物理學(xué)史之電磁學(xué)篇

1、問蒼天巧借雷電，向暴君爭(zhēng)取民權(quán)富蘭克林及其電荷守恒定律和電的本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)從遠(yuǎn)古開始，無論是中國(guó)還是西方都有對(duì)電、磁現(xiàn)象觀察的記載。16世紀(jì)后半葉以后，實(shí)驗(yàn)風(fēng)氣逐漸興起，人們發(fā)明了產(chǎn)生電荷和儲(chǔ)存電荷的起電機(jī)、 萊 頓瓶，發(fā)現(xiàn)了電流，制成了最早的電源一一電堆。 這不僅加深了人們對(duì)電現(xiàn)象和 磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，并且為進(jìn)一步探索電磁現(xiàn)象的規(guī)律作好了物質(zhì)準(zhǔn)備。在靜電學(xué)發(fā)展過程中不得不提到一位美國(guó)物理學(xué)家的重要貢獻(xiàn)，那就是本節(jié)的主人公一一富 蘭克林。富蘭克林本杰明.富蘭克林(Benjamin Franklin, 1706-1790) 出生于美國(guó)馬薩諸塞州波士頓一個(gè)貧窮的制燭工人家 庭，在家里十七個(gè)孩子中排行十五，

2、是美國(guó)政治家、物 理學(xué)家，同時(shí)也是出版商、印刷商、記者、作家、慈善 家；更是杰出的外交家及發(fā)明家。他是美國(guó)獨(dú)立戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí) 重要的領(lǐng)導(dǎo)人之一，參與了多項(xiàng)重要文件的草擬，并曾 出任美國(guó)駐法國(guó)大使，成功取得法國(guó)支持美國(guó)獨(dú)立。富蘭克林的初期創(chuàng)造才能表現(xiàn)在許多發(fā)明上， 尤其著名的是改進(jìn)火爐和雙焦 眼鏡。但他的最大成就是在電學(xué)方面，其中他對(duì)靜電學(xué)的最重要貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了電 荷守恒定律。1746年，居于美國(guó)費(fèi)城的富蘭克林收到了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)朋友贈(zèng)送 的一只萊頓瓶及使用方法，這樣萊頓瓶帶來的電學(xué)知識(shí)很快就傳播到了北美。富蘭克林利用萊頓瓶做了大量的靜電方面的實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)帶有不同性質(zhì)電荷的帶電體相互接觸后可以呈現(xiàn)中性

3、。根裾這種相消性和數(shù)學(xué)上的正、負(fù)數(shù)的概念， 他把“陽電”稱為正電，把“陰電”稱為負(fù)電，并進(jìn)一步從電荷的相消性，推出 如下結(jié)論：正電和負(fù)電，在本質(zhì)上不應(yīng)有什么差別；摩擦起電過程中，總是 形成等量的異種電荷；摩擦起電過程中，一方失去的電荷與另一方得到的電荷 在數(shù)量上相等。于是，在上述推論的基礎(chǔ)上，他總結(jié)出一個(gè)普遍的原理：電荷既 不能創(chuàng)生也不能消滅，只不過是從某一個(gè)帶電體轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)帶電體；在電荷轉(zhuǎn)移過程中，電荷的總量是不變的。這就是電荷守恒定律的最原始的表述方式。電荷守恒定律是物理學(xué)中一條比較普遍的守恒定律， 富蘭克林為電磁學(xué)大廈建立了第一塊頗為重要的奠基石。富蘭克林的科學(xué)成就使得他于1756年

4、當(dāng)選為英國(guó) 皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員。富蘭克林在公眾中的名聲除發(fā)現(xiàn)電荷守恒定律外還有他的大氣電實(shí)驗(yàn)，并以發(fā)現(xiàn)避雷針而達(dá)到了頂峰。當(dāng)時(shí)人們關(guān)于火、燃 燒、閃電、火花和放電等現(xiàn)象 的認(rèn)識(shí)還很不清楚。特別對(duì)雷電的危害性之大有一種懼怕的心理，大多數(shù)人認(rèn)為雷電是“上帝之火”，是天神發(fā)怒的結(jié)果。富蘭克林為破除這股迷信，一直思考著 雷電的電與摩擦電本質(zhì)上是否一樣， 區(qū)別在什么地方，從而導(dǎo)致了他所做的著名 的天電實(shí)驗(yàn)。1752年7月的一天，天氣悶熱，烏云密布，電閃雷鳴，就在這大雷雨就要 來臨的時(shí)候，美國(guó)費(fèi)城郊區(qū)上空升起了一只神奇的風(fēng)箏，它是用絲綢做成的，頂部安裝一根尖細(xì)的鐵絲，風(fēng)箏用麻純系住，麻繩末端掛著一把鑰匙，興致

5、勃勃地 放風(fēng)箏的那兩個(gè)人就是富蘭克林和他的兒子。他們放風(fēng)箏不是為了玩，而是冒著 遭受雷擊喪生的危險(xiǎn)，在進(jìn)行吸取“大電”的實(shí)驗(yàn)，他把從云端“吸取”的電荷 收集在萊頓瓶中，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)由此得來的電火可以使酒精燃燒， 并可用 來進(jìn)行別的有關(guān)電的實(shí)驗(yàn)；而這些實(shí)驗(yàn)平常是靠摩擦小球或小管來做的?！睆亩估纂姾湍Σ疗痣娊y(tǒng)一了起來。富蘭克林寫了一篇論閃電和電氣的相同的論文，闡述了雷電的本質(zhì)。他 明確指出：雷電現(xiàn)象不是“雷公雷母的發(fā)怒”，它是自然界一種大規(guī)模的放電現(xiàn) 象，耀眼的火花就是電閃，震耳欲聾的聲音就是打雷。電閃不但可以在天空中離 得很近的帶異種電荷的云塊之間發(fā)生，也可以在云地之間發(fā)生。當(dāng)云地之間發(fā)

