物理學(xué)發(fā)展札記-電學(xué)部分

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司南是我國指南針的最初形式，它是我國古代人民四大發(fā)明之一。最早的記載是在公元前3世紀(jì)戰(zhàn)國末年《韓非子·有度》中，記有：“故先王立司南，以端朝夕。”“司南”就是指南器，“端朝夕”就是正四方的意思?！豆砉茸印ぶ\篇》里也有“鄭子取玉，必載司南，為其不惑也”的記載?！盀槠洳换蟆奔词菫榱瞬幻允Х较虻囊馑肌|漢的王充在著作中作了較具體的描述：“司南之杓，投之于地，其柢指南?！蔽闹械摹拌肌笔巧鬃?，“地”是中央光滑的地盤，“柢”是勺的長柄。我國科學(xué)史家王振鐸根據(jù)古籍的記載，發(fā)掘古墓的結(jié)果，復(fù)原出古代司南的原型。它是用天然磁石琢制成勺形的指南儀器，其形狀像家用的湯匙，底部呈球形；地盤是用青銅制成的，中央光滑，由磁石琢成的司南在光滑的地盤上可以比較自由地轉(zhuǎn)動；地盤的四周刻著“八干”（甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸）、“十二支”（子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥）和“四維”（乾、坤、巽、艮），共24向。實際上，司南和地盤接觸時，摩擦較大，效果不佳，應(yīng)用受到影響。后來便發(fā)明了指南魚。在曾公亮主編的《武經(jīng)總要》前集卷十五中就記載有指南魚的制作方法及其應(yīng)用。根據(jù)記述，可以發(fā)現(xiàn)指南魚是用人工磁鐵做成的，而人工磁鐵是利用地磁場進(jìn)行人工磁化的，指南魚放在水面上，轉(zhuǎn)動時的摩擦比司南與青銅地盤之間的摩擦要小得多。北宋時期的沈括（1031—1095）在《夢溪筆談》中就有不少關(guān)于靜磁現(xiàn)象和指南針的記載。該書卷二十四《雜志一》中記有：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。水浮多蕩搖，指爪及碗唇上皆可為之，運轉(zhuǎn)尤速，但堅滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新纊中獨繭縷，以芥子許蠟，綴于針腰，無風(fēng)處懸之，則針常指南?！边@段記載首先指出存在著地磁偏角（“常微偏東，不全南”），也就是說發(fā)現(xiàn)并測定了地磁子午線和地理子午線之間的夾角。接著講了指南針的4種裝置方法，即浮在水面、放在指甲上或碗唇沿上，同時指出這3種方法的不足之處，接著詳細(xì)記述了第4種用繭絲懸掛的辦法，并認(rèn)為這是一種最好的裝置方法。【吉爾伯特和《磁學(xué)》】吉爾伯特（WilliamGilbert，1544.5.24—1603.12.10）是英國物理學(xué)家，也是一位醫(yī)生。在物理學(xué)上的貢獻(xiàn)主要是研究磁的性質(zhì)，并提出地球的作用好像是一個大磁體的理論。1600年，吉爾伯特發(fā)表了題為《磁體、磁性物質(zhì)和地球大磁體的新科學(xué)》的著作，詳細(xì)地敘述了磁石的吸引和排斥、指向南北的性質(zhì)、磁偏角和磁傾角等。明確指出，磁石具有天然的兩極，一個北極，一個南極，它們是磁石中的兩個確定點，是一切運動和效應(yīng)的發(fā)端。同時又指出，磁石的力不是從數(shù)學(xué)上所謂的點發(fā)出的，而是從磁石各部分本身發(fā)出的。這些部分靠極越近，則所具的力越強，而施加于其他物體的力也越大。吉爾伯特認(rèn)為，磁石指向南北的原因是地球本身，地球就是一個大磁石。為了證明這一思想，他用天然磁石加工成球形，模擬地球，并將許多小磁針放在上面，它們的指向與在地面上不同位置的指南針的指向相仿。他又提出，如果把磁針排列的方向用粉筆畫在球形磁石上，就會形成一些子午圈，它們會聚到磁石上兩個相反的端點，這就是“磁極”。吉爾伯特還研究了天然磁石的吸引力與琥珀吸引力的區(qū)別，并首先提出“電”、“電力”、“電吸引”等概念，并對電力和磁力作了比較。他認(rèn)為，磁石總能吸引磁體（或鐵），而琥珀要摩擦后才能吸引物體；磁石有兩個區(qū)域吸引磁體（或鐵），而琥珀摩擦后吸引物體時總是朝著一個中心區(qū)域。

