電磁學的介紹和近代研究史

電磁學或稱電動力學或經典電動力學。之所以稱為經典，是因為它不包括現代的量子電動力學的內容。電動力學這樣一個術語使用并不是非常嚴格，有時它也用來指電磁學中去除了靜電學、靜磁學后剩下的部分，是指電磁學與力學結合的部分。這個部分處理電磁場對帶電粒子的力學影響。通過方程統一電磁學，并且揭示出光作為電磁波的本質。

電磁學的基本方程為麥克斯韋方程組，此方程組在經典力學的相對運動轉換（伽利略變換）下形式會變，在伽里略變換下，光速在不同慣性座標下會不同。保持麥克斯韋方程組形式不變的變換為洛倫茲變換，在此變換下，不同慣性座標下光速恒定。二十世紀初，邁克耳孫-莫雷實驗支持光速不變，光速不變亦成為愛因斯坦的狹義相對論的基石。取而代之，洛倫茲變換亦成為較伽利略變換更精密的慣性座標轉換方式。

靜電和靜磁現象很早就被人類發(fā)現，由于摩擦起電現象，英文中“電”的語源來自希臘文“琥珀”一詞。遠在公元前2750年，古埃及人就已經知道發(fā)電魚（electric fish）會發(fā)出電擊。這些魚被稱為“尼羅河的雷使者”，是所有其它魚的保護者。大約兩千五百年之后，希臘人、羅馬人，阿拉伯自然學者和阿拉伯醫(yī)學者，才又出現關于發(fā)電魚的記載。古代羅馬醫(yī)生Scribonius Largus也在他的大作《Compositiones Medicae》中，建議患有像痛風或頭疼一類病痛的病人，去觸摸電鰩，也許強力的電擊會治愈他們的疾病。阿拉伯人可能是最先了解閃電本質的族群。他們也可能比其它族群都先認出電的其它來源。早于15世紀以前，阿拉伯人就創(chuàng)建了“閃電”的阿拉伯字“raad”，并將這字用來稱呼電鰩。

在古希臘及地中海區(qū)域的古老文化里，很早就有文字記載，將琥珀棒與貓毛摩擦后，會吸引羽毛一類的物質。西元前600年左右，古希臘的哲學家泰勒斯（Thales， 640-546B.C.）做了一系列關于靜電的觀察。從這些觀察中，他認為摩擦使琥珀變得磁性化。這與礦石像磁鐵礦的性質迥然不同；磁鐵礦天然地具有磁性。泰勒斯的見解并不正確。但后來，科學會證實磁與電之間的密切關系。

近代研究史

對電磁學做出偉大貢獻的有法拉第、歐姆、奧斯特、安培、麥克斯韋等。

丹麥物理學家奧斯特最先發(fā)現了電和磁之間的聯系。

且說1820年7月21日，丹麥哥本哈根大學響起了清脆的鈴聲，物理實驗室已經坐滿了學生，年富力強的奧斯特教授精神飽滿地帶著伏打電池走了進來，為學生們上實驗課。

當他接通電池時，突然發(fā)現放在電池旁邊的磁針發(fā)生了偏轉，改變了原來的位置，在垂直于導線的方向停了下來。

學生們對這一現象絲毫沒有感覺，但奧斯特卻激動萬分。

在19世紀以前，近代電學和磁學的先驅及其后來人，一直把電和磁作為獨立的互不相關的現象進行研究。在電和磁之間是否存在什么關系呢？從1807年起，奧斯特就致力于電的各種效應的研究，隱約地認識到電和磁之間存在某種聯系，但找不出什么證據。

經過10多年的探索，進展不大。當他在課堂上看到通電后引起的磁針偏轉時，怎能不激動呢！

奧斯特意識到這是一項重大發(fā)現，下課后，立即進行了各種分析實驗。

他用導線又接通了伏打電池，當磁針垂直地放在導線的位置時，磁針并無變化；當磁針平行地放在導線的位置時，磁針立即偏轉，直到與導線垂直為止。他再把磁針放在一定的位置上，當伏打電池接通時，磁針發(fā)生了偏轉，當關閉電源時，磁針就恢復到原來的狀態(tài)。

奧斯特又進一步地試驗了不同的金屬導線，發(fā)現磁針的偏轉幾乎一樣。

他又在導線和磁針之間放一塊硬紙板隔離，在接通電源時，磁針仍然偏轉，甚至在中間放上玻璃、石頭、水、金屬時，磁針照樣偏轉。

通電導線為什么會使磁針偏轉呢？奧斯特進行了理論的探討。他認為磁針的偏轉是由于電荷的流動引起的，磁針的偏轉方向和電荷的流動方向密切相關。由于導體中的電流會在導體周圍產生一個環(huán)形磁場，因此，磁針在這個磁場范圍內，無論是改變電流的方向，還是改變磁針與導線的位置，都會引起磁針的偏轉。

這是電流磁效應的最初發(fā)現。

1820年，奧斯特的論文《磁針電抗作用實驗》在法國的科學雜志《化學與物理學年鑒》上發(fā)表。奧斯特在論文中介紹了自己的研究成果。

奧斯特的發(fā)現把電學和磁學結合起來了。從此，電磁學的研究在歐洲主要國家里蓬勃地開展起來。

奧斯特的論文在法國發(fā)表后，引起了一個法國人的極大興趣。

他就是安培。安培1775年1月22日生于里昂，幼年時表現出數學上的天資，是個神童。1802年，安培發(fā)表了概率論方面的論文，引起了科學界的注意。

當安培得知奧斯特發(fā)現電和磁之間的關系時，便放棄了已奠定一定基礎的數學研究，而轉向物理學領域，并有一系列的發(fā)現。

安培在重做奧斯特的電流使磁針偏轉的實驗基礎上，提出用來判定電流磁場方向的右手螺旋定則。

對于直線電流，判定的方法是，用右手握住導線，讓伸直的大拇指指向電流方向，那么，彎曲的四指所指的方向就是磁力線的環(huán)繞方向。對于通電的螺線管，判定的方法是，右手握住螺線管，讓彎曲的四指指向環(huán)形電流方向，那么，伸直的大拇指所指的方向就是磁力線方向。

