第三章 电磁学的发展

历史概述 电现象和磁现象很早受人类注意，留下了许多文字记载。在17世纪前，大多数是观察和零碎的知识，到17世纪后才有一些系统的研究，而定量的研究则更晚。18世纪中叶以后，磁力和电力的平方反比定律相继发现，静电学和静磁场开始沿牛顿力学的发展登上科学的舞台。18世纪末，随着电堆的发明，人们有可能人为地产生和控制电流。19世纪，电流的磁效应、化学效应、热效应相继的发现，其规律得到了定量的表述，电学和磁学得到了和谐统一的发展，建立了统一的电磁理论，并证实了电磁波的存在。

第一节 关于静电和静磁现象的研究 一、早期的磁学和电学研究 Electricity（电）来自希腊文的“琥珀”。 中国古代，早在公元前3世纪，古书《韩非子》就记载司南；《吕氏春秋》记有慈石召铁。西汉末年（公元20年）有玳瑁吸细小物体。 系统研究始于17世纪。1600年，英国医生吉伯（1544-1603）发表了《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》，吉伯的工作是磁学成为物理学的一个分支。

1660年，盖里克（1602-1668）发明摩擦起电机。 盖里克的摩擦起电机实验被许多人重复，人们纷纷仿照他的方法做静电实验，1705年豪克斯比（1666-1713）用空心玻璃球代替硫磺球，发现效果一样。 1720年，格雷（1675-1736）研究了电的传导现象，发现导体和绝缘体的区别。随后，他又发现了导体的静电感应现象。 1773年杜菲（1698-1739）经过实验区分出两种电荷，他分别为松脂电（负电）和玻璃电（正电），并总结出静电作用的基本特性：同性相斥，异性相吸。 莱顿瓶的发明使电现象得到更深入的研究，这是克莱斯特和马森布落克在1745-1746年分别做出。

二、富兰克林对雷电现象的研究 1.富兰克林(1706-1790): 美国人 　　在全家10个孩子中排行8，其父是小手工业者，家境贫困。他在10岁时缀学，12岁当印刷所学徒，阅读了许多书籍，和几个青年创办了“共读社”，后来成为科学家和政治家。自己写的墓志铭:“印刷工富兰克林”。　　 从苍天那里取得了雷电，从暴君那里取得了民权。——杜尔格（法）

2.费城实验 　1746年，一位英国学者在波士顿利用玻璃管和莱顿瓶表演了电学实验。富兰克林怀着极大的兴趣观看了他的表演，并被电学这一刚刚兴起的科学强烈地吸引住了。随后富兰克林开始了电学的研究。富兰克林在家里做了大量实验，研究了两种电荷的性能，说明了电的来源和在物质中存在的现象。在十八世纪以前，人们还不能正确地认识雷电到底是什么。当时人们普遍相信雷电是上帝发怒的说法。一些不信上帝的有识之士曾试图解释雷电的起因，但都未获成功，学术界比较流行的是认为雷电是“气体爆炸”的观点。

富兰克林当时已40岁时，对电很有兴趣。其中有一个想法，天上的电和地电是统一的吗? 他经过反复思考，断定雷电也是一种放电现象，它和在实验室产生的电在本质上是一样的。于是，他写了一篇名叫《论天空闪电和我们的电气相同》的论文，并送给了英国皇家学会。但富兰克林的伟大设想竟遭到了许多人的嘲笑，有人甚至嗤笑他是“想把上帝和雷电分家的狂人”。 　　富兰克林决心用事实来证明一切。1752年6月的一天 ，一个电闪雷鸣的上午，他将一个风筝放到空中，风筝下有一根铁丝，铁丝下栓一根麻绳，当一道闪电从风筝上掠过，富兰克林用手靠近风筝上的铁丝，立即掠过一种恐怖的麻木感。

他抑制不住内心的激动，大声呼喊：“威廉，我被电击了！”随后，他又将风筝线上的电引入莱顾瓶中。回到家里以后，富兰克林用雷电进行了各种电学实验，证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。富兰克林关于天上和人间的电是同一种东西的假说，在他自己的这次实验中得到了光辉的证实。