6、生 閃電的時(shí)候，在極強(qiáng)的閃電經(jīng)過的路上，樹木、房屋、人畜等就被擊毀或者燒焦。 富蘭克林還根據(jù)風(fēng)箏上尖細(xì)鐵絲能夠吸引天電的發(fā)現(xiàn)，提出了制造避雷針的設(shè)想使建筑物免遭雷擊。富蘭克林的避雷針能使云層安全放電， 因而能保護(hù)建筑物本 身。避雷針確實(shí)是靈驗(yàn)的，富蘭克林以他電學(xué)上劃時(shí)代的研究成果，成為蜚聲世 界的第一流科學(xué)家。關(guān)于避雷針在歐洲的普及和形狀的設(shè)計(jì)還有一個(gè)插曲：1769年，意大利威尼斯的一座教堂被雷擊毀，引起地下室火藥爆炸，導(dǎo)致3000多人喪生。1772年, 英國(guó)成立了討論倉庫免遭雷擊對(duì)策委員會(huì)， 首先提出制造避雷針方案的富蘭克林 作為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員也被任命為委員，在討論中對(duì)避雷針的頂端形狀發(fā)生

7、了尖 頭、圓頭之爭(zhēng)。有人想當(dāng)然地認(rèn)為圓頭避雷針好；但富蘭克林堅(jiān)持尖頭的，他力 排眾議，言之有理，最后被采納了。1776年，美國(guó)獨(dú)立戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)以后，富蘭克林因?yàn)榉e極參加獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，又是 獨(dú)立宣言的起草人之一，被作為叛逆者的領(lǐng)導(dǎo)人，而到英國(guó)人的憎惡，連他發(fā)明 的避雷針也受到冷遇，橫遭摒棄。英王喬治三世帶頭把宮殿和彈藥倉庫上的尖頭 避雷針砸掉，命令一律換為圓頭避雷針，為了尋找扼殺富蘭克林發(fā)明的“科學(xué)依 據(jù)”，使尖頭避雷針在英國(guó)絕跡，偏執(zhí)而愚蠢的國(guó)王還親自向皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)普林 格爾施加壓力，要他公開宣布圓頭避雷針比尖頭更安全。好在普林格爾正直且堅(jiān) 持真理，拒絕執(zhí)行國(guó)王的圣旨，義正辭嚴(yán)地說 ：“陛下，許多事情

8、都可以按您的 愿望去辦，但是，不能做違背自然規(guī)律的事??！ ”美國(guó)獨(dú)立戰(zhàn)爭(zhēng)期間，年老的富蘭克林代表初創(chuàng)的美國(guó)出使法國(guó)， 利用英法之 間的矛盾爭(zhēng)取法國(guó)的援助，事實(shí)證明，他是擔(dān)任這項(xiàng)使命的理想人選。 或許這與 人類進(jìn)人了理性時(shí)代，有知識(shí)的法國(guó)人完全拜倒在這位曾經(jīng)馴服了空中閃電， 并 將它引到地面的偉人腳下有很大關(guān)系。富蘭克林集科學(xué)與政治成就于一身，他發(fā)明了搖椅，避雷針，改進(jìn)了路燈， 對(duì)氣象、地質(zhì)、聲學(xué)及海洋航行等方面都有研究，并取得了不少成就；制定了新 聞傳播法，最先組織了消防廳，創(chuàng)立了近代的郵信制度，創(chuàng)立了議員的近代選舉 法。他把政治活動(dòng)作為一種公民義務(wù)占據(jù)了他一生中的主導(dǎo)地位。這位“問蒼天借雷電

9、，向暴君取民權(quán)”的英雄1790年卒于費(fèi)城，終年84歲，費(fèi)城人民為他舉 行了空前的葬禮。歲月難掩遺珠光澤能稱量地球質(zhì)量的“科學(xué)怪人”卡文迪什和庫侖定律18世紀(jì)中葉以后，人們?cè)谝阎N電荷相互排斥和異神電荷相互吸引的基 礎(chǔ)上，提出了相互作用力的測(cè)量問題。 人們借助已經(jīng)確立的萬有引力定律， 對(duì)電 力和磁力的規(guī)律做出種種猜測(cè)。有人從實(shí)驗(yàn)上加以證明。其中最早的是一位英國(guó) 著名的科學(xué)家卡文迪什(Henry Cavendish, 1731 1810)。卡文迪什出身貴族豪門，照例卡文迪什這等身份的人或者出入官場(chǎng)， 揚(yáng)威域 內(nèi)，或者放浪形骸，寄情聲色犬馬之中，可是他生性古僻，平時(shí)連生人都不愿見到一個(gè)，在劍橋大學(xué)