【富蘭克林和風(fēng)箏實驗】富蘭克林（BenjaminFranklin，1706.1.17—1790.4.17）是美國的科學(xué)家，他對電學(xué)研究很感興趣，提出了電的單流體學(xué)說，為我們留下了正電、負(fù)電這兩個名稱。而影響更大的還是他做的風(fēng)箏實驗。1752年10月16日富蘭克林給倫敦友人柯林先生的信中描述了這一著名的實驗。信中這樣寫道：“用兩根輕便的杉木條做一個十字架，架的四支桿須能伸到一張鋪開的大而薄的絲綢手帕的四角，將手帕各角扎在枝桿端上，形成一個風(fēng)箏本體，再加上尾巴、環(huán)和線，就可以飛向天空，如同紙質(zhì)風(fēng)箏一樣，不過因為這一風(fēng)箏是用綢做成的，所以它能經(jīng)受住雷雨的風(fēng)吹雨打，而不致于被撕裂。在上枝桿末端安裝一根伸出木桿之外約一英尺的尖端金屬絲，在手與麻繩之間系上一根絲帶，再在繩與帶連接處安裝一個栓。這種綢風(fēng)箏應(yīng)該在雷雨將來臨時升上天空，牽線的人必須站在門內(nèi)或窗內(nèi)，或者在有遮蔽的地方，以免絲帶受濕。還需注意，不能讓麻繩觸及門框或窗框。一旦絲綢風(fēng)箏的上空出現(xiàn)雷雨，那根尖端金屬絲就會從那里取得電火，于是這一風(fēng)箏連同麻繩都帶電了，麻繩上未捆緊的纖維都向各方突出，用手指接近時，它們就受到吸引。當(dāng)風(fēng)箏和麻繩全被淋濕時，它便能自由傳導(dǎo)電火，倘若你將手指接近它，電火將從栓子大量涌出。你可以在栓上安放一個小玻璃瓶來充電。這樣獲得的電火可以點燃酒精，可以用來進(jìn)行所有其他的電實驗，這些實驗也可以用摩擦過的玻璃球或玻璃管來做。帶著閃電的物體和帶電的物體之間相同之處完全顯示出來了?！边@一實驗充分證明，“天電”與摩擦產(chǎn)生的電之間沒有區(qū)別，是同一種物理現(xiàn)象。【諾雷脫和萊頓瓶】諾雷脫（JeanAntoineNollet，1700.11.19—1770.4.24）是法國物理學(xué)家，主要研究靜電現(xiàn)象。1746年，諾雷脫發(fā)表了論文“某些新的電現(xiàn)象的觀察”，其中就敘述了萊頓瓶的發(fā)明經(jīng)過。文章中引了萊頓大學(xué)物理學(xué)教授莫興布羅克（PietervanMusschenbroek，1692—1761）的一封信，信中描述了實驗情況：用兩根蘭色的絲線吊起一個槍筒，一端附近放一個玻璃球，并使其繞軸轉(zhuǎn)動，同時用手在它上面摩擦，并使所起的電傳到整個槍筒。在槍筒的另一端隨便吊著一根銅絲，銅絲末端插入一個盛有一部分水的長頸玻璃瓶。用右手摸該瓶，用左手吸引來自帶電槍筒的火花。忽然間，右手遭到了猛擊，全身好像觸了電擊一樣。玻璃瓶雖然很薄，可是沒有破裂，手也沒有因此而移位，但是手膀和全身都有一種說不出苦的感覺。這一實驗結(jié)果，引起了很多人的興趣，轟動了3個月。諾雷脫重復(fù)了這樣的實驗，他發(fā)現(xiàn)任何玻璃儀器，只要是很干燥的，都可以獲得這樣的實驗結(jié)果。【庫侖和扭秤實驗】庫侖（Charles-AugustindeCoulomb，1736.6.14—1806.8.23）是法國工程師、物理學(xué)家。對物理學(xué)的主要貢獻(xiàn)是測定電力，建立庫侖定律。庫侖在1785年給法國科學(xué)院的“電力定律”論文中寫道：“根據(jù)金屬絲扭力的反作用與其扭角成正比的性質(zhì)而制成的扭秤，用該秤對同性帶電體相斥定律的實驗進(jìn)行測定?！蓖瑫r表示“將根據(jù)同一原理制造的電秤奉呈科學(xué)院，無論物體帶電如何微弱，該秤都能非常精確地量度一物體的狀態(tài)和電力?！睅靵鲋圃斓碾姵拥臉?gòu)造是：在一個直徑和高度均為12英寸的玻璃圓筒上，蓋一塊直徑為13英寸的玻璃板，板的正中鉆有一孔，并裝上高為24英寸的玻璃管，管子上端裝有扭轉(zhuǎn)測微計。端部中間有一只夾子，夾持一根極細(xì)的銀絲，銀絲連著一根浸過西班牙蠟的麥桿，桿的一端有一小木髓球，另一端貼一小紙片與之平衡，使麥桿呈水平位置，這一部分都裝在玻璃筒內(nèi)。在玻璃蓋板上另開有側(cè)孔，孔內(nèi)放入另一只小木髓球，它可以與麥桿上的小木髓球接觸。這樣，只要使側(cè)孔處的小木髓球帶電，然后與麥桿上的另一只小木髓球接觸，兩只小球就帶同種電荷，相互排斥而分開，銀絲就呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。多次實驗結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)角的大小與扭力成正比，由實驗數(shù)據(jù)可知，斥力的大小與距離的平方成反比。為了測量異種電荷間的引力，庫侖借鑒力學(xué)實驗，設(shè)計了一種電擺來加以解決。實驗結(jié)果表朋，吸力同樣與距離的平方成反比?！緩聂~生電到電流的發(fā)現(xiàn)】在19世紀(jì)以前，對電學(xué)的研究，盡管已出現(xiàn)了某些定量的定律（如庫侖定律），也開始研究“動態(tài)”的問題，但基本上是以定性研究為主，以“靜態(tài)”現(xiàn)象的研究為主。電流的發(fā)現(xiàn)，使電學(xué)的研究進(jìn)入了一個新的階段。從很早時候起，人們已經(jīng)知道幾種水生動物有引起電擊的能力。當(dāng)萊頓瓶發(fā)明以后，人們就開始考慮萊頓瓶的放電和這些水生動物的電擊是否有什么類似性或內(nèi)在聯(lián)系。