　　富兰克林的工作，揭开了雷电的奥秘，统一了“天电”和“地电”，震惊了科学界。 小插曲： 　　为了验证“地电”与“天电”的相同处，富兰克林想到雷可以击死动物，于是他就实验用“地电”去击杀火鸡，结果被电打昏了。苏醒后，却不介意地说：“我本想用电杀死一只火鸡，结果差点电死了一个傻瓜。” 　　然而，风险是的确存在的。1753年，俄国的里赫曼在做大气电实验时不幸中电身亡，为科学献身。

3.发明避雷针: 富兰克林并不满足，将他的发现转化为了新的发明。避雷针诞生了。 4.科学兴趣广泛 命名了正电，负电，发现了电荷守恒定律，研究了火炉的改良，植物的移植，传染病的防治。 　　写出了《电学的实验和研究》的著作。 5.　富兰克林是独立宣言和美国宪法的起草人之一，为祖国的独立和解放作出了贡献的政治活动家。

三、从定性到定量-----库仑定律的发现 （一）、类比法的成功

1.普利斯特利(1733-1804):德国人，氧气的发现者。化学家。 2.富兰克林的空罐实验 　　用丝线将一小块软木悬挂在带电金属罐外的附近，软木受到吸引。但把它悬挂在罐内时，不论在罐内何处，它都不受电力。 　　当富兰克林写信将这一现象告之普利斯特利后，普氏想到:1687年牛顿曾证明:万有引力若服从平方反比定律，则均匀的物质球壳对壳内物体应无作用。 　　普利斯特利将空罐实验与牛顿推理类比，联想到电力也表现了这种特性，所以也应遵从平方反比定律。

（二）、库仑的引力实验 1.库仑(1736-1806): 法国人，当过法国部队的技术军官，后被选为法国科学院院士。 2.库仑的扭秤实验 　　金属丝的扭力正比于扭转角，将扭丝悬挂起来，可以测万分之一格令的小力，1785年库仑据此制成电秤，以测定电力。 3.库仑定律 万有引力定律 4.库仑定律的建立使电磁学进入了定量的研究，使电磁学真正成为一门科学，数学的引入，使这门科学更锦上添花。

　如果不是与万有引力进行类比，单靠实验具体数据的积累，严格的库仑定律的形式将很难得到。 　由此我们可以看到类比在科学研究中的作用。 （三）、卡文迪许(1731-1810): 英国人，万有引力的验证人。他比欧姆更早发现欧姆定律，比库仑用扭秤测电力早11年，是“弦丝挂，火漆封”派的带头人。 卡文迪许也设计了库仑定律的实验，但却未发表。

四、由静电到动电----电流的发现 一、伽伐尼的研究(1737-1798): 意大利人，解剖学教授。 　　1780年他与学生解剖青蛙，发现电火花会使蛙腿抽搐，后来他又发现当用铜钩倒挂蛙腿，再用铁梁横挑，蛙腿也会痉挛。 　　1791年发表了论文《论肌肉运动中的电力》。 　　发现电流的第一人，但认为是一种动物电。

二、伏打（1737-1798）的“金属接触说” 1.伏打 　　意大利帕维大学教授，否定了伽伐尼动物说。他认为，电来自两种不同金属的接触，青蛙只不过是起了验电器的作用。 　　为了阐明自己的观点，他比较了各种金属，并把它们排成表，只要将其中两种金属接触，就可以产生接触电势差。

2.伏打电池——第一个直流电源 　　1800年，伏打根据他自己的观点，制成了伏打电池。得到了拿破仑授予的一枚金质奖章。并成为法国科学院的院士。今天电学中的一个重要单位伏特，就是为了纪念他。