在實驗中，安培發(fā)現不僅通電導線對磁針有作用，而且兩根通電導線之間也有作用。兩根平行通電導線之間，同向電流相互吸引，反向電流相互排斥。

1821年，安培探索了磁現象的本質。他認為物體中的每個分子都有圓形電流，即分子電流，分子電流產生磁場，使每個分子都成為一個小磁體。當物體內部的分子電流雜亂無章地排列時，它們的磁性相互抵消，而使物體不顯示磁性；當物體內部的分子電流取向一致時，至少是部分地一致時，就使物體顯示出磁性。

這樣，安培初步揭示了電和磁的內在聯系，他的觀點和現代觀點非常接近。

安培又對電流產生磁力的規(guī)律進行了研究，提出了安培環(huán)路定律，用來計算任意幾何形狀的通電導線所產生的磁場。

后人為了紀念他，把電流強度的單位命名為“安培”，簡稱“安”。

伏打電池不僅促使奧斯特、安培對電學的研究，同時德國中學教師歐姆也對電學表示了極大的興趣。

歐姆在教學過程中自制了許多電學儀器和材料，進行了大量的實驗，發(fā)現了歐姆定律和電阻定律，取得了很大的成就。

在實驗中，歐姆發(fā)現對同一個伏打電池，用不同的金屬材料做導線時，所產生的電流強度不一樣，并且與導線的長度也有關系。那么，電流強度、導線材料、電動勢之間是什么關系呢？

在對導體材料的研究上，歐姆提出了電阻的概念，并發(fā)現了電阻定律，即導體的電阻與它的長度成正比，與它的橫截面積成反比，與導體的材料也有關系。

1826年，歐姆發(fā)現了歐姆定律。部分電路的歐姆定律是：導體中的電流強度，跟這段導體兩端的電壓成正比，跟這段導體的電阻成反比。

全電路的歐姆定律是：電路中的電流強度跟電源的電動勢成正比，跟整個電路的電阻（外電路電阻和電源電阻）成反比。

為了紀念歐姆，后人將電阻的單位命名為“歐姆”，簡稱為“歐”。

在研究電磁學的人中，法拉第是一位屢建奇功的英雄。

1791年9月22日，邁克爾·法拉第出生于英國薩里郡的一個鐵匠家庭。由于家里貧窮，生活都難以維持，就談不上送法拉第去讀書了。1796年，為了擺脫貧困，父親帶著全家來到繁華的倫敦，住在曼徹斯特廣場一家馬廠行的樓上。

環(huán)境雖然變了，但是生活的貧困依然沒有改變，童年的法拉第只好在曼徹斯特廣場和查里斯大街度過。

1804年，法拉第到附近黎保的書報店當報童，第二年轉為店里的裝訂工人。利用裝訂書籍的空閑，法拉第貪婪地閱讀著剛訂好的書。書籍開闊了他的視野，增長了他的知識。

在閱讀的大量書籍里，法拉第被《大英百科全書》中的電學部分和瑪西特夫人的《化學對話》所描述的奇妙現象深深地吸引住了，便按照書中的內容進行了一些簡單的實驗。

法拉第沒有想到，正是書中的奇妙現象，促使他學習科學知識，并改變了自己的命運，最終成為偉大的科學家。

1812年，法拉第作為一名裝訂工的學徒已經期滿，為了生活，也為了自己的志趣，他又成為法國人羅歇的印刷所裝訂工。

這一年，法拉第聽了一次皇家學院大化學戴維的化學講演，并且能夠聽懂。他非常高興，多年來自己對化學知識的學習已經達到了一定的程度。

接連幾天，法拉第總是在想：要是能到皇家實驗室去工作，那該多好??！強烈的科學欲望促使他冒昧地給皇家學會會長班克斯寫了一封信，懇求獲得一份科研工作。結果是可想而知的，信發(fā)出后如石沉大海，毫無音訊。

法拉第并不死心，決定再給戴維寫封信，碰碰運氣。

碰巧的是，皇家學院解雇了一名助理實驗員，法拉第又以他的化學知識和見解受到戴維的賞識。這樣，法拉第成為戴維的助手，踏上夢寐以求的科學征途。

一開始，法拉第在實驗室的工作是，洗瓶子、擦桌子、掃地板，與其說是助手，倒不如說是實驗室的勤雜工、戴維的仆人。

但是沒過多久，法接第就向戴維證明了，他比一個勤雜工要高明得多。他頭腦靈敏，有分析力，不時恭敬地提出一些建議，令戴維刮目相看，于是戴維允許他參加自己的各項實驗工作，而他也能比較準確地完成各項任務。

1813年10月1日，戴維夫婦去歐洲大陸旅行。法拉第作為戴維的“哲學助手”陪伴他到歐洲各大城市去講學。

法拉第在日記中寫道：“今天早晨迎來了我一生中的新時代。在我的記憶中，我從未到過離倫敦12英里以外的地方，現在我可能要離開它若干年，去訪問那些遙遠的地方?！?/p>

在旅行期間，法拉第游歷了巴黎、羅馬、米蘭等城市，結識了許多有名的科學家。

1816年，法拉第在戴維的指導下發(fā)表了第一篇論文：《多斯加尼本土生石灰的分析》。1825年，他第一次在實驗中制取了苯。這一年，在戴維的推薦下，法拉第被任命為皇家研究院實驗室主任。

丹麥物理學家奧斯特發(fā)現了電流磁效應，法國物理學家安培研究出電流產生磁力，使歐洲大陸掀起研究電磁學的熱潮。在這一領域，英國相對落后，1821年9月，奧斯特的實驗成果傳到英國后，戴維和法拉第立即進行了實驗。