10、攻讀四年，由于害怕教授而不參加考試。臨終時(shí)甚至固執(zhí)地 要求單獨(dú)死去。這個(gè)怪癖的人有一個(gè)而且僅有一個(gè)愛好，那就是科學(xué)研究，他傾盡畢生精力，獨(dú)自進(jìn)行研究度過了幾乎 60年。這是一個(gè)純粹的愛好，因?yàn)榭ㄎ?迪許并不關(guān)心他研究的成果是否發(fā)表和他是否能得到榮譽(yù)，也不關(guān)心與他的好奇 心無關(guān)的任何事情，他將詳細(xì)記錄一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論的手稿及論文鎖在柜子 里直至他離開這個(gè)世界?？ㄎ牡鲜步K身未婚，他的侄子繼承了一大筆財(cái)產(chǎn)和一大 柜手稿后，捐錢給劍橋大學(xué)彼得豪斯學(xué)院實(shí)驗(yàn)室， 這個(gè)實(shí)驗(yàn)室就是后來名聞天下 的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，人類在那里第一次揭開原子的秘密， 從1904年至1989年的 85年間一共產(chǎn)生了 29位諾貝爾

11、獎(jiǎng)得主，占劍橋大學(xué)諾獎(jiǎng)總數(shù)的三分之一。其實(shí)早在1773年，在庫侖之前12年卡文迪什就發(fā)現(xiàn)了 “庫侖定律”，甚至 其實(shí)驗(yàn)的精度超過后者。直到1879年，作為卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的第一任主任的麥 克斯韋出版了一本題為尊敬的亨利卡文迪什的電學(xué)研究一書，才杷卡文迪 什的工作公布于世：是他最早精確測(cè)定了萬有引力的常數(shù)， 是他最早提出了電荷 間的作用力和距離平方成反比，是他在法拉第之先用實(shí)驗(yàn)演示了電容器的電容和 填充的物質(zhì)相關(guān)，早在歐姆定律公開發(fā)表的三十年前他就發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體兩端的電勢(shì) 和流過的電流成正比。在化學(xué)上他甚至享有“化學(xué)家中的牛頓”的美譽(yù)，是他最 早提出水是由氫氧兩種元素組成的。麥克斯韋在書中說：“這些論

12、文證明卡文迪什幾乎預(yù)料到電學(xué)上所有的偉大事實(shí)，這些偉大的事實(shí)后來通過庫侖和法國(guó)哲學(xué) 家們的著作而聞名于科學(xué)界?！比藗児J(rèn)庫侖定律是在1785年被發(fā)現(xiàn)的，庫侖定律是電磁學(xué)中的一個(gè)基本 定律，它的建立使電磁學(xué)進(jìn)人了定量的研究，從而使電磁學(xué)真正成為一門科學(xué)， 并為后人研究電磁學(xué)打開了道路，為繼續(xù)發(fā)展電動(dòng)力學(xué)奠定了基礎(chǔ)，因此它在靜 電學(xué)中的地位相當(dāng)于力學(xué)中的萬有引力定律。庫侖(Charles Augustin de Coulomb 1736 -1806 ),法國(guó)工程師、物理學(xué)家。1736年6月14日 生于法國(guó)昂古萊姆富裕家庭。在青少年時(shí)期，他就受到 了良好的教育，1761年畢業(yè)于巴黎軍事工程學(xué)院，并

13、作為軍事工程師服役多年。后因健康日壞，被迫回家， 因此有閑暇從事科學(xué)研究。由于他寫的一篇題為簡(jiǎn)單機(jī)械論的報(bào)告而獲得法國(guó)科學(xué)院的獎(jiǎng)勵(lì)，并由此于1781年當(dāng)選為法國(guó)科學(xué)院院士。法國(guó)大革命時(shí)期，他辭去公職，在布盧瓦附近鄉(xiāng)村過隱居生活，拿破侖執(zhí) 政后，他返回巴黎，繼續(xù)進(jìn)行研究工作。1806年8月23日在巴黎逝世。庫侖制造的扭秤的構(gòu)造是：在一個(gè)直徑和高度均為12英寸（30厘米）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（60厘米）英寸的玻璃管，管子上端裝有扭轉(zhuǎn)測(cè)微計(jì)。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 橫稈，桿的一端有一小木髓球，另一

14、端貼一小紙片與 之平衡，使橫稈呈水平位置，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，它可以與橫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，然后與橫桿上的另一只小 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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)角的 大小與扭力成正比，庫侖在論文中舉了一組數(shù)據(jù)：兩小球相距36個(gè)刻度、18個(gè)刻度和8.5個(gè)刻度，即間距大體上是4: 2: 1,得到 銀絲分別扭轉(zhuǎn)了 36個(gè)刻度、144個(gè)刻度和576個(gè)刻度。即電力約為1: 22: 42。于是庫侖得出了 “帶同號(hào)電的兩球之間的斥力，與兩球中心之間的距離的平方成 反比”的

15、結(jié)論。庫侖雖然直接測(cè)量了電荷之間作用力與距離的關(guān)系，但精確度畢竟有限，如果用平方反比關(guān)系表示，其指數(shù)偏差可達(dá) 0.04 o顯然他是在模仿萬有引力定律 庫侖在另一篇論文中還提到磁力的平方反比關(guān)系，寫道：“看來，磁流體即使不在本質(zhì)上，至少也在性質(zhì)上與電流體相似。 基于這種相似性，可以假定這兩種流 體遵從若干相同的定律。也就是說，庫侖在研究電力和磁力時(shí)也是把它們跟萬有引力類比，事先建立了平方反比的概念。從庫侖定律的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過我們可以看到類比在科學(xué)研究中所起的作用。如果不是先有萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，單靠實(shí)驗(yàn)具體數(shù)據(jù)的積累 ，不知要到何年才能得到 嚴(yán)格的庫侖定律的表達(dá)式。實(shí)際上，整個(gè)靜電學(xué)的發(fā)展，都是在借鑒