18世紀(jì)中葉，有一條英國船上的人們帶了幾條具有電擊能力的魚回倫敦，于是生物學(xué)家、生理學(xué)家對它們進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)你用雙手同時去接觸魚的頭部和下部時，才會受到電擊，人們稱這種魚為電妖魚或電鰻。后來又證明這種魚能用來給萊頓瓶充電。這時，人們才相信這種電擊也是一種放電現(xiàn)象。魚生電的現(xiàn)象，引起了意大利生物學(xué)家伽伐尼（LuigiGalvani，1737.9.9—1798.12.4）的極大興趣和注意，因為他當(dāng)時正在研究青蛙腿的肌肉收縮現(xiàn)象。有一次，他偶然發(fā)現(xiàn)，用銅鉤子掛在他家陽臺鐵欄桿上的幾只蛙腿，碰到欄桿的鐵條時，突然會跳動起來，仿佛活的一樣。為此，伽伐尼加強了控制條件，于1786年9月20日又做了一個實驗：用一把叉子（一個叉尖是銅的，另一個是鐵的）去碰蛙腿的神經(jīng)和肌肉，每碰一次，蛙腿都立即收縮一次。此時，伽伐尼相信，這個現(xiàn)象與電鰻的電擊是類似的。進(jìn)一步的實驗，使他感到神經(jīng)中有電源存在。于是他撰寫了題為“肌肉運動中的電力”的論文，闡述了自己的見解。1792年，伽伐尼又簡單地應(yīng)用兩種不同金屬組成的環(huán)和蛙腿接觸，蛙腿也引起痙攣。這便是第一個伽伐尼電池。由于這一觀點是論述生物體中的問題，對物理學(xué)家們沒有什么大的影響，所以對物理學(xué)也沒有引起什么大的變化。但是，有一個物理學(xué)家注意了這個工作，那就是意大利物理學(xué)家伙打。伏打（AlessandroVolta，1745.2.18—1827.3.5）是一位實驗物理學(xué)家，對電學(xué)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，主要是研究金屬接觸起電的問題。1792年，伏打接受了伽伐尼的觀點，但是長時期的一系列的實驗，他漸漸感到，蛙腿的收縮只具有次要的意義。1796年，他放棄了伽伐尼的觀點，并且很快地證明，引起蛙腿收縮的電流，純粹是一種無機現(xiàn)象，把兩種金屬線焊接起來成為一根導(dǎo)線，并將其兩端浸入鹽水時，總能觀察到這種電流。由此，伏打得出結(jié)論，金屬是真正的電流的激發(fā)者，而神經(jīng)是被動的。這就是伏打提出的接觸電的觀點。為了紀(jì)念他的朋友，伏打還是把這種電流稱為伽伐尼電流。在上述工作的基礎(chǔ)上，伏打還用了大量銅圓片和鐵或鍍鋅的圓片交替放置，中間再用一層層浸過鹽水的紙片或布片隔開，制成了一種后人稱之為“伏打電堆”的裝置，用其產(chǎn)生電流。這種電堆是我們今天用于照明和許多其他設(shè)備上的現(xiàn)代電池的雛形。1800年3月20日，伏打?qū)懶沤o英國倫敦皇家學(xué)會會長，宣布了自己的發(fā)現(xiàn)。信中寫道：“?.是的，我向各位報告的這種儀器，無疑會使你們感到驚奇，它只是許多良導(dǎo)體按一定順序排列起來的集合，有30片、40片、60片或更多的銅片，用銀片則更好，每一片上都鍍上錫，或者最好是鍍上鋅，片與片之間隔以一層水，或者其他比普通水導(dǎo)電性更好的液體，例如鹽水、堿水等。也可以使用在這些液體中充分浸泡過的硬紙板或皮革等等。這些夾層插在一對對或一組組不同的金屬對之間，交替放置的順序總是保持不變，這就是我的新儀器的全部結(jié)構(gòu)。我說過，這是模仿萊頓瓶或電池的效用而制成的，可以產(chǎn)生和它同樣的電擊。誠然，它比上述電池高度充電時的能力差得多，就放電時所能產(chǎn)生的力、爆炸的聲響、火花的大小和放電的距離來說，它只相當(dāng)于一個容量很大的而只充電到很低程度的電池；但是除此以外，它的優(yōu)點和效果是這些電池?zé)o法與之相比的，因為它不必像這些電池那樣要靠外界的電來預(yù)先充電，只要我們一碰它，它就能發(fā)出電擊，而不管碰它的次數(shù)是多么頻繁?！狈虻难芯抗ぷ?，引起了科學(xué)界的一場辯論。生物學(xué)家、解剖學(xué)家支持伽伐尼的觀點，認(rèn)為是動物電、生物電，物理學(xué)家、化學(xué)家支持伏打的觀點，認(rèn)為是金屬接觸電。這場國際性爭論持續(xù)了很長一段時間，直到20世紀(jì)現(xiàn)代化學(xué)理論產(chǎn)生后，才最終解決了這個爭論問題。1801年，拿破侖請伏打到巴黎，在學(xué)會上表演他的電堆實驗，并授于他金質(zhì)獎?wù)隆ｋ娏鞯陌l(fā)現(xiàn)、產(chǎn)生電流的實驗裝置的研究成功，使電學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個新階段。后人為紀(jì)念伏打的這一貢獻(xiàn)，除了用“伏打電堆”這一專門名詞外，還用“伏特”作為電勢的單位。電流的發(fā)現(xiàn)為研究電和磁之間的聯(lián)系提供了條件，也為化學(xué)研究開辟了新領(lǐng)域?！練W姆和歐姆定律的建立】歐姆(GeorgeSimonOhm，1789.3.16—1854.7.6)是德國物理學(xué)家，對物理學(xué)的主要貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了歐姆定律。