不久，戴維要從事其他研究，法拉第就單獨進行電和磁之間現象與本質的研究。

既然電流能產生磁力，那么磁力能否產生電流呢？法拉第按這一設想進行實驗。

當法拉第還是一個裝訂工時，就對電學產生了興趣，在伏打電池的吸引下做過最初的實驗，在擔任戴維的助手后，即進行了一系列的電學實驗，從而為電磁學研究打下了良好的基礎。

1831年，法接第成功地做出了磁生電的實驗。

在一個圓磁鐵環(huán)的兩邊，各繞上絕緣的互不相連的線圈，把一組線圈的兩端與電流計相連，當他把另一組線圈與伏打電池接通時，發(fā)現電流計的指針立即發(fā)生了偏轉；而當電源接好后，指針又回到原來的位置。當切斷電源時，指針又偏轉了，然后又回到了初始位置。

始何解釋這種現象呢？經過反復的實驗和思考，法拉第認為：當接通電源時，由電流產生的磁力線影響了另一組線圈，使它帶上電流，因此電流計的指針發(fā)生了偏轉。而切斷電源時，指針又動，說明電流的產生與磁力線的運動有關。

這樣，法拉第發(fā)現了電磁感應現象：當穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，電路中就有電流產生，這個電流就是感生電流。

后來，他進一步確立了電磁感應的基本定律，被稱為法拉第電磁感應定律：電路中感生電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化成正比。這一發(fā)現成為現代電工學的基礎，用于發(fā)電、送電等技術。

法拉第在電磁感應的基礎上，制成了一架儀器，能使磁針不停地圍繞著固定的導體旋轉，從而弄清楚了電動機的工作原理。遺憾的是，他沒有對電動機進行進一步的研制，又轉人電化學的研究。

感生電流的發(fā)現，充分揭示了磁和電的內在聯系，電不僅能轉化為磁，而且磁也能轉化為電。同時，為人類利用新能源開辟了前景，預示著人類將要進人電氣時代。

1833年，法拉第在實驗中得出兩條電解定律，被稱為法拉第電解定律。

法拉第第一電解定律是：電解時，在電極上析出的物質的質量和通過電解液的電流強度及通電時間成正比。

法拉第第二電解定律是：一定量的電量所析出的物質的質量與該物質的化學當量成正比。

在發(fā)現電解定律的過程中，法拉第最先使用了電極、陽極、陰極、離于、陽離子、陰離子等名詞。

1843年，法拉第第一個證明了電荷守恒定律，認為電荷既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅。只能在物體內或在幾個物體之間相互轉移，電荷的代數和是守恒的。

法拉第還提出了電場、磁場、電力線、磁力線的概念，否定超距作用說，認為電力和磁力是通過電場和磁場傳遞的，并用電力線和磁力線直觀描述電場和磁場。

1845年9月，法拉第在一次實驗中發(fā)現了旋光效應，這就是著名的法拉第效應。在他用磁力線測試不同物體的磁效應時，發(fā)現透明固體和液體中的光的偏振面發(fā)生了旋轉。對此，法拉第解釋為“光線被磁化了”，這實際上是后來光的電磁說的萌芽。

上述成就是法拉第在各種自然力是統一的前提下長期探索的結果。

法拉第杰出的實驗成就奠定了電磁學的基礎，開創(chuàng)了電磁學研究的新時代。

由于法拉第沒有受過正規(guī)教育，完全靠自學走上科學道路，對數學是不精通的。雖然在實驗中發(fā)現了感生電流、電解定律、旋光效應，取得了杰出的成就，但對它們無法進行充分的數理分析和論證，以致有人說他的《電學實驗研究》是一個實驗報告匯編。

運用數學方法進一步總結當時的實驗電磁學成就，建立經典電磁學理論大廈的，是英國科學家麥克斯韋，電磁學理論創(chuàng)立人。

今天，我們生活在電波世界里，電視、廣播、通訊、雷達等，都是通過電磁波來傳播信息的。然而在上個世紀前期，人們根本不知道什么是電磁波。

有一位物理學家，從理論上總結了人類對電磁現象的認識，創(chuàng)立了電磁學理論，預見了電磁波的存在，在科學上取得了偉大的成就。他的成就可與牛頓和愛因斯坦相提并論，可是很少有人知道他的名字。

他的名字叫詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。

1831年11月13日，麥克斯韋出生在蘇格蘭古愛丁堡。恰好是這一年，法拉第發(fā)現了感生電流。

麥克斯韋的父親是一名律師，但對科學技術非常熱心，經常去聽愛丁堡皇家學會的科學講座，這對幼年的麥克斯韋有一定的影響。

麥克斯韋小時候總是提出各種各樣的問題。當他看到清晨的太陽冉冉升起時，便問“太陽為什么是紅的？”當看見樹木郁郁蔥蔥枝繁葉茂時，便問“樹木為什么朝天上長？”當看見夜晚的天空繁星閃爍時，便問“天上的星星有多少顆？”

對于兒子天真無邪的提問，父親很高興。他是一個思想開放、講究實際的人，既然兒子對自然科學感興趣，就帶著兒子一起聽科學講座，使小麥克斯韋受到了不少科學熏陶。

麥克斯韋在8歲時，母親不幸因病去世，從此和父親相依為命。10歲時，他進入愛丁堡中學學習，非常勤奮。課外，其他同學都玩去了，只有麥克斯韋一個人躲在教室里，專心致志的演算數學題。

在他13歲時，學校舉行了數學和詩歌比賽，兩科比賽的一等獎是同一個人。這個人不是別人，正是出類拔革的麥克斯韋。

14歲時，他寫了一篇數學論文——《關于橢圓曲線的作圖和多焦點橢圓曲線》，發(fā)表在《愛丁堡皇家學會學報》上，顯示了他的數學才華。他的父親為此感到非常自豪。

1847年，16歲的麥克斯韋中學畢業(yè)后，考人蘇格蘭最高學府愛丁堡大學，學習數學物理。

他的成績依然是最優(yōu)秀的。有一次，他指出一位講師的公式推導有錯誤，這位講師根本不相信，并說：“這是不可能的，如果要是你的推導對了，我就叫他麥式公式?！比欢?，講師經過仔細的驗算，證實還是自己錯了。