16、和利用引力 理論的已有成果的基礎(chǔ)上取得的。在庫侖之后，科學(xué)家們沿著牛頓引力理論開辟 的道路繼續(xù)走下去。歐拉、拉格朗日、拉普拉斯、泊松、格林、高斯等人相繼在 電學(xué)理論上取得了成就?？茖W(xué)之路多波折，三尺講臺(tái)逐真理歐姆、奧斯特和安培18世紀(jì)末，電學(xué)從靜電領(lǐng)域發(fā)展到電流領(lǐng)域。這個(gè)大飛躍發(fā)端于動(dòng)物電的 研究，意大利學(xué)者伽伐尼和伏打在這方面起了先鋒作用。1800年，伏打進(jìn)一步把鋅片和銅片夾在用鹽水浸濕的紙片中，重復(fù)地疊成一堆，形成了很強(qiáng)的電源， 這就是著名的伏打電堆。 把鋅片和銅片插入鹽水或稀酸杯中， 也可以形成電源， 叫做伏打電池。伏打?yàn)榱俗鹬刭しツ岬南闰?qū)性工作， 在自己的著作中總是稱之為 伽伐尼電池。

17、所以，以他們兩人名字命名的電池，實(shí)際上是一回事。伏打電堆（電 池）的發(fā)明，提供了產(chǎn)生恒定電流的電源，使人們有可能從各方面研究電流的各 種效應(yīng)。從此，電學(xué)進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期一一研究電流和電磁效應(yīng)的新時(shí) 期。電學(xué)基本定律之一歐姆定律，發(fā)現(xiàn)于 1826年。喬治西蒙歐姆，德國(guó)物 理學(xué)家。1789年3月16日生于德國(guó)埃爾朗根城，雖然歐姆的父母從未受過正規(guī) 教育，但是他的父親是一位受人尊敬的人，自學(xué)了數(shù)學(xué)和物理方面的知識(shí)并且高 水平的自學(xué)程度足以讓他給孩子們出色的教育。16歲時(shí)歐姆進(jìn)入埃爾朗根大學(xué)研究數(shù)學(xué)、物理與哲學(xué)，由于經(jīng)濟(jì)困難，中途輟學(xué)，到 1813年才完成博士學(xué)業(yè)。 歐姆長(zhǎng)期擔(dān)任中學(xué)教師，由于

18、缺少資料和儀器，給他的研究工作帶來不少困難， 但他在孤獨(dú)與困難的環(huán)境中始終堅(jiān)持不懈地進(jìn)行科學(xué)研究，自己動(dòng)手制作儀器。歐姆對(duì)導(dǎo)線中的電流進(jìn)行了研究。他從傅立葉發(fā)現(xiàn)的熱傳導(dǎo)規(guī)律受到啟發(fā)，導(dǎo)熱桿中兩點(diǎn)間的熱流正比于這兩點(diǎn)間的溫度差。因而歐姆認(rèn)為，電流現(xiàn)象與此相似，猜想導(dǎo)線中兩點(diǎn)之間的電流也許正比于它們之間的某種驅(qū)動(dòng)力，即所稱的電動(dòng)勢(shì)。歐姆花了很大的精力在這方面進(jìn)行研究。 開始他用伏打電堆作電源，但 是因?yàn)殡娏鞑环€(wěn)定，效果不好。后來他接受別人的建議改用溫差電池作電源，從而保證了電流的穩(wěn)定性。但是如何測(cè)量電流的大小，這在當(dāng)時(shí)還是一個(gè)沒有解決 的難題。開始，歐姆利用電流的熱效應(yīng)，用熱脹冷縮的方法來測(cè)量電流

19、，但這種方法難以得到精確的結(jié)果。后來他把奧斯特關(guān)于電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和庫侖扭秤結(jié) 合起來，巧妙地設(shè)計(jì)了一個(gè)電流扭秤，用一根扭絲懸掛一磁針，讓通電導(dǎo)線和磁 針都沿子午線方向平行放置；再用鈿和銅溫差電池，一端浸在沸水中，另一端浸 在碎冰中，并用兩個(gè)水銀槽作電極，與銅線相連。當(dāng)導(dǎo)線中通過電流時(shí)，磁針的 偏轉(zhuǎn)角與導(dǎo)線中的電流成正比。歐姆實(shí)驗(yàn)儀示意圖實(shí)驗(yàn)中他用粗細(xì)相同、長(zhǎng)度不同的八根銅導(dǎo)線進(jìn)行了測(cè)量，得出了如下的等X=a/(b+x)式中X為磁效應(yīng)強(qiáng)度，即電流的大??；a是與激發(fā)力(即溫度差)有關(guān)的常 數(shù)，即電動(dòng)勢(shì)；x表示導(dǎo)線的長(zhǎng)度，b是與電路其余部分的電阻有關(guān)的常數(shù)，b+x 實(shí)際上表示電路的總電阻。這個(gè)結(jié)果

20、于 1826年發(fā)表。1827年歐姆又在動(dòng)電電 路的數(shù)學(xué)研究一書中，把他的實(shí)驗(yàn)規(guī)律總結(jié)成如下公式：S=T E。式中S表示電流；E表示電動(dòng)力，即導(dǎo)線兩端的電勢(shì)差，T為導(dǎo)線對(duì)電流的傳導(dǎo)率，其倒數(shù) 即為電阻。歐姆定律發(fā)現(xiàn)初期，科學(xué)界仍不承認(rèn)歐姆的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，許多人對(duì)他還抱有成 見，甚至認(rèn)為定律太簡(jiǎn)單，不足為信。當(dāng)然這也有時(shí)代背景，歐姆定律誕生于德 國(guó)理論物理學(xué)產(chǎn)生的前夕。19世紀(jì)末，德法的政治矛盾使德國(guó)科學(xué)家對(duì)法國(guó)數(shù) 學(xué)物理方法采取排斥的態(tài)度，在老年的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家中間更為盛行， 而歐姆定律 所采用的溫差電池和絲懸磁針扭力實(shí)驗(yàn)是最新穎實(shí)驗(yàn)手段，而其定律的基本理論部分也模仿了法國(guó)物理學(xué)家傅里葉的熱分析方法。