1826年，歐姆發(fā)表了“論金屬傳導(dǎo)接觸電的定律及伏打儀器和西費格爾倍加器的理論”一文，文中提出了歐姆定律的實驗證明。歐姆在做實驗時，起初是用伏打電池作為電源，因性能不穩(wěn)定，改用溫差電池。歐姆使鉍-銅組成的溫差電池的兩端保持著不同的溫度，一端插入盛有沸水的容器中，另一端插入盛有碎冰（或雪）的容器中，兩個盛水銀的杯子當(dāng)作電池的兩極，外電路就連接在水銀槽中。溫差電池的上半部是電流扭秤，用來測量電路中的電流強度。扭秤的指針是一根磁針，用金絲懸掛起來。當(dāng)電流通過導(dǎo)線時，磁針會偏轉(zhuǎn)，金絲便扭轉(zhuǎn)。由于金絲的扭轉(zhuǎn)角度與導(dǎo)線中的電流強度成正比，讀出扭轉(zhuǎn)角的大小，就能知道電流強度。歐姆選用了一組截面積相同、長度各不相同的銅導(dǎo)線作為外電路進(jìn)行實驗。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，歐姆得出如下的關(guān)系式式中X為不同導(dǎo)線接入時的扭轉(zhuǎn)角度，x為導(dǎo)線的長度，a、b是兩個常數(shù)。這一歐姆所確定的公式原型中，如果X對應(yīng)于現(xiàn)代所用的電流強度I，x對應(yīng)于外電路的電阻R，常數(shù)a、b分別對應(yīng)于電源的電動勢E和電源內(nèi)電阻r，則上式即為全電路歐姆定律的表示式【奧斯特和電流磁效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的前前后后】奧斯特（HansChristianOersted，1777.8.14—1851.3.9）是丹麥物理學(xué)家，對物理學(xué)的主要貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，把電和磁統(tǒng)一起來。在19世紀(jì)前，人們普遍認(rèn)為電和磁之間是沒有什么關(guān)聯(lián)的。但是，當(dāng)時德國的自然哲學(xué)家們，則從另一個角度對電和磁發(fā)生了興趣，即對極化現(xiàn)象感到興趣，因為這一例子好像表明他們所假定的兩個對立極之間的辯證張力或者使雜亂變?yōu)橛行虻牧Φ拇嬖?。自然哲學(xué)家謝林（F.Schelling，1775—1854）就有這種主張，進(jìn)而認(rèn)為宇宙間具有普遍的自然力的統(tǒng)一。謝林的思想對他的摯友奧斯特具有深刻的影響，導(dǎo)致奧斯特去研究電和磁之間的聯(lián)系。1803年，奧斯特主張，物理學(xué)將不再是關(guān)于運動、熱、空氣、光、電、磁以及大家所知道的任何其他現(xiàn)象的零散的匯總，它將把整個宇宙納在一個體系之中。1807年，奧斯特宣稱正在研究電和磁的關(guān)系。因為富蘭克林曾在1751年證明，用萊頓瓶中的電可以使磁針磁化或退磁，萊頓瓶只能供給瞬間電流，所以沒能繼續(xù)研究下去。伏打電堆的發(fā)明，為連續(xù)電流提供了電源，奧斯特才能對此問題繼續(xù)研究下去。1812年，奧斯特用德文寫成題為“關(guān)于化學(xué)力和電力的等價性的研究”的論文，次年譯成法文在巴黎出版。在論文中，他提出應(yīng)該檢驗電是否以其最隱蔽的方式對磁體有所影響。1818—1819年，據(jù)與奧斯特共事過的人回憶，奧斯特一直在尋找這兩大自然力（指電力和磁力）之間的聯(lián)系，為發(fā)現(xiàn)這種聯(lián)系，奧斯特經(jīng)?？嗫嗨妓鞑⑦M(jìn)行各種試驗。1820年4月的一天，奧斯特在去哥本哈根大學(xué)講課的路上，產(chǎn)生了一個念頭：如果靜電對磁石毫無影響，那么若用一根導(dǎo)線把伏打電池的兩極聯(lián)系起來，讓電荷在其中運動，這樣會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？事情是否會有所不同？他帶著這些問題走進(jìn)了教室。教室里坐滿了青年學(xué)生。奧斯特把自己帶去的伏打電堆放在講臺上，然后用一根白金絲把電堆的兩極連起來，并將一枚小磁針放在它附近。這時，奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了：磁針本該指南北的，現(xiàn)在卻轉(zhuǎn)動了，并在垂直于導(dǎo)線的方向停下來。聽眾無動于衷，而演示者卻激動萬分。課后他繼續(xù)留在教室里，核對了他剛剛發(fā)現(xiàn)的這個不尋常的現(xiàn)象。起初，他想磁針的轉(zhuǎn)動也許因為電流通過導(dǎo)線，導(dǎo)線發(fā)熱產(chǎn)生空氣流引起的。為此，他把一塊硬紙放在導(dǎo)線與磁針之間，以阻擋氣流，但是實驗結(jié)果依然如此。