在愛丁堡大學，麥克斯韋又發(fā)表了兩篇論文：《關于旋輸線》、《論彈性體的平衡》，使他的數學水平進一步提高，為后來經典電磁學理論的建立打下了良好的數學基礎。

1850年，麥克斯韋考人劍橋大學三一學院。

麥克斯在這里讀了大量的科學專著。他的學習方法不是循序漸進，井井有條，而是不注意系統性。有時候，為了鉆研一個問題，往往幾個星期都目不旁顧；有時候，又見到什么讀什么，五花八門，漫無邊際。

勤奮學習和善于思考的麥克斯韋，需要名師指導，才能放出異彩。

劍橋大學著名的數學家和物理學家霍普金斯，有一天去圖書館借一部數學專著，不巧被人借走了，撲了個空；一天再去借一本數學期刊時，又被人捷足先登。

書刊沒有借到，又浪費了寶貴的時間，對于特別珍惜時間的教授來說，怎能不心煩呢。為了查找一個資料，霍普金斯便問圖書管理員，是誰借去了這本書。

“被麥克斯韋借去了?！?/p>

“這本書很深奧，學生是難以看懂的，這個學生借這本書干什么？”

霍普金斯這樣想著，強烈的好奇心驅使他來到麥克斯韋的宿舍。只見房間亂糟糟的，他要借的書攤在桌子上，另外還有幾本書橫七豎八地擺著，一個小伙子正在認真的攻讀，埋頭在摘抄，筆記本上涂得亂七八糟。

憑直覺，這不是一般的學生，將來定能有所建樹，霍普金斯高興地說：

“小伙子，無論是生活還是學習，都要有秩序，否則是難成大器的?！?/p>

就這樣，麥克斯韋幸運地得到了這位著名教授的器重，可以說是伯樂智識千里馬。

霍普金斯首先幫助麥克斯韋克服了雜亂無章的學習方法，并對他進行了嚴格的訓練，每一個選題，每步運算都要求極嚴。

麥克斯韋在名師指點下，很快掌握了當時所有先進的數學方法，并對光、熱、電、磁等各種物理問題產生了濃厚的興趣，成績優(yōu)異，在畢業(yè)學位考試中，獲得第二名。

霍普金斯為有這樣的學生而感到自豪，他說：“在我教過的所有學生中，毫無疑問，這是我遇到的最杰出的一個！”

在劍橋大學的學習過程中，麥克斯韋打下了良好的數理基礎，同時也在教授的指導下練就了嫻熟的實驗技巧，為以后的研究和用數學分析方法、總結實驗成果鋪平了道路。

1854年，麥克斯韋在劍橋大學畢業(yè)，即留校任教，開始了他的教學和科學生涯。

工作不久，麥克斯韋讀到了法拉第的名著《電學實驗研究》，立即被書中的實驗和新穎的見解吸引住了。

作為實驗大師，法拉第有許多過人之處，但是他幾乎沒有數學功底，只能用直觀的形式來表達他的創(chuàng)見。當時，“超距作用”的傳統觀念還影響很深。因此，一般的理論物理學家都瞧不起法拉第，對他的工作不以為然。

甚至有位天文學家公開宣稱：“誰要是在精確的超距作用和模糊的力線觀念之間有所遲疑，那簡直就是對牛頓的褻瀆！”

但麥克斯韋通過對法拉第著作的刻苦攻讀，相信其中包含的真理，并悟出了力線思想的寶貴價值。這位初出茅廬的青年科學家決心用數學定量表述來豐富法拉第的電磁理論。

麥克斯韋精心研究了法拉第的“力線”概念，在1885年發(fā)表了第一篇電磁學論文——《論法拉第的力線》。通過數學方法，他把電流周圍存在磁力線的特征，概括為一個矢量微分方程，導出了法拉第的結論。

這一年，法拉第告老退休，結束了30多年的電磁學研究，在科學筆記上寫下了最后一頁。而麥克斯韋以這篇論文接過了法拉第手中的熊熊火炬，開始向電磁學領域的縱深挺進。

1860年，麥克斯韋受聘于倫敦皇家學院。

在研究電和磁的關系中，以前一直認為電流產生磁場，這個電流是指傳導電流，法拉第也是這樣認為的。麥克斯韋在實驗中有了新的發(fā)現。

把兩塊中間夾著介質的金屬板，也即是電容器，接在交變電源上，介質內并不存在自由電荷，也就是沒有傳導電流，但磁場卻同樣存在。

這個磁場是怎樣產生的呢？麥克斯韋經過研究和分析，認為這里的磁場是由另一種類型的電流產生的，這種電流存在于任何電場變化的電介質中。他把這種電流稱為“位移電流”，指出在位移電流的周圍空間同樣產生磁場，這種磁場和傳導電流產生的磁場完全一樣。

1862年，麥克斯韋發(fā)表了《論物理力線》的論文。這篇論文是他在電磁學理論方面的第二篇論文，已經不再是法拉第觀點的數學翻譯了，而是有了重大的引申和發(fā)展，首創(chuàng)了“位移電流”的新概念，指出不僅變化的磁場產生電場，而且變化的電場也產生磁場。

在這篇論文中，麥克斯韋還預見了電磁波的存在。在研究電場和磁場的交相變化過程時，他認識到這種相互變化的電磁場以波的形式向空間散布，由近及遠。

他還對電磁學的定律進行了高度的概括，寫出了數學方程，導出了電磁場的能量密度和電磁波的能量密度，指出電磁波就是能量的流動過程，從而說明了電磁波的物質性。

但是麥克斯韋并沒有用實驗來證實電磁波的存在。

1864年，麥克斯韋發(fā)表他的第三篇電磁學論文《電磁場的動力學理論》。在這篇論文里，麥克斯韋方程更完備了，它導出了電場與磁場的波動方程，其波的傳播速度正好等于光的速度。這啟發(fā)他提出了光的電磁學說，指出光也是一種電磁波，只不過是一種頻率很低的電磁波，從而進一步認識了光的本質。