21、 歐姆定律在當(dāng)時(shí)的德國(guó)得不到 公開承認(rèn)是必然的。這一切使歐姆感到萬分痛苦和失望，直到 1841年，英國(guó)皇 家學(xué)會(huì)授予他科普利金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?，并且宣稱歐姆定律是“在精密實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中最突出 的發(fā)現(xiàn)”，他得到了應(yīng)有的榮譽(yù)。1854年歐姆與世長(zhǎng)辭。十年之后英國(guó)科學(xué)促 進(jìn)會(huì)為了紀(jì)念他，決定用歐姆的名字作為電阻單位的名稱。 使人們每當(dāng)使用這個(gè) 術(shù)語時(shí)，總會(huì)想起這位勤奮頑強(qiáng)、卓有才能的中學(xué)教師。電和磁有沒有聯(lián)系？ “頓牟綴芥，磁石引針”說明電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的相似性。 電力和磁力都遵守平方反比定律，說明它們有類似的規(guī)律。但是相似性并不等于 本質(zhì)上有聯(lián)系。17世紀(jì)初，吉爾伯特就斷言，它們之間沒有因果關(guān)系，庫侖也 持同樣觀

22、點(diǎn)。然而實(shí)際事例不斷吸引人們注意。例如： 1731年有一名英國(guó)商人 訴述，雷閃過后，他的一箱新刀叉竟帶上了磁性。1751年富蘭克林發(fā)現(xiàn)在萊頓瓶放電后，縫紉針磁化了。電真的會(huì)產(chǎn)生磁嗎？這個(gè)疑問促使 1774年德國(guó)一家研 究機(jī)構(gòu)懸獎(jiǎng)?wù)鹘?，題目是：“電力和磁力是否存在實(shí)際和物理的相似性？”許多 人紛紛作實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，但是，在伏打發(fā)明電堆以前，這類實(shí)驗(yàn)很難成功，因?yàn)?沒有產(chǎn)生穩(wěn)恒電流的條件。不過，即使有了伏打電堆，也不一定能立即找到電和 磁的聯(lián)系。1820年7月末，磁學(xué)領(lǐng)域宣布了一條激動(dòng)人心的消息；電流使原來和它平行 的磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。于是開辟了一個(gè)前景遠(yuǎn)大的新領(lǐng)域，這個(gè)消息來自于丹麥哥 本哈根大學(xué)物

23、理學(xué)教授奧斯特(H.C. Oersted, 1777 1851)。奧斯特是丹麥一個(gè)小鎮(zhèn)上藥店商人的兒子，12歲時(shí)他已受過很好的教育， 在店里擔(dān)任他父親的助手，這項(xiàng)工作激發(fā)了他對(duì)科學(xué)的興趣。 按照常理，這種早 期教育應(yīng)將他直接引向化學(xué)行業(yè)， 但卻導(dǎo)致他研究物理學(xué)。青年時(shí)，他在哥本哈 根大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)。18世紀(jì)和19世紀(jì)之交，當(dāng)全歐洲正處于騷 動(dòng)之中時(shí)，他在哥本哈根開始了藥劑師的職業(yè)生涯。當(dāng)他聽到伏打的發(fā)現(xiàn)后，立即開始電流實(shí)驗(yàn)。1801年，他進(jìn)行了傳統(tǒng)的歐洲游歷，1803年他回到了哥本哈 根，希望能在大學(xué)里當(dāng)物理學(xué)教授，三年后他如愿以償。他是一位熱情洋溢重視 科研和實(shí)驗(yàn)的教師，他說：

24、“我不喜歡那種沒有實(shí)驗(yàn)的枯燥的講課， 所有的科學(xué) 研究都是從實(shí)驗(yàn)開始的”。1819年冬到1820年春，奧斯特在哥本哈根開辦了一個(gè)講座，專門為精通哲 學(xué)和具備相當(dāng)物理知識(shí)的學(xué)者講授電、電流和磁方面的知識(shí)。1820年4月的一個(gè)晚上，奧斯特在講課中，突然想起，過去許多人在電流方向上尋找電流對(duì)磁體 的效應(yīng)都沒有獲得成功，電流對(duì)磁體的作用很可能是“橫”向的， 而不是“縱”向的。于是，他“把導(dǎo)線和磁針平行放置”進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)他接通電源時(shí)，果然發(fā) 現(xiàn)導(dǎo)線附近的小磁針向垂直于導(dǎo)線的方向擺動(dòng)起來了。小磁針的擺動(dòng)，對(duì)聽課的聽眾來說，幾乎無動(dòng)于衷，但對(duì)奧斯特來說，實(shí)在太重要了！他激動(dòng)萬分，他意識(shí)到自己已作出了重大發(fā)現(xiàn)