然后，奧斯特把伏打電堆轉(zhuǎn)了180度，使導(dǎo)線中__的電流朝反向流動，結(jié)果磁針的朝向也轉(zhuǎn)了180度。這就表明，磁針的指向與電流在導(dǎo)線中的流動方向有關(guān)。接著，奧斯特在磁針和帶電導(dǎo)線之間放上各種介質(zhì)，如玻璃、木板、水、樹脂、陶器、石頭等等，結(jié)果表明，它們之間的作用并不減弱。開始時用白金絲連結(jié)電堆的兩極，后來又用大電堆，并用粗銅導(dǎo)線連接，先后共做了60多個實驗，得到的結(jié)果是一樣的。這樣，奧斯特便把觀察所得的結(jié)果，如實地寫成題為“關(guān)于磁體周圍電沖突的實驗”的論文，送交法國雜志《化學(xué)與物理學(xué)年鑒》發(fā)表。這就是我們通常所講的1820年7月21日的那篇論文。雜志在刊登時，編者加了一個不平常的說明：“《年鑒》的讀者都知道，本刊從不輕易支持宣稱有驚人發(fā)現(xiàn)的報告（也許因為其中多數(shù)都是一些怪人所寫的東西），至今我們都因為能堅持這一方針而自豪。但是，至于說到奧斯特先生之文章，則其所得之結(jié)果無論顯得多么奇特，都有極詳細(xì)的記錄為證，以致無任何懷疑其謬誤之余地?！痹谡撐闹?，奧斯特自己寫道：“我們將在導(dǎo)體中和其周圍空間中所發(fā)生的這種效應(yīng)稱之為電沖突。看來所有非磁性體都能為這種電沖突透過，但磁性體則抗拒它通過，因此它們就能在沖突力量的推動下運動。從上述事實，我們還可以推出這種沖突呈現(xiàn)為圓形的，否則就不可能發(fā)生這樣的情形：將閉合導(dǎo)線的一段放在磁極下面時，磁極被推向東方，而放在磁極上面時，就被推向西方。其原因是，只有圓才具有這樣的性質(zhì)，其相反部分的運動方向相反?！?820年，奧斯特稱之為“電磁學(xué)”的新學(xué)科誕生了，電轉(zhuǎn)化為磁成為現(xiàn)實，表明電和磁是可以統(tǒng)一的，使“自然力統(tǒng)一的思想”得到了一個例證。其次，電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，表明作用力是一種旋轉(zhuǎn)力，它和力學(xué)中力表現(xiàn)出來的形式是不同的，人們認(rèn)識到一種新的相互作用形式。第三，這一發(fā)現(xiàn)為制造靈敏電流指示器創(chuàng)造了條件，同時，它本身就包含了未來的電力技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)容。奧斯特的發(fā)現(xiàn)一經(jīng)傳播，到處都在重復(fù)這一實驗。1820年9月11日，在法國科學(xué)院舉辦的每周的科學(xué)例會上，法國物理學(xué)家安培（AndréMarieAmpère，1775.1.20—1836.10.6）聽到了兩個月前在哥本哈根發(fā)現(xiàn)的這個重要的實驗事例，并且看到電流磁效應(yīng)的演示實驗后，對此極感興趣，立即對它進(jìn)行研究，僅僅幾個星期，便在科學(xué)院舉辦的科學(xué)例會連續(xù)發(fā)表報告，進(jìn)一步揭示電和磁之間的內(nèi)在聯(lián)系。

通過實驗和研究，安培發(fā)現(xiàn)，不僅電流對磁針有作用，而且兩個電流之間彼此也有作用。兩根平行的載流導(dǎo)線中，如果通過的電流方向相同，導(dǎo)體之間呈現(xiàn)出互相吸引；如果通過的電流方向相反，導(dǎo)線之間呈現(xiàn)出互相排斥。同時又發(fā)現(xiàn)，兩根載流導(dǎo)線之間的力的大小，是與兩根導(dǎo)線中各自通過的電流I1和I2的乘積成正比，與導(dǎo)線的長度成正比，與兩根導(dǎo)線之間的距離平方成反比。由此，安培提出了電流磁效應(yīng)的定量規(guī)律，后來稱之為的安培公式。這一公式作為他的“電動力學(xué)”基本定律的起點。“電動力學(xué)”這一名詞是在安培的著作中第一次出現(xiàn)的，他常用“電動力”來表示電壓。所以我們說，安培是電動力學(xué)的先創(chuàng)者。在上述研究的基礎(chǔ)上，安培又提出了一個關(guān)于電流使磁體偏斜方向的法則，也就是確定電流的磁場方向的法則，即“安培法則”。為了表彰安培的功績，電流的單位就用他的名字來命名。除此以外，安培還提出了“分子電流”的概念，用它來解釋物體為什么具有磁性。安培的這一觀念，為現(xiàn)代物理學(xué)所證實?，F(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，物體內(nèi)部的原子或分子的磁性，是由于電子在原子核周圍轉(zhuǎn)動或繞著自身軸急速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的?！痉ɡ诤碗姶鸥袘?yīng)】法拉第（MichaelFaraday，1791.9.22—1867.8.25）是英國物理學(xué)家、化學(xué)家，在自然科學(xué)上的重大貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，建立了電解定律，提出了力線和場的概念。