3.意义 　　电池的发明，提供了产生恒定电流的电源，使电学从静电走向动电，为人们研究电流的各种效应提供了条件。从此电学进入了飞速发展时期。 三、欧姆定律(1787-1854) 乔治·西蒙·欧姆生于德国埃尔兰根城，父亲是锁匠。父亲自学了数学和物理方面的知识，并教给少年时期的欧姆，唤起了欧姆对科学的兴趣。16岁时他进入埃尔兰根大学研究数学、物理与哲学，由于经济困难，中途缀学，到1813年才完成博士学业。欧姆是一个很有天才和科学抱负的人，他长期担任中学教师，但他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈地进行科学研究，自己动手制作仪器，后被慕尼黑大学任命为教授。

欧姆对导线中的电流进行了研究。他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，即现在所称的电动势。通过实验验证，在1826年发现了欧姆定律，由此与电流相关的物理量可以测定和推出。

人们为纪念他，将电阻的单位定为“欧姆”。

欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视，经济极其困难，使欧姆精神抑郁。直到1841年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌，才引起德国科学界的重视。

第二节 电磁联系的发现 自吉尔伯特开始以来的二百多年，电和磁一直是毫无关系的两门学科，1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，建立了电与磁的联系。围绕电与磁寻找自然现象之间的联系，才成为一种潮流。

一、发现电流磁效应 丹麦著名的物理学家奥斯特(1777-1851)发现了电流的磁效应。电流磁效应的发现并不是人们所认为的是他的偶遇，他早就有把自然界中各种现象相互联系的思想。1803年他就说过，我们物理学将不再是运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的任何其他现象的零碎罗列，而我们将把整个世界容纳在一个体系中。奥斯特正是以这样的观点出发，来探索电和磁之间的联系，这是他发现电流磁效应的思想基础。

“在观察的领域内，机遇只偏爱那种有准备的头脑。”　 　　　　　　　　　　——巴斯德

1818-1819年，与奥共事的人说:“奥斯特经常在寻找这两种大自然力之间的关系。” 　1812年:“我们应该检验的是，究竟电是否以其最隐蔽的方式对磁体有类似的作用。” 1818-1819年，与奥共事的人说:“奥斯特经常在寻找这两种大自然力之间的关系。” 　机会来了，1820年4月的一天晚上，奥斯特在讲课中突然出现了一个想法，讲课快结束时，他说：“让我把导线与磁针平行放置来试试看。”当他接通电源时，发现小磁针微微动了一下。这一现象使奥斯特又惊又喜，他紧紧抓住这一现象，连续进行了3个月的实验研究，终于在1820年7月21日发表了题为《关于磁针上的电流碰撞的实验》的论文。这篇仅用了4页纸的论文，是一篇极其简洁的实验报告。

奥斯特在报告中讲述了他的实验装置和多个实验的结果，从实验总结得出：电流的作用仅存在于载流导线的周围；沿着螺纹方向垂直于导线；电流对磁针的作用可以穿过各种不同的介质；作用的强弱决定于介质，也决定于导线到磁针的距离和电流的强弱；铜和其他一些材料做的针不受电流作用；通电的环形导体相当于一个磁针，具有两个磁极等。这篇短短的论文使欧洲物理学界产生了极大震动，导致了大批实验成果的出现，由此开辟了物理学的新领域——电磁学

发现电流磁效应意义： 　第一个解释出了电与磁之间的内在联系。 　为电报和电机的发明开辟了道路。 为电磁场理论的发展奠定了基础。

二、安培和安培定律

安培(André MarieAmpè 1775～1836年)，法国物理学家，是与奥斯特同时代的。1775年1月22日生于里昂一个富商家庭。年少时就显出数学才能。他的父亲信奉卢梭的教育思想，供给他大量图书，令其走自学的道路，于是他博览群书，吸取营养；卢梭关于植物学的著作燃起了他对科学的热情。1802年他在布尔让-布雷斯中央学校任物理学和化学教授；1808年被任命为新建的大学联合组织的总监事，此后一直担任此职；1814年被选为帝国学院数学部成员；1819年主持巴黎大学哲学讲座；1824年担任法兰西学院实验物理学教授。1836年6月10日在巡视法国各大学途经马赛时逝世。终年61岁。