1873年，麥克斯韋出版了他的電磁學專著《電磁學通論》。

這部著作全面而系統地總結了電磁學研究的成果，成為電磁學的經典理論著作。這部著作的巨大意義，可與牛頓的《自然哲學數學原理》相媲美。如果說帕然哲學數學原理》是對經典力學的大綜合，成為力學發(fā)展的里程碑，那么《電磁學通論》就是對電磁學的大綜合，成為電磁學發(fā)展的里程碑。

在這部著作里，麥克斯韋以他特有的數學語言，建立了電磁學的微分方程組，揭示了電荷、電流、電場、磁場之間的普遍聯系。這個電磁學方程，就是后來以他的名字著稱的“麥克斯韋方程”。

麥克斯韋方程包括四個方面的內容：

1.法拉第感應定律；

2.描述電磁場對位移電流密度和傳導電流密度的關系；

3.相當于庫侖定律；

4.表明了除電源外，沒有其他磁場源。

在《電磁學通論》中，電磁場、電磁波、光的電磁說都具有了嚴密的理論形態(tài)與數學模型，使電磁學發(fā)展到了高峰。

這樣，一座宏偉的經典電磁學的理論大廈就由麥克斯韋建立起來了。

為了紀念他，人們把電磁單位制的磁通量單位定名為“麥克斯韋”。

真的有一種看不見、摸不著、玄而又玄的電磁波嗎？一些守舊的學者搖頭晃腦地望著天空，大加反對。

能否證明有電磁波的存在，是檢驗麥克斯韋理論的關鍵。

當人們對電和磁的理論認識處于莫衷一是的狀態(tài)時，在德國卻有人認真地從事電磁理論的研究。最先力圖證明電磁理論正確的是玻爾茲曼，但是沒有成功。不久，赫爾姆霍茨加入了這一行列，而他的學生赫茲最終攻下了電磁波這個堡壘。

赫茲于1857年2月22日生于德國漢堡，在1880年以優(yōu)異成績獲得了博士學位，隨后當了赫爾姆霍茨的助教，在老師的影響下，對電磁學進行了深入的研究。

赫茲認為，麥克斯韋的理論比各種超距作用理論更令人信服。他說：“假使在通常的體系和麥克斯韋的體系之中僅能選擇一個，那么后者無疑是占優(yōu)勢的?！庇谑?，他決心用實驗來進行檢驗。

1883年，赫茲到基爾大學任理論物理學講師。就在這一年，愛爾蘭教授菲茨杰拉德根據麥克斯韋的理論作出一個推論，就是如果麥克斯韋的理論正確，那么萊頓瓶在振蕩放電時，即可產生電磁波。

那么，如何測出電磁波呢？

1885年，赫茲被聘為卡爾斯魯厄工業(yè)學校的物理學教授，即開始了后來使他名垂史冊的電磁學實驗。經過反復實驗，赫茲在1886年秋發(fā)明了一種電波環(huán)。他把一根粗銅線彎成圓環(huán)狀，環(huán)的兩端分別連著金屬小球。這是一個十分簡單但卻非常有效的電磁波檢測器。

1888年，赫茲終于發(fā)現了人們所懷疑的電磁波。

赫茲在兩塊正方形鋅板的邊緣中心，各接一根鋼棒，然后使兩根銅棒相隔一定距離并彼此絕緣而組成一個振蕩器。在暗室中將電波環(huán)放置在距振蕩器10米處。

實驗時，將感應圈的高壓電引至振蕩器的兩根銅棒上，使兩銅棒間產生電火花，由此而輻射電磁波。

歷史性的時刻到來了！

電波環(huán)的兩個小球間閃現了電火花，這正是振蕩器輻射的電磁波！

緊接著，赫茲進一步用實驗證實了電磁波可以反射、折射、產生駐波，并測定了電磁波的傳播速度。

赫茲在一間大而暗的教室墻上，安置了一塊金屬板。根據波動理論，如果電磁波能被反射，則反射波和人射波疊加應產生駐波。赫茲在金屬板的對面放置有感應圈的振蕩器，證實了振蕩器發(fā)射的電磁波和金屬板反射的電磁波疊加形成駐波。

赫茲還測定了電磁波的波長，計算出電磁波的傳播速度，這個速度和光速的實驗測定值非常接近，再次肯定了電磁波是以光速傳播的。

他還用一塊有孔的屏阻擋電波，使電波產生衍射；將電波通過一塊大的瀝青棱鏡，證明電波像光波一樣的折射，等等。

這些實驗令人信服的地證明了電磁波是存在的，而且電磁波和光是統一的，有力地支持了麥克斯韋的電磁理論。

赫茲的實驗轟動了全世界的科學界。這樣，由法拉第開創(chuàng)，麥克斯韋總結的電磁理論，至此才取得了決定性的勝利！有趣的是，赫茲發(fā)現電磁波時和麥克斯韋預見電磁波時年齡一樣大，都是31歲。然而麥克斯韋無法見到這一天了，但是，他的遺愿終于實現了。

電磁波的發(fā)現對人類產生了巨大的影響。6年后，意大利的馬可尼、俄國的波波夫實現了無線電傳播，其他無線電技術如無線電報、無線電話、電視、雷達、衛(wèi)星通信等等，像雨后春筍般涌現出來了。