1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)以后，1821年，法拉第就重復(fù)進(jìn)行類似的實驗，都獲得了肯定的結(jié)果。這時，法拉第就有一個想法，既然電可以轉(zhuǎn)化為磁，磁是否也能轉(zhuǎn)化為電呢？于是他在日記本的扉頁上寫下“轉(zhuǎn)磁為電”，并開始苦苦地思索，踏踏實實地設(shè)計了各種實驗，但卻一次一次地失敗。直到1831年8月，法拉第用7/8英寸粗的軟鐵條，焊接成一個外徑為6英寸的圓環(huán)，圓環(huán)上繞有兩組線圈A和B。A線圈由3個小線圈組成，每個小線圈由1/20英寸粗、24英尺長的銅線組成，它們可以分開，也可以聯(lián)合使用。B線圈由兩根共60英尺長的同樣粗的銅線組成。A與B在圓環(huán)上的繞法和方向相同，它們的末端由一個大約1.5英寸長的不予包扎的鐵片隔開。A線圈與伏打電池連接，B線圈與3英尺以外的電流計連接。當(dāng)法拉第把A線圈與伏打電池一接通，電流計上的指針突然偏轉(zhuǎn)，但是指針晃動一下后就停止了。當(dāng)他把電池拆掉時，電流計的指針又突然偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的方向與前面的相反，晃動一下后也停止了。這種往往不被他人注意的現(xiàn)象，卻緊緊地吸引著法拉第，他好像悟出了什么道理。他繼續(xù)做實驗，結(jié)果都相同。他把電流計接到A線圈中的一個小線圈上，當(dāng)另外兩個小線圈連起來接到伏打電池上時，電流計的指針偏轉(zhuǎn)得更大。當(dāng)把伏打電池的兩極對換時，發(fā)現(xiàn)電流計的指針反向偏轉(zhuǎn)。法拉第稱這種現(xiàn)象為“伏打電感應(yīng)”。同時他也深深地懂得，當(dāng)電轉(zhuǎn)化為磁時，呈現(xiàn)出來的是個穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，電流周圍的磁場是穩(wěn)定地存在著；而磁轉(zhuǎn)化為電時，則是瞬態(tài)現(xiàn)象，一現(xiàn)即逝。為了進(jìn)一步驗證，幾個星期后，法拉第再做實驗。這次，他拋開電池，在一個紙做的空心圓筒上，用220英尺銅線分層繞了8個線圈，它們之間再互相連起來成為一個大線圈，并把它與電流計相接。當(dāng)一條形磁鐵插進(jìn)空心圓筒時，電流計的指針擺動了；抽出時，指針也作相反方向的擺動，法拉第稱這種現(xiàn)象為“磁電感應(yīng)”。上述這些實驗說明磁可以轉(zhuǎn)化為電，而法拉第的“轉(zhuǎn)磁為電”的理想終于實現(xiàn)了。法拉第受電磁感應(yīng)的啟示，他直覺地揣測到在磁鐵周圍有一個充滿力線的場，感生電流的形成是由于導(dǎo)體切割力線的結(jié)果。所以在他的1832年3月12日的文稿中寫道：“??使我相信，磁的作用是漸進(jìn)的，是需要時間的”，“有理由假設(shè)，電（壓）的感應(yīng)也是以類似的漸進(jìn)方式進(jìn)行的?！边@是在物理學(xué)史上第一次有力地向超距作用觀念提出挑戰(zhàn)。法拉第的另一個重要貢獻(xiàn)，是在1833—1834年提出了兩條電解定律，這是電化學(xué)的開創(chuàng)性工作，同時有力地證明了基本電荷的存在。【楞次和楞次定律】楞次（HeinrichFriedrichEmilLenz，1804.2.12—1865.2.10）是俄國物理學(xué)家。對物理學(xué)的主要貢獻(xiàn)是確定電磁感應(yīng)中的感生電流的方向。楞次從青年時代起就開始研究電磁感應(yīng)問題。1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但是沒有確定感生電流的方向。楞次研究了這一問題，并于1834年發(fā)表了題為“論電動力公布所產(chǎn)生的伽伐尼電流方向的決定”的論文。論文指出：當(dāng)閉合電路通過磁場或者閉合電路中的磁通量發(fā)生變化時，在電路中都會產(chǎn)生感生電流。感生電流的方向總是使感生電流所引起的磁場阻礙閉合電路的磁場的增加，或者阻礙磁通量的變化。這一定律后來就稱為楞次定律。除此以外，楞次還研究了電流通過導(dǎo)體時的熱效應(yīng)規(guī)律，與焦耳（J.P.Joule，1818—1889）研究結(jié)果相同，稱之為焦耳-楞次定律?！镜依撕痛艈螛O子】狄拉克（PaulAdrienMauriceDirac，1902.8.8—1984.10.20）是英國理論物理學(xué)家。由于對量子力學(xué)發(fā)展所作的貢獻(xiàn)，他于1933年獲諾貝爾物理學(xué)獎。