25、。奧斯特為了進(jìn)一步弄清楚電流對(duì)磁針的作用， 于1820年4月 到7月，花了 三個(gè)月的時(shí)間，做了六十多個(gè)實(shí)驗(yàn)，并把小磁針放在不同方位，使他得到了明確 的結(jié)果。1820年7月21日，奧斯特用拉丁文以四頁的篇幅簡(jiǎn)潔地報(bào)告了他的實(shí) 驗(yàn)結(jié)果，隨即論文很快被譯成法文，英文和德文傳便了整個(gè)歐洲。奧斯特發(fā)現(xiàn)電 流磁效應(yīng)，是電學(xué)史上的新篇章。這以后的一二十年，成了電磁學(xué)大發(fā)展的輝煌 時(shí)期。1908年丹麥自然科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)建立“奧斯特獎(jiǎng)?wù)隆保员碚米龀鲋卮筘?獻(xiàn)的物理學(xué)家。1934年以“奧斯特”命名 CGSi1位制中的磁場(chǎng)強(qiáng)度單位。1937 年美國(guó)物理教師協(xié)會(huì)設(shè)立“奧斯特獎(jiǎng)?wù)隆?，?jiǎng)勵(lì)在物理教學(xué)上做出貢獻(xiàn)的物理教 師

26、。奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的消息傳到世界各地， 在瑞士參加曰內(nèi)瓦科學(xué)會(huì)議的 法國(guó)物理學(xué)家阿拉果得知此消息后，隨即趕回法國(guó)。于同年 9月11日在法國(guó)科 學(xué)院重復(fù)了奧斯特的實(shí)驗(yàn)，引起了法國(guó)數(shù)學(xué)家安培(A.M. Amp6fe, 17751836) 的興趣：既然磁體和磁體之間有相互作用， 電流和磁體之間也有相互作用，如此 說來電流和電流之間也應(yīng)該有相互作用呀。安德烈瑪麗安培(Andr eMarie Amp ere , 1775年1月20日 一1836年6月10日),里昂人， 法國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家和數(shù)學(xué)家。安培是一位很有 才能的數(shù)學(xué)家，掌握了各種現(xiàn)代的分析工具，他在 巴黎理工大學(xué)教授數(shù)學(xué)。安培馬上集中精力研

27、究， 幾周內(nèi)就提出了安培定則即右手螺旋定則。隨后很 快在幾個(gè)月之內(nèi)連續(xù)發(fā)表了 3篇論文，并設(shè)計(jì)了 9 個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，其中安培做了關(guān)于電流相互作用的 四個(gè)精巧的實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用高度的數(shù)學(xué)技巧總結(jié)出電流元之間作用力的定律，描述兩電流元之間的相互作用同兩電流元的大小、間距 以及相對(duì)取向之間的關(guān)系。后來人們把這定律稱為安培定律。安培是第一位把研 究動(dòng)電的理論稱為“電動(dòng)力學(xué)”的科學(xué)家。 1827年安培將他的電磁現(xiàn)象的研究 綜合在電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論 一書中。這是電磁學(xué)史上一部重要的經(jīng)典論 著。為了紀(jì)念他在電磁學(xué)上的杰出貢獻(xiàn)，電流的單位“安培”以他的姓氏命名。1821年安培根據(jù)磁是由運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生的這一觀點(diǎn)

28、來說明地磁的成因和物 質(zhì)的磁性，提出了著名的分子電流假說。安培認(rèn)為構(gòu)成磁體的分子內(nèi)部存在一種 環(huán)形電流一一分子電流。由于分子電流的存在，每個(gè)磁分子成為小磁體，兩側(cè)相 當(dāng)于兩個(gè)磁極。通常情況下磁體分子的分子電流取向是雜亂無章的，它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相抵消，對(duì)外不顯磁性。當(dāng)外界磁場(chǎng)作用后，分子電流的取向大致相同， 分子間相鄰的電流作用抵消，而表面部分未抵消，它們的效果顯示出宏觀磁性。安培的分子電流假說在當(dāng)時(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)甚少的情況下無法證實(shí)， 它帶有 相當(dāng)大的臆測(cè)成分。在今天已經(jīng)了解到物質(zhì)由分子組成， 而分子由原子組成，原 子中有繞核運(yùn)動(dòng)的電子，安培的分子電流假說有了實(shí)在的內(nèi)容， 已成為認(rèn)識(shí)物質(zhì) 磁性

29、的重要依據(jù)。自學(xué)成才科學(xué)先鋒何必問出處淡泊名利平民巨匠必定有緣由一一法拉第與電磁感應(yīng)定律1812年冬季的一天，正當(dāng)拿破侖軍隊(duì)在俄羅斯平原上遭到潰敗的時(shí)候，一 位21歲的青年人來到了倫敦皇家學(xué)院，他要求和院長(zhǎng)戴維見面談話，作為自薦 書，他帶了一本裝訂好的聽戴維演講的筆記，這本筆記裝訂得非常精致美觀，直接發(fā)揮出裝訂工的最大才能，這位青年給戴維留下很好的印象。戴維正好缺少一 位助手，不久他就雇用了這位申請(qǐng)者，他就是歷史上最偉大的物理學(xué)家之一一法 拉第。不久戴維就注意到了法拉第的才能，法拉第進(jìn)人倫敦皇家學(xué)院后成為實(shí)驗(yàn) 室的助理實(shí)驗(yàn)員，并一直在這里工作了整整 55年。法拉第(Michael Farada