1、安培最主要的成就是1820～1827年对电磁作用的研究。 　　①发现了安培定则 　　奥斯特发现电流磁效应的实验，引起了安培注意，使他长期信奉库仑关于电、磁没有关系的信条受到极大震动，他全部精力集中研究，两周后1820.9.18就提出了磁针转动方向和电流方向的关系及从右手定则的报告，以后这个定则被命名为安培定则。做成了第一块电磁铁. 　　②发现电流的相互作用规律 　　接着在1820.9.25他又提出了电流方向相同的两条平行载流导线互相吸引，电流方向相反的两条平行载流导线互相排斥。对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论。

③发明了电流计 　安培还发现，电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性和磁铁相似，创制出第一个螺线管，在这个基础上发明了探测和量度电流的电流计。 　④提出分子电流假说 　他根据磁是由运动的电荷产生的这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。在1821.1提出了著名的分子电流假说。安培认为构成磁体的分子内部存在一种环形电流——分子电流。由于分子电流的存在，每个磁分子成为小磁体，两侧相当于两个磁极。通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的，它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，分子间相邻的电流作用抵消，而表面部分未抵消，它们的效果显示出宏观磁性。

安培的分子电流假说在当时物质结构的知识甚少的情况下无法证实，它带有相当大的臆测成分；在今天已经了解到物质由分子组成，而分子由原子组成，原子中有绕核运动的电子，安培的分子电流假说有了实在的内容，已成为认识物质磁性的重要依据。他总结了当时有关动电的理论研究,于1822年发表《电动力学的观察汇编》. ⑤总结了电流元之间的作用规律——安培定律 　安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验， 1820年12月4日运用高度的数学技巧总结出电流元之间作用力的定律，描述两电流元之间的相互作用同两电流元的大小、间距以及相对取向之间的关系，这就是著名的安培定律

后来人们把这定律称为安培定律。安培第一个把研究动电的理论称为“电动力学”，1827年安培将他的电磁现象的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中。这是电磁学史上一部重要的经典论著。为了纪念他在电磁学上的杰出贡献，电流的单位“安培”以他的姓氏命名。 他在数学和化学方面也有不少贡献。他曾研究过概率论和积分偏微方程；他几乎与H戴维同时认识元素氯和碘，导出过阿伏伽德罗定律，论证过恒温下体积和压强之间的关系，还试图寻找各种元素的分类和排列顺序关系。

2、“电学中的牛顿” 　　安培将他的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中，成为电磁学史上一部重要的经典论著。麦克斯韦称赞安培的工作是科学上最光辉的成就之一，还把安培誉为“电学中的牛顿”。 　　安培在他的一生中，只有很短的时期从事物理工作，可是他却能以独特的、透彻的分析，论述带电导线的磁效应，因此我们称他是电动力学的先创者，他是当之无愧的。

3、趣闻轶事 （1）怀表变卵石 安培思考科学问题专心致志，据说有一次，安培正慢慢地向他任教的学校走去，边走边思索着一个电学问题。经过塞纳河的时候，他随手拣起一块鹅卵石装进口袋。过一会儿，又从口袋里掏出来扔到河里。到学校后，他走进教室，习惯地掏怀表看时间，拿出来的却是一块鹅卵石。原来，怀表已被扔进了塞纳河。 （2）马车车厢做“黑板”

三、变磁生电的发现者——法拉第 （一）、法拉第(1791-1867) 法拉第是19世纪电磁学领域中最伟大的实验物理学家，他在电磁学的研究方面所做的贡献，如同他的前辈伽利略和牛顿在力学方面的贡献一样，具有划时代的意义。 法拉第是一个穷铁匠的儿子，兄妹10人。全家的生活常靠慈善机关的救济来维持，他的一生几乎没有进过什么正规的学校，12岁就当书店的报童，后来当了装订工。但他勤奋好学，几乎利用了所有的工余时间拼命地读书，甚至常常一边装订，一边学习。书是人类知识的宝库，法拉第正是通过勤奋读书才走上他的科学道路的。

