对静电和磁的研究

英国科学家吉尔伯特（William　Gilbert，1544—1603）最先对磁的现象和摩擦起电现象进行了系统的研究，获得了许多重要的发现。他把研究成果总结在1600年出版的《磁石》一书中。另一位较早从事磁和静电研究的学者是意大利道德神学和数学教授卡比奥（Nicolo　Cabeo，1585—1650）。他于1629年出版了《磁学哲学》，发现了电荷的排斥现象和用铁屑显示磁场的方法。

曾长期担任德国马德堡市市长的盖里克（Otto　Von　Guericke，1602—1686）在1672年出版的《马德堡新实验》一书中，介绍了他发明的摩擦起电机。该仪器虽然十分简陋，但却是人类制造的第一台起电器。在此后的100多年中许多研究者对摩擦起电机进行了逐步改进。摩擦起电机，为实验研究提供了电源，对电学的发展起了重要作用。英国天文观测工作者格雷（StePhen　Groy，约1666—1736）利用它发现了电的传导性。1733年，法国科学家迪费（Charles　Dufay，1698—1739）在论文《论电》中，提出电有玻璃电和树脂电两类。他所说的玻璃电就是用丝绸摩擦玻璃璃管时玻璃管上所带的电，也即我们今天所说的正电；他所说的树脂电则是用毛皮和树脂摩擦时树脂所带的电，也即负电。1736年，英国皇家学会会员德萨古利（J.T.Oesaguliers，1683—1744）进一步把物质分为两大类：“可带电体”和“不可带电体”，也即我们今天所说的导体和绝缘体。

早期静电学史上另一个重大事件是莱顿瓶的出现。荷兰莱顿大学教授穆欣布罗克（P.V.Musshenbrock，1692—1761）鉴于带电体所带的电在空气中会逐渐消失，想找到保存电的方法。他试图使玻璃里的水带电，在一次实验中受到了强烈的电击。法国电学家诺勒（J.A.No1let，1700—1770）了解到这一事件后，重复了穆欣布罗克的实验，并做出了改进。1746年4月，他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。

电流的发现

意大利医生伽伐尼门（1737—1798）从1780年开始利用蛙腿做动物电的实验。他当然已知道给蛙腿通电会引起肌肉**。有一次，他的助手把解剖刀轻轻触到蛙腿时，蛙腿抽搐了一下，起电机上有火花出现。他当时认为，这是由放电引起的。但当时他把连接着蛙腿的铜钩子挂到院外的铁栏上，想观察雷雨天的放电能否引起蛙腿收缩，结果蛙腿同样抽搐了一下，而且他发现，即便是晴天，只要铜钩一接触铁栏，蛙腿就会产生**。这实际上是发现了两种不同金属接触时就会产生的电流，它是由两种金属表面不同的电子逸出功所产生的接触电势差造成的。伽伐尼于1791年发表了《论肌肉运动中的电作用》一文。他当时并没有认识到电流产生的真正机制，他以为电存在于蛙腿之中，在和不同金属接触后释放出来。

他的文章引起了另一个意大利人伏特（1745—1827）的注意。伏特当时已经知道德国人用相互连接起来的两根金属丝的两端同时接触舌头时，会尝到苦味。他用舌头含着一块金币和银币，当用一根导线把它们连接起来时，就同样感到了苦味。当伽伐尼的文章发表后，伏特用各种金属做这类实验，最后认识到：金屑的接触是产生电流的真正原因（当两块相同的金属接触时，只有在它们的温度不同时才会产生电流，称为温差电效应；但当不同的金屑接触时，在相同温度下亦会产生电流，这是由于接触电势差造成的）。伏特根据他的发现制成了用锌板和铜板作为两极的伏特电堆，这是最早的能提供稳定直流电的电池。这一发明为19世纪电学的实验和发展提供了最重要的工具，由于这一发现和发明，伏特的名字成为电势（电压）的基本单位，还被法国皇帝拿破仑邀请到法国讲学。

电动力学的诞生——从奥斯特到麦克斯韦

对静电的研究和电流的发现，导致了电学方面的一场科学革命。1800年，丹麦哥本哈根大学的奥斯特教授（1777—1851）在做物理实验时偶然发现：电流通过铂丝时，铂丝下罗盘的磁针会发生偏转，从而揭示了两个自然界的秘密；（1）自然界存在能引起偏转作用的力，这是动电对磁的作用，它不是沿直线作用的，而引力、磁力和静电力的作用都是在直线上发生的。（2）电现象可以转化为磁现象，这是动电和磁的作用。从这里出发，人们开始认识宇宙间的第二种相互作用——电磁相互作用。

更重大的发现接踵而来。英国大化学家戴维的助手法拉第（M.Faraday，1791—1867）自1822年以来一直思考和尝试着把磁转化成电的设想。奥斯特发现电可以产生磁，他则试图用磁产生电。1831年，他终于在实验中发现：当原线圈中的电流接通或断开的瞬间，连接的次级线圈中会产生电流。他在反复实验中认识到：当闭合电路的磁通量发生变化时，线路里就会产生感生电流，感生电动势的大小与闭合线路中磁通量的变化率成正比。法拉第还引入了力线的概念以说明电磁场的作用方式。电磁感应定律的发现，为发电机和电动机的制造奠定了理论基础。

电磁学理论的集大成者是英国人麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831—1879）。麦克斯韦就出生于法拉第发现电磁感应的当年，而且很小就有“数学神童”的称号，中学时代已显示出他的数学天才，先后两次在皇家学会发表由成人代为宣读的论文。25岁时担任马利斯查尔学院的自然哲学讲座教授。他在剑桥大学学习时就十分推崇法拉第的科学思想，并于1855年发表了他的首篇论文《法拉第力线》，用数学语言来解释法拉第的新思想，法拉第很是欣赏并且鼓励他大胆突破。麦克斯韦于1862年首先用区别于传导电流的“位移电流”的概念取代了法拉第“电介质极化”的概念。这一新概念的核心就是变化的电场与感生磁场之间的转换。1864—1865年，他运用矢量分析的手段，并根据库仑定律、安培定律、电磁感应定律等经验定律，得出了真空中的电磁场方程组。这一方程组把磁场的变化率和电场的空间分布以及电场的变化串和磁场的空间分布联系起来。从麦克斯韦方程组推导出，在能够产生介质位移的媒质中可以产生周期性位移波。这些波的传播速度与光波相等。这使得他产生了这样的设想，即分别起着光和电磁波运载者作用的两种共存媒质，实际上是同一种媒质。因此，光的电磁理论的基本原理可表述为：光是自动传播的电磁强度平衡的周期性扰动。麦克斯韦于1873年在他的重要著作《论电和磁》一书中阐述了上述思想，引起了一场轰动和广泛的争论。

在麦克斯韦辞世9年后的1888年，德国物理学家赫兹（H.R.Hertz，1857—1894）用实验有效地证明了电磁理论的真实性。如果说麦克斯韦以其1873年出版的划时代著作《论电和磁》实现了物理学史上的第二次大综合，从而使经典物理学大厦最终确立，那么著名的赫兹实验则使麦克斯韦理论获得了决定性的胜利，电磁学理论不仅正式确立，而且也为电力革命奠定了科学实验的基础。