法拉第、麥克斯韋、赫茲將名垂千古！

在電磁理論逐漸完善的同時，技術發(fā)明也一個接一個地實現了。

19世紀電學的發(fā)明主要有電動機、發(fā)電機、電報、電話、電照明等，這些發(fā)明導致了第二次技術革命，從而使人類進人電氣時代。

在電機史上，電動機的誕生比發(fā)電機早。

電磁效應和安培定則，揭示了電和磁的相互作用能產生機械運用，奠定了電動機的理論基礎。

1821年，法拉第試制出了一種將電能轉化為磁能再轉化為機械能的實驗裝置，這就是最初的直流電動機。

英國電學家斯特金通過實驗，將電能轉化為磁能，在1823年發(fā)明了電磁鐵。

1831年，美國電學家亨利以伏打電池為電源，并引用了電磁鐵，試制出一臺電動機模型，產生的動能比法拉第的裝置要大，向實用電動機的發(fā)展邁進了一步。

但是早期的電動機使用的電源是伏打電池，提供的電流有限，功率極其微弱，沒有什么實際意義。因此，必須尋找強大的電源，才能產生更大的動能。這樣，電動機的試制推動了發(fā)電機的試制。

世界上第一臺發(fā)電機是由法國的皮克西制成的。

皮克西是法國電學工程師，1832年成功地試制出一臺手搖永久磁鐵旋轉式發(fā)電機。這臺發(fā)電機的線圈是固定的，它運用手輪轉動形磁鐵，使磁鐵相對于線圈運動。在這臺發(fā)電機中，裝上了最初的換向器，把發(fā)電機產生的交流電變?yōu)楣I(yè)生產所需要的直流電。

但這臺永磁式電機設備笨重，又要用手搖，從而難以提高轉速，輸出的電壓很低，實用價值不大。

1834年，俄國科學家雅科比制成一臺回轉運動的直流電動機。雅科比不用永久磁鐵，而用幾個磁性很強的電磁鐵來產生磁場，他設計的換向器可看做近代換向器的胚芽。

為了試驗這臺電動機，雅科比把它裝在輪船上，制成了第一艘電動輪船，在涅瓦河上航行。由于電源沒有保證，成本高，不能和蒸汽輪船匹敵。但是雅科比電動機由實驗模型走向了實用，并進一步促使發(fā)電機的試制。

1834年，英國的克拉克試制成功了實驗室使用的直流發(fā)電機。該機產生的電壓高于一般電池組，還配制了各種線圈，以供需要不同電流時使用。

1854年，丹麥的喬爾塞在發(fā)電機中不但裝有永磁鐵，還加裝了電磁鐵，試制成功了一種永磁鐵和電磁鐵混合激磁的混激式發(fā)電機，功率有明顯的提高。

后來，人們發(fā)明了自激式發(fā)電機，利用發(fā)電機本身的電勢來產生激磁電流，從而使發(fā)電機的制造進入了一個新的階段。對自激式發(fā)電機做出卓越貢獻的是文爾德和西門子。

1863年，發(fā)電機制造家文爾德制成了自激式發(fā)電機，取得了英國專利，而亨有盛名。這種發(fā)電機用電機運轉過程的電磁鐵代替永久磁鐵，并運用自激原理，產生較強的電流。

文爾德在向英國皇家學會遞交的論文《新的大功率發(fā)電機》中，指出一個無限小的電流或磁力能夠產生一個無限大的電流，對自激原理有了清楚的認識。

文爾德接著申請自激原理的專利，他在申請書中說，自激磁場依賴于原來磁場系統的剩磁。這就是說，原來磁極中存在著剩磁，它產生的磁場可在轉子電樞中感應出電勢，這個電勢又可給激磁繞組供應激磁電流，所以稱為激磁。

1867年，德國發(fā)明家西門子利用自激原理，制成了比較完善的發(fā)電機。

維納·西門子，于1816年12月13日出生在德國漢諾威，祖輩是世代耕種土地的貧困佃農，由于家庭極其困難，無力繼續(xù)接受高等教育，便考進了既不花錢又可求學的柏林炮兵軍事學校。

德國在19世紀初就不斷進行戰(zhàn)爭，于是大力發(fā)展軍事教育。西門子接受了比較良好的工程技術訓練，具有一定的科學素養(yǎng)和科研能力。

西門子在炮兵學校畢業(yè)后，成為炮兵少尉，可是不久違反了軍紀而入獄。就在坐牢期間，他發(fā)明了電鍍法，成功地實現了金屬器皿的電鍍，當同伴拿著他制作的鍍金的金鑰匙時，簡直不敢相信是出自這位炮兵少尉之手。

西門子兄弟四人都是出色的發(fā)明家，老大是維納，老二是威廉，老三是弗里德里希，老小是卡爾。

維納出獄后，轉到火花制造隊。1847年，他退役后和機械工哈爾斯克一起開辦了一個小電信機工廠。這時候弟弟卡爾已成為實業(yè)家，幫助兄長成立了西門子公司，以生產電器設備為主，并建立了科研實驗室。

西門子發(fā)明電鍍時，使用的電源是伏打電池，但功率甚低，隨后改為永磁鐵發(fā)電機，不久又改用電磁鐵發(fā)電機。在這個過程中，西門子著手研制功率更大的發(fā)電機。

1866年，維納向柏林科學院遞交一篇論文，闡述他的發(fā)電機自激原理。1867年初，其弟卡爾把他的論文內容告訴了英國皇家學會，并展示了自激發(fā)電機模型而公諸于世。

西門子發(fā)電機用強有力的電磁代替?zhèn)鹘y的永久磁鐵，并用發(fā)電機本身產生的一部分電向電磁鐵供應，使電磁鐵得到一種自饋電流，從而大大加強電磁鐵的磁場，最終進一步提高了發(fā)電機的功率。

西門子發(fā)電機在技術史上的地位相當于瓦特的蒸汽機，發(fā)電機和內燃機共同導致以電為標志的第二次工業(yè)革命，具有劃時代的偉大意義。

從發(fā)電機的發(fā)明開始到西門子發(fā)電機的出現，為人類利用能源開辟了道路，以電為基礎的新的技術發(fā)明不斷出現，電報、電話、電燈、電影等應運而生。