1933年，狄拉克根據(jù)最小的帶電單位——電子的電荷量子化的性質(zhì)，依據(jù)對稱性的思維原則，提出了有可能存在“磁單極子”的假說，表明磁極不一定是兩個極同存于一體之中。這一假說到現(xiàn)在為止，還沒有能在實驗上得到最后的證實，但它仍是當(dāng)代物理學(xué)上引人注目的基本理論研究和實驗研究的課題之一?！钧溈怂鬼f和電磁理論】麥克斯韋（JamesClerkMaxwell，1831.8.13—1879.11.5）是英國物理學(xué)家。他深受法拉第的影響，信服法拉第的物理思想，決心為法拉第的力線、場的概念提供數(shù)學(xué)方法的基礎(chǔ)。就電和磁的研究，麥克斯韋發(fā)表了4篇著名的論著：1855年，他發(fā)表了題為“論法拉第的力線”的論文。在這篇論文中，麥克斯韋采用了類比的方法（即把處理電場的問題與流體的問題類比），運用他人的研究成果，推導(dǎo)出電流四周的磁力線的通量和磁作用力之間的關(guān)系式，引入新的矢量函數(shù)，由該函數(shù)的各種微分運算導(dǎo)出一組矢量微分方程，以表示描述電流和磁力線的一些物理量之間的定量關(guān)系，由此得出定量公式。從法拉第給麥克斯韋的信中就可以看出這一成果的重要性。法拉第在信中說：“當(dāng)我知道你要構(gòu)造一種數(shù)學(xué)形式來針對這樣的主題，起初我?guī)缀跏菄槈牧耍蝗缓笪也朋@訝地看到，這個主題居然處理得如此之好?！?861—1862年，麥克斯韋發(fā)表了題為“論物理的力線”的論文。這篇論文進(jìn)一步提出了關(guān)于力線的機械模型，即電磁以太模型。在論文中引進(jìn)了“位移電流”的概念，這是一個新的貢獻(xiàn)。他應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，類比了磁場變化、磁力線通量改變會產(chǎn)生感應(yīng)電流的思想，肯定地指出，存在著變化的電場的電介質(zhì)中也會產(chǎn)生一種磁效應(yīng)的特殊“電流”——位移電流。這一概念的提出，是建立電磁場理論的關(guān)節(jié)點。他又提出“由于媒質(zhì)的彈性所引起的效應(yīng)的改正”，既要考慮傳導(dǎo)電流，也應(yīng)考慮位移電流的作用。介質(zhì)中引入的，但后來又把它推廣到?jīng)]有具體物體的空間，因為麥克斯韋認(rèn)為空間中充滿著以太。1864—1865年，麥克斯韋發(fā)表了題為“電磁場的動力學(xué)理論”的論文。該論文是電磁場理論的一個總結(jié)。他認(rèn)為：“我提出的這個學(xué)說所以能叫做電磁場的學(xué)說，因為它關(guān)系到帶電體或磁體周圍的空間，并且它可以叫做動力學(xué)理論。因為它假定在這個空間中，有物質(zhì)在運動，由此而產(chǎn)生了觀察到的電磁現(xiàn)象?！碧貏e是本文的第五部分——光的電磁學(xué)說中，他由電磁場方程推出波動方程，證明了電磁波是一種橫波，并求出電磁波的傳播速度等于真空中的光速，由此他得出結(jié)論：“這一速度與光速如此接近，看來我們有強烈的理由斷定，光本身（包括輻射熱以及其他輻射，如果存在的話）乃是波的形式在電磁場中按電磁規(guī)律傳播的一種電磁振即為電磁波傳遞的能流密度，而S＝W■，就是電磁波的傳播速度。這就表示電磁場具有能量，而電磁波就是能量的流動過程，實際上說明了電磁場和電磁波的物質(zhì)性。1873年，麥克斯韋的重要著作《論電和磁》問世。這部著作凝聚了電磁學(xué)的全部精華，它包含了創(chuàng)新的物理概念，嚴(yán)密的邏輯體系，簡潔的數(shù)學(xué)形式，正確的科學(xué)推廣。著作中證實了方程組的解是唯一的解，這就從理論上使人們確信，麥克斯韋方程組能夠完整地反映電磁場的運動規(guī)律，而由它推得的一系列結(jié)論為爾后的實驗所證實。這個理論是第一個經(jīng)典場論，用現(xiàn)代術(shù)語來說，電磁場是最簡單的規(guī)范場。當(dāng)然作為規(guī)范場，它僅僅是個先導(dǎo)，現(xiàn)在還在發(fā)展之中。由此可見，從法拉第到麥克斯韋，實際上是從對物理圖象的研究發(fā)展到數(shù)學(xué)抽象的研究，從實驗探索發(fā)展到理論規(guī)范的建立。【赫茲和電磁波的存在】赫茲（HeinrichRudolfHertz，1857.2.22—1894.1.1）是德國物理學(xué)家。他在物理學(xué)上的主要貢獻(xiàn)是證實了電磁波的存在。赫茲早期就已經(jīng)熟悉法拉第和麥克斯韋的研究工作，從1884年開始，他便研究麥克斯韋理論的證明問題。1886年，赫茲在做放電實驗時，發(fā)現(xiàn)附近未閉合的線圈也出現(xiàn)火花，從此時開始一直到1888年，他持續(xù)地進(jìn)行這方面的實驗。實驗是利用一個與感應(yīng)線圈連接的未閉合電路產(chǎn)生電振蕩的發(fā)生器，再用一個簡單的未閉合線圈作為探測器，兩者相距10米。