30、y , 1791 1867),出生于英國(guó)倫敦，1791年9月 22日出生薩里郡紐因頓一個(gè)貧苦鐵匠家庭。他的父親是個(gè)鐵匠，體弱多病，收 入微薄，僅能勉強(qiáng)維持生活的溫飽。但是父親非常注意對(duì)孩子們的教育，要他們勤勞樸實(shí)，不要貪圖金錢地位，要做一個(gè)正直的人。這對(duì)法拉第的思想和性格產(chǎn) 生了很大的影響。由于貧困，法拉第家里無法供他上學(xué)，因而法拉第幼年時(shí)沒有受過正規(guī)教育, 只讀了兩年小學(xué)。1803年，為生計(jì)所迫，他上街頭當(dāng)了報(bào)童。第二年又到一個(gè) 書商兼訂書匠的家里當(dāng)學(xué)徒。訂書店里書籍堆積如山，法拉第帶著強(qiáng)烈的求知欲 望，如饑似渴地閱讀各類書籍，汲取了許多自然科學(xué)方面的知識(shí)，尤其是大英 百科全書中關(guān)于電學(xué)的文

31、章，強(qiáng)烈地吸引著他。他努力地將書本知識(shí)付諸實(shí) 踐，利用廢舊物品制作靜電起電機(jī)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的化學(xué)和物理實(shí)驗(yàn)。他還與青年朋 友們建立了 一個(gè)學(xué)習(xí)小組，常常在一起討論問題，交換思想。重視實(shí)踐尤其是科 學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，在法拉第一生的科學(xué)活動(dòng)中貫徹始終。法拉第不放過任何一個(gè)學(xué) 習(xí)的機(jī)會(huì)，在哥哥的資助下，他有幸參加了青年科學(xué)組織-倫敦城哲學(xué)會(huì)。 通 過一些活動(dòng)，他初步掌握了物理、化學(xué)、天文、地質(zhì)、氣象等方面的基礎(chǔ)知識(shí)， 為以后的研究工作打下了良好基礎(chǔ)。從他 22歲起做上了戴維的實(shí)驗(yàn)助手，法拉 第開始了他的科學(xué)生涯。戴維雖然在科學(xué)上有許多了不起的貢獻(xiàn)， 但他說他對(duì)科 學(xué)最大的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了法拉第。法拉第勤奮好學(xué)，

32、工作努力，在戴維指導(dǎo)下做獨(dú)立的研究工作并取得了幾項(xiàng) 化學(xué)研究成果。1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，受到科學(xué)界的關(guān)注，1821年，英國(guó)哲學(xué)年鑒的主編約請(qǐng)戴維撰寫一篇文章，評(píng)述自奧斯特的發(fā)現(xiàn)以來 電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)的理論發(fā)展概況。戴維把這一工作交給了法拉第。法拉第在收集資料 的過程中，對(duì)電磁現(xiàn)象產(chǎn)生了極大的熱情，并開始轉(zhuǎn)向電磁學(xué)的研究。他仔細(xì)地 分析了電流的磁效應(yīng)等現(xiàn)象，認(rèn)為既然電能夠產(chǎn)生磁，反過來，磁也應(yīng)該能產(chǎn)生 電。1822年法拉第在奧斯特發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)下發(fā)現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，這即是原始的 電動(dòng)機(jī)，也是法拉第在電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究方面邁出的第一步。此后他集中思考的一個(gè) 重大問題，就是如何把奧斯特的發(fā)現(xiàn)倒轉(zhuǎn)過來，

33、使磁轉(zhuǎn)變?yōu)殡?。?shí)際上，當(dāng)時(shí)有 這種思想的并不只是法拉第一人。例如安培所做的實(shí)驗(yàn)甚至離發(fā)現(xiàn)磁轉(zhuǎn)變?yōu)殡妰H 一步之差；法國(guó)科學(xué)家阿拉果也發(fā)現(xiàn)了在磁鐵下面迅速轉(zhuǎn)動(dòng)的銅盤會(huì)引起磁針轉(zhuǎn) 動(dòng)的現(xiàn)象，其中顯然已顯示了磁轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷钠鯔C(jī)。 但這些都未能真正揭示電磁感 應(yīng)的本質(zhì)，法拉第才完成了這一偉大的發(fā)現(xiàn)。根據(jù)歷史記載，1830年美國(guó)科學(xué)家亨利也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，但他未公開發(fā)表。在發(fā)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象后，法拉第就經(jīng)常在口袋里放著一個(gè)小線圈， 以提醒自 己不斷思考磁變?yōu)殡姷膯栴}。他為此艱苦探索了近10年之久，做過許多次實(shí)驗(yàn)， 但日記上的記錄都是“失敗”。只有到了 1831年8月29日，他才在這個(gè)問題上有了重大突破，找到了

34、正確的實(shí)驗(yàn)方法。法拉第又進(jìn)行了新的實(shí)驗(yàn)。如圖所示，他用軟鐵做成一個(gè)外徑6英寸，厚7/8英寸的環(huán)，其上繞有 A、S兩組線圈。B線圈接檢流計(jì)，A線圈和十個(gè)電池組連接，剛接通和斷開電源時(shí)，發(fā)現(xiàn)電流計(jì)指計(jì)擺動(dòng)。這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但是法拉第并沒有立即明白其中的道理。 這在 他的同年9月的一封信中有所表露，他認(rèn)為自己在研究中抓住了一些好東西， 但 還不能說明白，認(rèn)為這可能是雜草而不是魚，但他有決心，要竭盡全力，終究可 以把它拉起來。1831年10月17日t法拉第將220英尺銅線分層繞在空心圓筒上，繞了八個(gè) 線圈，再連成一個(gè)大線圈，并接到檢流計(jì)上。他制做了一根長(zhǎng)7.2英寸和直徑0.72英寸的長(zhǎng)圓形磁鐵棒，