古希臘人馬拉松跑了幾十公里把希波戰(zhàn)爭的消息傳到雅典，這是現代馬拉松長跑的起源。隨著生產的發(fā)展，貿易交往的增加，金融情報及各種情報需要迅速的傳播，古代長跑的方式已不能滿足需要了，就是利用蒸汽機車和輪船也遠遠不夠。

當電登上歷史舞臺的時候，立即引起人們的注意，各種原始電報相繼出現。

當奧斯特發(fā)現電流可以影響磁針偏轉后，1820年，安培用26根導線連結發(fā)與收兩端各26個相對應的英文字母，試制出了一種以電磁感應為基礎的磁針電報裝置。

1833年，德國數學家高斯和青年電學家韋伯在哥丁根建立了一個電報系統，它在相距為8000英尺的實驗室和天文觀測站之間建立了電信系統。

真正使電報成為一種實用通訊設備的，是美國畫家莫爾斯。

一個外行的畫家怎么能是電報機的發(fā)明人呢？

1832年10月，莫爾斯乘坐“薩利”號郵輪從歐洲回國。當時從巴黎電學討論會歸來的青年醫(yī)生杰克遜也在這一條船上，他大談安培電學的新發(fā)現，深深地吸引了莫爾斯。

莫爾斯回國后，就放棄了繪畫，潛心研究電報，此時已經41歲。對于這般年紀的人，要丟掉熟悉的美術，從零開始鉆研電學，此中艱辛，難以想象。

在研制電報的過程中，莫爾斯拜美國大電學家亨利為師，學習f必要的理論基礎和技術基礎。經過幾年的探索，在1837年，莫爾斯發(fā)明了一套用點、劃組成的著名的“莫爾斯電碼”。

1844年5月24日，莫爾斯用一連串的點、劃成功地發(fā)出了電文，實現了第一次通話。當年，莫爾斯在美國政府的資助下，建成了華盛頓到巴爾的摩之間的世界上第一條有線電報線路。后來，他的發(fā)明又被應用于鐵路通訊，并在海底鋪設電纜，進行環(huán)球通訊。

1895年，意大利物理學家馬可尼又發(fā)明了無線電報。

電報的發(fā)明是人類通訊史上的一次革命。

當莫爾斯電報廣泛應用，成為一種新興的通信工具時，人們就想“既然電流能夠傳遞電波信號，為什么不能傳播音波信號呢？”如果用電纜直接通話，那該多方便??！

1876年，美國的貝爾首先發(fā)明了電話。

貝爾和麥克斯韋是同鄉(xiāng)，1847年生于英國愛丁堡的一個聲學世家，大學時學習聲學，畢業(yè)后當聾啞學校的教師。由于專業(yè)的原因，他研究過聽和說的生理功能，并潛心研究傳送聲音的“音樂電報”。

1869年，貝爾受聘為美國波士頓大學的聲學教授，教學之余，仍進行電話研究。

在研究中，貝爾認識到，要把聲音傳送出去，必須先在送話一端將聲音信號變成電信號，然后再在受話的一端將電信號變成聲音信號。

怎樣實現這個轉換呢？

貝爾曾看到電報中，應用了能夠把電信號和機械運動相互轉化的電磁鐵，受到很大啟發(fā)。于是開始設計制造磁式電話。

他最初把音叉放在帶芯的線圈前，音叉振動引起鐵芯作相應運動產生感應電流，電流信號傳到導線另一頭作相反轉換，變做聲信號。

隨后，貝爾又把音叉改換成能夠隨著聲音振動的金屬片，把鐵芯改做磁棒，經過反復實驗，制成了實用的電話。

1876年2月14日，貝爾向政府提出了電話專利的申請。幾個小時后，美國的另一名電技工程師戈雷也提出了電話專利申請。但戈雷電話的送話器和受話器不在一個裝置中，使用時不如貝爾電話方便，加上時間在后，美國最高法院把電話的發(fā)明專利權判給了貝爾。

1881年，貝爾在美國建立了第一家著名的貝爾電話公司。1884年，波士頓和紐約之間架設了第一條長途電話線路。電話的發(fā)明是人類通訊史的又一次革命。

電報和電話被發(fā)明后，另一項影響最大的發(fā)明，就是電燈了。

電燈是美國的“發(fā)明大王”愛迪生在1879年發(fā)明的。從此，白熾電燈驅走了暗夜，使人類第一次真正看到了電能的光輝。

很久以來，人類一直使用約略看見東西的微弱火光來照明，直到1800年意大利人伏打發(fā)明電池才有變化。

把電轉化為光用作照明，是從英國科學家戴維開始的。他用2000組伏打電池為電源，發(fā)明了電弧燈。但電弧燈價格昂貴，光線太強，不適宜普通照明。

當發(fā)電機問世，并能生產大量電流時，不久，愛迪生就發(fā)明了白熾電燈。

1847年2月11日，愛迪生出生在美國俄亥俄州的米蘭市，自幼身體瘦弱，不愛說話，但極富幻想，愛動腦筋思考問題，對周圍的一切事物都充滿好奇心。在他5歲那一年，當看到母雞孵小雞時，也異想天開地蹲在雞窩里孵起小雞來。

父母到處在找小愛迪生，終于在雞窩里找到了他。

“你跑到雞窩里蹲著干什么？”

“我在孵小雞呀?！?/p>

“傻瓜，你怎么能孵出小雞呢！”說著就把他拉了起來。

“母雞能孵出小雞，我為什么不能呢？”

就這樣，愛迪生什么事都想問，什么事都要于。

7歲時，愛迪生上學了。

他仍然是尋根求源，問一些與書本無關的問題，而且還打破砂鍋問到底。他的老師無法回答，便罵他是個小傻瓜，并用木板進行體罰。

愛迪生的母親曾做過教師，懂得教育方法，對老師的做法很不滿，便一氣之下讓他退了學，決定自己教他。愛迪生接受學校的教育只有3個月，從此再沒有受過正規(guī)教育。

愛迪生一邊在父親的木工廠做工，一邊在母親的教育下讀書寫字。

12歲時，由于家庭經濟困難，愛迪生便到火車上當報童，一邊賣報，一邊自學，閱讀了很多書籍，對化學和電學非常感興趣。

他利用積攢的錢，買了一些化學藥品，在火車上的吸煙室搞了個小實驗室，做著各種有趣的實驗。在15歲時，由于火車的震動，把實驗室的一瓶磷震倒了，磷遇空氣立即燃燒起來，引起一場大火，幸虧車上的搶救及時才沒有闖下大禍。

