尔森用低压电流分解水;同年里特成功地从水的电解中分别搜集了两种气体，并从硫酸铜溶液中电解出金属铜;1807年戴维利用庞大的电池组先后首次电解得到钾、钠、钙、镁等金属。1811年他用2000个电池组成的电池组制成了碳极电弧;从19世纪50年代起它成为灯塔、剧院等场所使用的强烈光电源，直到20世纪70年代才逐渐被爱迪生发明的白炽灯所代替。此外伏打电池也促进了电镀的发展，电镀是1839年由西门子等人发明的。

虽然早在1750年富兰克林已经观察到莱顿瓶放电可使钢针磁化，甚至更早在1640年已有人观察到闪电使罗盘的磁针旋转，但到19世纪初，科学界仍普遍认为电和磁是两种独立的作用。与这种传统观念相反，丹麦的自然哲学家奥斯特接受了德国哲学家康德和谢林关于自然力统一的哲学思想，坚信电与磁之间有着某种联系。经过多年的研究，他终于在1820年发现电流的磁效应:当电流通过导线时，引起导线近旁的磁针偏转。电流磁效应的发现开拓了电学研究的新纪元。

奥斯特的发现首先引起法国物理学家的注意，同年即取得一些重要成果，如安培关于载流螺线管与磁铁等效性的实验(后来，安培据此提出物质磁性的分子电流假说，把磁现象归之为单一的电流的作用，这一点成为以后正确认识物质磁性的一把钥匙)和两根平行载流导线相互作用力的实验;阿拉果关于钢和铁在电流作用下的磁化现象;毕奥和萨伐尔关于长直载流导线对磁极作用力的实验;此外安培还进一步做了一系列电流相互作用的精巧实验。由这些实验分析得到的电流元之间相互作用力的规律，是认识电流产生磁场以及磁场对电流作用的基础。

电流磁效应的发现打开了电应用的新领域。1825年斯特金发明电磁铁，为电的广泛应用创造了条件。早在1821年安培建议可用电磁仪器传输信号。1888年高斯和韦伯制造了第一台简陋的单线电报机。1837年惠斯通和莫尔斯分别独立发明电报机。莫尔斯还发明了一套电码，利用他所制造的电报机可通过在移动的纸条上打上点和划来传递信息。这时期越洋海底电报的实验研究也在进行。1855年汤姆孙(即开尔文)解决了水下电缆信号输送速度慢的问题。1866年按照汤姆孙设计的大西洋电缆铺设成功。另一方面的发展是1854年法国电报家布尔瑟提出用电来传送语言的设想，但未变成现实;后来，赖斯于1861年实验成功，但未引起重视。1876年贝尔发明了电话。作为收话机，它仍用于现代，而其发话机则被爱迪生的发明(碳发话机)以及休士的发明(传声器)所改进。

电流磁效应发现不久，几种不同类型的检流计设计制成，为欧姆发现电路定律提供了条件。1826年，受到傅里叶关于固体中热传导理论的启发，认为电的传导和热的传导很相似，电流好象热流，电源的作用好象热传导中的温差一样。为了确定电路定律，开始他用伏打电堆作电源进行实验，由于当时的伏打电堆性能很不稳定，实验没有成功;后来他改用两个接触点温度恒定因而高度稳定的热电动势做实验，得到电路中的电流强度与他所谓的电源的“验电力”成正比，比例系数为电路的电阻。由于当时的能量守恒定律尚未确立，验电力的概念是含混的，直到1848年基尔霍夫从能量的角度考查，才澄清了电位差、电动势、电场强度等概念，使得欧姆理论与静电学概念协调起来。在此基础上，基尔霍夫解决了分支电路问题。

杰出的英国物理学家法拉第从事电磁现象的实验研究，对电磁学的发展作出极重要的贡献，其中最重要的贡献是1831年发现电磁感应现象(美国物理学家亨利几乎在同时也发现了电磁感应现象，但发表稍晚些)。紧接着他做了许多实验确定电磁感应的规律，他发现当闭合线圈中的磁通量发生变化时，线圈中就产生感应电动势，感应电动势的大小取决于磁通最随时间的变化率。后来，楞次于1834年给出感应电流方向的描述，而诺埃曼概括了他们的结果给出感应电动势的数学公式。法拉第在电磁感应的基础上制出了第一台发电机。此外，他把电现象和其他现象联系起来广泛进行研究，1833年成功地证明了摩擦起电和伏打电池产生的电相同，1834年发现电解定律，1845年发现磁光效应，并统一解释物质的顺磁性和抗磁性，他还详细研究了极化现象和静电感应现象，并首次用实验证明了电荷守恒定律。

