對靜電和磁的研究

英國科學家吉爾伯特（William　Gilbert，1544—1603）最先對磁的現象和摩擦起電現象進行了係統的研究，獲得了許多重要的發現。他把研究成果總結在1600年出版的《磁石》一書中。另一位較早從事磁和靜電研究的學者是意大利道德神學和數學教授卡比奧（Nicolo　Cabeo，1585—1650）。他於1629年出版了《磁學哲學》，發現了電荷的排斥現象和用鐵屑顯示磁場的方法。

曾長期擔任德國馬德堡市市長的蓋裏克（Otto　Von　Guericke，1602—1686）在1672年出版的《馬德堡新實驗》一書中，介紹了他發明的摩擦起電機。該儀器雖然十分簡陋，但卻是人類製造的第一台起電器。在此後的100多年中許多研究者對摩擦起電機進行了逐步改進。摩擦起電機，為實驗研究提供了電源，對電學的發展起了重要作用。英國天文觀測工作者格雷（StePhen　Groy，約1666—1736）利用它發現了電的傳導性。1733年，法國科學家迪費（Charles　Dufay，1698—1739）在論文《論電》中，提出電有玻璃電和樹脂電兩類。他所說的玻璃電就是用絲綢摩擦玻璃璃管時玻璃管上所帶的電，也即我們今天所說的正電；他所說的樹脂電則是用毛皮和樹脂摩擦時樹脂所帶的電，也即負電。1736年，英國皇家學會會員德薩古利（J.T.Oesaguliers，1683—1744）進一步把物質分為兩大類：“可帶電體”和“不可帶電體”，也即我們今天所說的導體和絕緣體。

早期靜電學史上另一個重大事件是萊頓瓶的出現。荷蘭萊頓大學教授穆欣布羅克（P.V.Musshenbrock，1692—1761）鑒於帶電體所帶的電在空氣中會逐漸消失，想找到保存電的方法。他試圖使玻璃裏的水帶電，在一次實驗中受到了強烈的電擊。法國電學家諾勒（J.A.No1let，1700—1770）了解到這一事件後，重複了穆欣布羅克的實驗，並做出了改進。1746年4月，他在法國科學院的會議上演示了萊頓瓶的實驗。他還讓法國國王的180個衛兵手拉手，讓萊頓瓶通過他們放電，使他們同時受到電擊而跳起。由於諾勒的宣傳，萊頓瓶不僅很快在科學界傳開，而且在歐洲和美洲市民中成為風靡一時的新奇玩意兒，以至於有些人竟以此為業到處表演，為電學知識的普及和傳播起了很好的作用。科學家對萊頓瓶放電的研究，產生了電路的概念和電沿最短路徑走的概念，並進一步提出了“電以太”的假說，這些都標誌著人們對電的認識開始從現象深入到本質。

電流的發現

意大利醫生伽伐尼門（1737—1798）從1780年開始利用蛙腿做動物電的實驗。他當然已知道給蛙腿通電會引起肌肉**。有一次，他的助手把解剖刀輕輕觸到蛙腿時，蛙腿抽搐了一下，起電機上有火花出現。他當時認為，這是由放電引起的。但當時他把連接著蛙腿的銅鉤子掛到院外的鐵欄上，想觀察雷雨天的放電能否引起蛙腿收縮，結果蛙腿同樣抽搐了一下，而且他發現，即便是晴天，隻要銅鉤一接觸鐵欄，蛙腿就會產生**。這實際上是發現了兩種不同金屬接觸時就會產生的電流，它是由兩種金屬表麵不同的電子逸出功所產生的接觸電勢差造成的。伽伐尼於1791年發表了《論肌肉運動中的電作用》一文。他當時並沒有認識到電流產生的真正機製，他以為電存在於蛙腿之中，在和不同金屬接觸後釋放出來。