車長惱羞成怒，狠狠地打了他一個耳光。愛迪生的右耳膜被震破，從此右耳就聾了。

愛迪生的化學實驗做不成了，但是卻意外地得到一個學習電學的機會。就在這年8月的一天，愛迪生正在一個小站上賣報，忽然看見一個小孩在鐵軌旁玩石子，而一列火車正飛馳而來。愛迪生迅速沖向鐵軌，救出小孩，與此同時，火車呼嘯而過，愛迪生摔倒在鐵軌旁，小孩得救了，而他的臉和手卻被劃破了。

小孩的父親是這個站的站長，親眼目睹了這一驚人場面，感動萬分，以教愛迪生收發(fā)報技術作為回報。

對電學非常感興趣的愛迪生，十分珍惜這一難得的學習機會，勤學苦練，在3個多月的時間里，就熟悉地掌握了收發(fā)電報的技術，并在那位站長的推薦下，當上了火車站的報務員。

在當報務員時，愛迪生即用自己掌握的理論知識和技術經驗，對單路電報進行改革，1869年，發(fā)明了可以在同一線路上同時發(fā)送兩路電報的雙重發(fā)報機。此時，他才22歲。

緊接著，愛迪生發(fā)明了一種商情自動報價機，報酬是40000美金。他用這些錢開了一家工廠，一心一意地從事發(fā)明工作。

1876年，愛迪生發(fā)明了留聲機。美國各大報紙都以醒目的標題刊登了這條驚人的新聞：今日最大發(fā)明——一個會說話的機器。

留聲機的發(fā)明，為愛迪生贏得了巨大的聲譽。

愛迪生沒有停留在榮譽面前，繼續(xù)沿著他的發(fā)明道路不斷前進。

當時家庭照明普遍采用煤油燈或煤氣燈。這些燈，光線雖柔和，但是亮度低，燃燒時有黑煙，還要添燃料擦燈罩?；」鉄綦m然亮度高，但光線太強，人眼不能直接看它，不適合家庭使用。

愛迪生陷入了沉思：怎樣使弧光燈的刺眼強光變得柔和呢？

英國人戴維曾發(fā)現，當電流通過較細的白金絲時，白金絲會發(fā)出微弱的光來，但白金絲在空氣中很快就燒掉了。

但這微弱的光亮，使愛迪生看到了前進的方向。

愛迪生進行了大量的分析研究，夜以繼日地工作，有時候甚至幾天不合眼，實在困了，就趴在書上打個盹。以致有人說：“愛迪生知識如此豐富，原來他連睡覺的時候都在吸收書里的營養(yǎng)?！?/p>

通過不斷的研究和實驗，愛迪生認為，必須解決兩個問題。一是玻璃泡里的空氣問題，白金絲被燒掉，是空氣里的氧氣搗的鬼，空氣是發(fā)明電燈的大敵，因此，必須把玻璃泡里的空氣抽成真空。

二是改進燈絲，尋找一種耐高溫的導體材料。

對于第一個問題，相對來說比較容易解決，因為在1875年，英國化學家克魯克斯發(fā)明過一種既迅速又經濟的真空技術。

第二個問題是難以解決的。究竟用什么材料來做燈絲呢？愛迪生紋盡腦汁，煞費苦心。他先后試驗了1600種礦物和金屬耐熱材料，結果都失敗了。

1879年10月1日，愛迪生在《科學的美國人》雜志上看到了英國電技工程師斯旺用碳絲做燈絲的報道，便開始研制碳絲燈泡。

在經過種種困難之后，愛迪生終于把一根棉線燒成碳絲，小心翼翼地裝進燈泡里，抽出燈泡里的空氣，然后把抽氣口密封起來。

當給燈泡接通電流時，奇跡出現了，燈絲放射出了奪目的光輝。

這一天是1870年10月21日。

這是一個永遠值得紀念的日子！

愛迪生和他的助手日夜用全部心血澆灌的電燈，終于放出了明亮的光芒。他們高興得又蹦又跳，并一直守護在燈旁，細致地觀察著。世界上第一盞白熾燈亮了45個小時。

愛迪生又制出了幾個碳絲燈，亮的時間也沒有延長多少，這就要繼續(xù)尋找高質量的燈絲。

愛迪生先后試用了6000多種植物纖維，發(fā)現用一種日本產竹子的碳化纖維做成的燈絲，壽命長達1200小時。于是，他派人到東方收購竹料，大批量生產白熾電燈。

1882年，愛迪生在紐約建立了一個發(fā)電站，架起了相應的電力輸送網，推廣使用他的白熾電燈。

后來，人們對愛迪生的燈泡加以改良，用鎢絲做燈絲，并在燈泡內注人一種不與鎢絲起化學反應的惰性氣體，大大延長了燈泡的壽命。這就是我們一直使用的電燈泡。

愛迪生在發(fā)明電燈后，又不斷地努力，發(fā)明了蓄電池、電影等。有人統計，愛迪生一生中的發(fā)明，在專利局正式登記的有1300種，這個成就是世界上任何人都無可比擬的。

人們稱愛迪生為發(fā)明大王，非常稱贊他的天才。愛迪生說：“所謂天才，那是假話，艱苦的工作才是實在的?！薄疤觳挪贿^是百分之一的靈感，加上百分之九十九的汗水?！?/p>

來源：物理小識、物理思辨與創(chuàng)新

原文標題：［圖文版］一文讀懂電磁學發(fā)展史

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責任編輯：haq