电磁感应的发现为能源的开发和广泛利用开创了崭新的前景。1866年西门子发明了可供实用的自激发电机;19世纪末实现了电能的远距离输送;电动机在生产和交通运输中得到广泛使用，从而极大地改变了工业生产的面貌。

对于电磁现象的广泛研究使法拉第逐渐形成了“场”的观念。他深信在带电体和磁体的周围存在着某种特殊的“紧张”状态，他用电力线和磁力线来描述这种状态。他认为:力线是物质的，它弥漫在全部空间，并把异号电荷和相异磁极分别连结起来;电力和磁力不是通过空虚空间的超距作用，而是通过电力线和磁力线来传递的，它们是认识电磁现象必不可少的组成部分，甚至它们比产生或“汇集”力线的“源”更富有研究的价值。

法拉第丰硕的实验研究成果以及他的新颖的场的观念为电磁现象的统一理论准备了条件。诺埃曼、韦伯等物理学家对电磁现象的认识曾有过不少重要贡献，但他们从超距作用观点出发，概括库仑以来已有的全部电学知识，在建立统一理论方面并未取得成功。这一工作在19世纪60年代由卓越的英国物理学家麦克斯韦完成。早在1842～1854年，汤姆孙通过热传导、弹性现象和电磁力线的对比研究，建立了它们共同的数学描述。汤姆孙的类比方法鼓舞了麦克斯韦致力于将法拉第的力线思想写成便于数学处理的形式。开始他仅仅是通过力学现象与电磁现象的类比试图建立电磁学的理论体系;后来他觉得需要建立一种媒质理论来体现法拉第的力线思想。他认为变化的磁场在其周围的空间激发涡旋电场;此外他又引入了“位移电流”的概念，变化的电场引起媒质电位移的变化，电位移的变化与电流一样在周围的空间激发涡旋磁场。麦克斯韦明确地用数学公式把它们表示出来，从而得到了今天以他的姓氏命名的电磁场的普遍方程组——麦克斯韦方程组。法拉第的力线思想以及电磁作用传递的思想在其中得到了充分的体现。

麦克斯韦进而根据他的方程组推论电磁作用以波的形式传播，电磁波在真空中的传播速度等于电量的电磁单位与静电单位的比值。根据1856年韦伯和科尔劳施纯电学方法测量得到其值与光在真空中传播的速度相同，由此麦克斯韦预言光是电磁波。

麦克斯韦理论的推论和预言被德国物理学家赫兹的实验光辉地证实。1888年赫兹根据电容器放电的振荡性质设计制作了电磁波源和电磁波检测器，通过实验检测到电磁波，测定了电磁波的波速，并观察到电磁波与光波一样，具有偏振性质，并能够反射、折射和聚焦。从此麦克斯韦的理论逐渐为人们所接受。

麦克斯韦电磁理论通过赫兹电磁波实验的证实，开辟了一个全新的领域——电磁波的应用和研究。1895年俄国的波波夫和意大利的马可尼分别实现了无线电信号的传送。后来马可尼将赫兹的振子改进为竖直的天线;德国的布劳恩进一步将发射器分为两个振荡线路，为扩大信号传递范围创造了条件。1901年马可尼第一次建立了横跨大西洋的无线电联系。电子管的发明(1904年夫累铭;1906年德福雷斯特)及其在线路中的应用使得电磁波的发射和接收都成为易事，推动了无线电技术的发展，极大地改变了人类的生活。

虽然麦克斯韦的电磁理论对光在真空中的传播作了完备的描述，但它不能很好地揭示出物质的光学特性，特别是不能解释色散现象;此外，把电磁理论用于运动介质的情形也未获得成功。189G年洛伦兹提出的电子论，将麦克斯韦方程组应用到微观领域，并把物质的电磁性质归结为原子中电子的效应。这样不仅可以解释物质的极化、磁化、导电等现象以及物质对光的吸收、散射和色散现象;而且还成功地说明了关于光谱在磁场中分裂的正常塞曼效应。此外，洛伦兹还根据电子论导出了关于运动介质中的光速公式，把麦克斯韦理论向前推进了一步。

在法拉第、麦克斯韦和洛伦兹的理论体系中，假定了有一种特殊媒质“以太”存在，它是电磁波的荷载者，只有在以太参照系中，真空中光速才严格与方向无关并等于c，麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式也只在以太参照系中才严格成立。这意味着电磁规律不符合相对性原理。关于这方面问题的进一步研究，导致了爱因斯坦在1905年建立了狭义相对论，它改变了原来的观点，认定狭义相对论是物理学的一个基本原理，它否定了以太参照系的存在并修改了惯性参照系之间的时空变换关系，使得麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式有可能在所有惯性参照系中都成立。狭义相对论的建立不仅发展了电磁理论，并且对以后理论物理的发展具有巨大的作用。