他的文章引起了另一個意大利人伏特（1745—1827）的注意。伏特當時已經知道德國人用相互連接起來的兩根金屬絲的兩端同時接觸舌頭時，會嚐到苦味。他用舌頭含著一塊金幣和銀幣，當用一根導線把它們連接起來時，就同樣感到了苦味。當伽伐尼的文章發表後，伏特用各種金屬做這類實驗，最後認識到：金屑的接觸是產生電流的真正原因（當兩塊相同的金屬接觸時，隻有在它們的溫度不同時才會產生電流，稱為溫差電效應；但當不同的金屑接觸時，在相同溫度下亦會產生電流，這是由於接觸電勢差造成的）。伏特根據他的發現製成了用鋅板和銅板作為兩極的伏特電堆，這是最早的能提供穩定直流電的電池。這一發明為19世紀電學的實驗和發展提供了最重要的工具，由於這一發現和發明，伏特的名字成為電勢（電壓）的基本單位，還被法國皇帝拿破侖邀請到法國講學。

電動力學的誕生——從奧斯特到麥克斯韋

對靜電的研究和電流的發現，導致了電學方麵的一場科學革命。1800年，丹麥哥本哈根大學的奧斯特教授（1777—1851）在做物理實驗時偶然發現：電流通過鉑絲時，鉑絲下羅盤的磁針會發生偏轉，從而揭示了兩個自然界的秘密；（1）自然界存在能引起偏轉作用的力，這是動電對磁的作用，它不是沿直線作用的，而引力、磁力和靜電力的作用都是在直線上發生的。（2）電現象可以轉化為磁現象，這是動電和磁的作用。從這裏出發，人們開始認識宇宙間的第二種相互作用——電磁相互作用。

更重大的發現接踵而來。英國大化學家戴維的助手法拉第（M.Faraday，1791—1867）自1822年以來一直思考和嚐試著把磁轉化成電的設想。奧斯特發現電可以產生磁，他則試圖用磁產生電。1831年，他終於在實驗中發現：當原線圈中的電流接通或斷開的瞬間，連接的次級線圈中會產生電流。他在反複實驗中認識到：當閉合電路的磁通量發生變化時，線路裏就會產生感生電流，感生電動勢的大小與閉合線路中磁通量的變化率成正比。法拉第還引入了力線的概念以說明電磁場的作用方式。電磁感應定律的發現，為發電機和電動機的製造奠定了理論基礎。

電磁學理論的集大成者是英國人麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879）。麥克斯韋就出生於法拉第發現電磁感應的當年，而且很小就有“數學神童”的稱號，中學時代已顯示出他的數學天才，先後兩次在皇家學會發表由成人代為宣讀的論文。25歲時擔任馬利斯查爾學院的自然哲學講座教授。他在劍橋大學學習時就十分推崇法拉第的科學思想，並於1855年發表了他的首篇論文《法拉第力線》，用數學語言來解釋法拉第的新思想，法拉第很是欣賞並且鼓勵他大膽突破。麥克斯韋於1862年首先用區別於傳導電流的“位移電流”的概念取代了法拉第“電介質極化”的概念。這一新概念的核心就是變化的電場與感生磁場之間的轉換。1864—1865年，他運用矢量分析的手段，並根據庫侖定律、安培定律、電磁感應定律等經驗定律，得出了真空中的電磁場方程組。這一方程組把磁場的變化率和電場的空間分布以及電場的變化串和磁場的空間分布聯係起來。從麥克斯韋方程組推導出，在能夠產生介質位移的媒質中可以產生周期性位移波。這些波的傳播速度與光波相等。這使得他產生了這樣的設想，即分別起著光和電磁波運載者作用的兩種共存媒質，實際上是同一種媒質。因此，光的電磁理論的基本原理可表述為：光是自動傳播的電磁強度平衡的周期性擾動。麥克斯韋於1873年在他的重要著作《論電和磁》一書中闡述了上述思想，引起了一場轟動和廣泛的爭論。

在麥克斯韋辭世9年後的1888年，德國物理學家赫茲（H.R.Hertz，1857—1894）用實驗有效地證明了電磁理論的真實性。如果說麥克斯韋以其1873年出版的劃時代著作《論電和磁》實現了物理學史上的第二次大綜合，從而使經典物理學大廈最終確立，那麽著名的赫茲實驗則使麥克斯韋理論獲得了決定性的勝利，電磁學理論不僅正式確立，而且也為電力革命奠定了科學實驗的基礎。