赫茲坐在暗室里，當(dāng)發(fā)生器通電后，立即就能看到探測器氣隙中的微弱電火花。反復(fù)試驗，均能得到同樣的結(jié)果，由此證實了電磁波的存在。與此同時，他把探測器移到不同的位置，便可測得電磁波的波長。根據(jù)波長和計算得到的振蕩器頻率，便可計算電磁波傳播的速率，它等于光速，這就證明了所假設(shè)的效應(yīng)是以有限的速度傳播的。赫茲在1887年11月10日向德國科學(xué)院提交了報告，證明了電磁波的存在。從1888年開始，赫茲又做了一系列的關(guān)于電磁波和光波類比的實驗，表明電磁波也具有折射、衍射、干涉、偏振等一系列物理現(xiàn)象，證明了電磁波具有光波的一切性質(zhì)?！韭鍋銎澓吐鍋銎澚Α柯鍋銎潱℉endrikAntoonLorentz，1853.7.18—1928.2.4）是荷蘭物理學(xué)家。對物理學(xué)的最重要的貢獻(xiàn)是他的電子論。1892年，洛侖茲開始發(fā)表有關(guān)電子論的文章。他認(rèn)為一切物質(zhì)的分子都包含有電子（盡管當(dāng)時在實驗中還沒有確認(rèn)電子的存在），陰極射線的粒子就是電子；并認(rèn)為電子是質(zhì)量很小的剛體，電子對以太是完全透明的；同時認(rèn)為以太與物質(zhì)的相互作用，實質(zhì)上是以太與物質(zhì)中的電子的相互作用。在此基礎(chǔ)上，洛侖茲于1895年提出了著名的洛侖茲力公式，表示運動點電荷在磁場中所受到的作用力的大小和方向。該公式不僅對于宏觀點電荷成立，對于微觀元電荷也同樣成立。為了解釋邁克耳遜-莫雷實驗的結(jié)果，洛侖茲曾提出運動物體在運動方向上長度收縮的假說，并于1895年發(fā)表了長度收縮1896年，荷蘭物理學(xué)家塞曼（P.Zeeman，1865—1943）發(fā)現(xiàn)磁場能使光譜線分裂（即塞曼效應(yīng)），而洛侖茲用電子論對這一現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。由于這一貢獻(xiàn)，洛侖茲與塞曼同獲1902年諾貝爾物理學(xué)獎。【亨利和自感現(xiàn)象】亨利（JosephHenry，1797.12.17—1878.5.13）是美國物理學(xué)家。致力于電學(xué)的研究，以研究自感現(xiàn)象而著名。1832年，亨利首先發(fā)現(xiàn)了自感應(yīng)現(xiàn)象，到1835年3月，在《弗蘭克林研究所學(xué)報》上發(fā)表論文，對自己發(fā)現(xiàn)的自感現(xiàn)象進(jìn)行解釋。為了紀(jì)念他的這一功績，電感的實用單位被命名為“亨利”。除此以外，亨利從1827年開始就研究電磁現(xiàn)象，他曾改進(jìn)了當(dāng)時的電磁鐵的制作，采用絕緣導(dǎo)線代替裸銅線繞在U形鐵棒上，克服了裸銅線不能緊密地繞在U形鐵棒上的弊端，從而大大增強了電磁鐵的磁性。這樣便可制成一個體積不大的電磁鐵，它能吸起很重的鐵塊。這一成果為電機的發(fā)展打下了基礎(chǔ)?！綣.湯姆孫和電子的發(fā)現(xiàn)】J.湯姆孫（JosephJohnThomson，1856.12.18—1940.8.30）是英國物理學(xué)家。他對物理學(xué)的最杰出的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了電子。1895年，德國物理學(xué)家倫琴（W.K.R■ntgen，1845—1923）發(fā)現(xiàn)了X射線后，J.湯姆孫對陰極射線管內(nèi)的氣體放電現(xiàn)象，進(jìn)行了更深入的研究。因為陰極射線發(fā)現(xiàn)以后，其本質(zhì)是以太振動還是粒子流，科學(xué)家一直爭論不休。為了搞清這一問題，J.湯姆孫作了進(jìn)一步的實驗。首先，他在陰極射線管內(nèi)射線經(jīng)過的路上，放上一塊涂有硫化鋅的小玻璃片。當(dāng)氣體放電時，發(fā)現(xiàn)硫化鋅會發(fā)出閃光，由此表明陰極射線能使硫化鋅發(fā)光，并且是直線行進(jìn)的。接著，J.湯姆孫又把一個馬蹄形磁鐵跨放在射線管的外面，發(fā)現(xiàn)射線會偏向一邊，根據(jù)偏轉(zhuǎn)的情況，說明射線是一種帶負(fù)電的粒子。當(dāng)時，還不知道有比原子更小的粒子，所以J.湯姆孫認(rèn)為可能是一種電離了的原子，打算測量這種電離了的原子的質(zhì)量。他在涂有硫化鋅的小屏上畫上刻度，以便了解這種帶電粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)的程度。如果知道外加磁場的強度，便可以知道帶電粒子所受力的大小。在帶同樣電荷的情況下，粒子的質(zhì)量越大，越不容易被磁場偏轉(zhuǎn)。反之也然。利用這一方法，J.湯姆孫測出了陰極射線粒子的電荷與質(zhì)量之比值（即荷質(zhì)比）。所得結(jié)果，大大