35、如圖所示。當(dāng)法拉第將磁鐵一端放在銅線圈附近時(shí)， 檢流計(jì)的指針絲毫不動(dòng)；但是，當(dāng)他將磁鐵棒迅速地插人到繞有銅絲的圓筒中時(shí)，突然，他十年來夢(mèng)寐以求的現(xiàn)象出現(xiàn)了一一檢流計(jì)的指針擺動(dòng)了一下。他不由自主地急忙將磁鐵棒從銅線圈中抽了出來， 檢流計(jì)的指針又?jǐn)[動(dòng)了 一下。反復(fù)的實(shí) 他都顯示了相同的現(xiàn)象一一在磁鐵棒插入線圈或從線圈中抽出的一剎那間，檢流計(jì)的指針也隨著擺動(dòng)。法拉第為之再三思索，得出結(jié)論：“要產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁鐵必須運(yùn)動(dòng) W為以前的試驗(yàn)，磁鐵和線圈都是靜止的，而只有磁鐵插入到線圈的 瞬間（運(yùn)動(dòng)時(shí)）才有感應(yīng)電流產(chǎn)生。”接著，法拉第又發(fā)現(xiàn)，無論是磁鐵運(yùn)動(dòng)插 人到靜止的線圈內(nèi)，還是將線圈運(yùn)動(dòng)套到靜止的磁鐵上

36、去， 只要兩者之中有一個(gè) 運(yùn)動(dòng)，就有感應(yīng)電流產(chǎn)生。接著，他試驗(yàn)?zāi)芊癞a(chǎn)生大量的電流。他向皇家學(xué)會(huì)借了一塊大的U形磁鐵,又做了一個(gè)銅線圈，線圈上裝有一個(gè)柄。他把銅線圈與檢流汁相接，然后放在U形磁鐵中間旋轉(zhuǎn)，這時(shí)檢流計(jì)上的指針移動(dòng)了，線圈中感應(yīng)出電流來了。1831年11月24日，法拉第總結(jié)了一系列有關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，向英國(guó)皇家學(xué) 會(huì)提出了論文。法拉第概括出有五類情況可以產(chǎn)生感應(yīng)電流：變化著的電流；運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流；變化的磁場(chǎng)；運(yùn)動(dòng)的磁鐵； 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體這就是法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 這是一個(gè)劃時(shí)代的偉大發(fā)現(xiàn)，使人類第 一次掌握了電和磁相互轉(zhuǎn)變以及由機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)變的方法和手段，成為現(xiàn)代一切發(fā)電

37、機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變壓器的基礎(chǔ)，為現(xiàn)代強(qiáng)大的電力工業(yè)、電子學(xué)工業(yè)和 無線電工業(yè)的興起和發(fā)展開辟了廣闊道路， 使人類歷史邁入了電學(xué)世紀(jì)，其意義 之重大深遠(yuǎn)，怎么估價(jià)也不過分。法拉第在上述重大發(fā)現(xiàn)之后接著研究的問題是 各種電的同一性。當(dāng)時(shí)產(chǎn)生電的方法不只一種，例如有摩擦起電、伽伐尼電、伏 打電和法拉第自己發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)電等等， 這些不同方法產(chǎn)生的電是不是相同 的，一直成為人們關(guān)心和討論的對(duì)象。法拉第通過細(xì)心研究各種不同方法產(chǎn)生的 電的磁作用、熱效應(yīng)、電解作用、生理效應(yīng)以及電火花等，獲得了充分的證據(jù)， 證明了這些電是完全相同的，從而一舉掃除了在這個(gè)問題上的種種迷霧。法拉第的思想非常深刻，具有創(chuàng)造性并富有高

38、度的想象力。他以長(zhǎng)期埋頭從 事實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)踐中所形成的邏輯思維方法和科學(xué)直覺， 能夠不用數(shù)學(xué)語言而洞 察出客觀事物的本質(zhì)。麥克斯韋曾經(jīng)指出：“法拉第的思想本身是數(shù)學(xué)化的，可以用數(shù)學(xué)語言表示 出來”。19世紀(jì)歐洲著名的數(shù)學(xué)物理大師亥姆霍茲也指出：“法拉第的不少理論， 必須用高深的數(shù)學(xué)分析方法才能推導(dǎo)出來， 而他竟然未求助一個(gè)數(shù)學(xué)公式，僅僅 依靠直覺就發(fā)現(xiàn)了它們，這是極其令人驚異的?！边@些論述，十分深刻地揭示了 法拉第思想最突出的特點(diǎn)，因此有人說：“法拉第能聞出真理?！弊畹湫偷氖欠ɡ谝罁?jù)磁鐵附近的鐵屑分布狀態(tài)， 提出了磁力線和電力線的 概念。他在電磁感應(yīng)、電化學(xué)、靜電感應(yīng)和磁感應(yīng)的研究中進(jìn)一步深化和發(fā)展了力線思想，并進(jìn)而提出了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的概念。 法拉第應(yīng)用力線描述電和磁的作用 及其傳播方式，不但能夠形象而真實(shí)地反映空間任何一點(diǎn)上電作用和磁作用的強(qiáng) 度和方向，而且深刻地揭示出它們?cè)诳臻g內(nèi)的傳播方式：電力和磁力以線形式在空間內(nèi)連續(xù)傳播。法拉第還認(rèn)為原子是力線的中心，力線本身是物質(zhì)，起傳播電 力和磁力的作用。在此之前，人們主要研究力對(duì)物質(zhì)的作用，一度受超距作用觀 點(diǎn)的支配，而現(xiàn)在法拉第則把研究的重心轉(zhuǎn)到了力在物質(zhì)粒子之間以及空的空