法拉第被书里的那些电现象和化学实验深深地吸引。他不但读书，而且照书上的实验一个个地做。他虽然只有很少的钱，但几乎全部用来买实验器具了。后来听了英国著名的化学家戴维的演讲，法拉第被深深地感动了，他决心寻找自己的科学道路了。经过他的努力，1813.3.1他当了戴维助手。 戴维后来回忆说，他一生有许多发现，但“一生最伟大的发现是法拉第”。 1815.3法拉第开始独立进行科学实验，从此开始，发挥了惊人的研究才干，成果累累。

1821年受任为皇家学院实验室总监和代理实验室主任。 　1821年，开始电磁学的研究，总共工作四十年。 　1822年，在日记中他就为自己确定了一个新的研究课题“把磁转变成电”。 “在物理学的全部历史中——最全能的实验物理学家却是一个仅受过初等教育的人。……他，就是法拉第。”　　　　——萨莫斯（美）

（二）、法拉第的主要贡献 1.电磁感应的发现: 　　法拉第经历10年的失败、实验、再失败、再实验于1831年8月29日，法拉第终于取得了突破性进展。法拉第发现了电磁感应的第一个效应，即以一个电流产生另一个电流。接着他对各种情况进行了研究。1831.11.24，法拉第向英国皇家学会报告了整个情况，他把可以产生感应电流的情况可以分为5类： 变化的电流、变化的磁场、运动的稳恒电流、运动的磁铁、在磁场运动的导线。他正确地指出，感应电流与电流的变化有关，而不是与原电流本身有关。法拉第将上述现象正式定名为“电磁感应”。

磁转变为电的理想实现了，接着他又作出了许多新的重要的发现： 1833-1834 发现了电解定律； 1834 发现了自感现象； 1845 发现了磁光效应，同年又发现物质的抗磁性。 1851发表《论磁力线》的论文。

2.力线的提出者 　　为了解释电磁现象，必须找到一种直观表示的方法。 他凭借自己惊人的想象力，对场的物理图象作出了非常直观的描述。他类比于流体力学，提出场是力的线或力的管子组成，正是这些力线、力管把不同的电荷、磁体或电流连接在一起。法拉第用一张撒上铁粉的纸，演示了力线和力管，他认为具有实在的物理意义。后来经数学家证明了其概念的正确，他为场的理论建立作出贡献。　

汤姆逊说:“我想电场和磁场的许多性质，借助力线就可以最简单而富有暗示地表示出来。” 法拉第对光的磁化、电流的化学现象和反磁性的发现等都有自己独到的见解。

三、法拉第的研究思路 　　1.对自然力的统一性可转化性坚信不移。 　　“我早已持有一种见解，它几乎达到深信不移的程度，而且我想这也是其他许多自然科学爱好者的见解，即物质之力所表现出来的各种形式具有普遍的起源。” 　　2.对电磁波的朦胧预见。 1832年，他写了一封密封的信给英国的皇家学会，收藏在皇家学会的档案馆里躺了100多年，直到1938年，才为后人发现、启封。信中法拉第有许多新的观点。 “磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动。”

3.研究特色 　　法拉第通过力线和场，将电场和磁场的重要性质表现出来了。 　　麦克斯韦:“在数学家看到相互超具吸引力的中心的时候，法拉第则用他特有的思维的眼睛看到穿过全空间的力线。……” 4.法拉第思想方法的一些局限性：将一切归结于“力”等。

四、对法拉第的高度评价 　　一生最大的发现，是发现了法拉第。—戴维戴维 　　我们把法拉第首先看作是科学家中最有成效最高尚的典型。 　　　　　　　　　　　　　　　　——麦克斯韦 铁匠的儿子法拉第，在青年时代的早期，作过装订工人的学徒，临死时是所有科学学会的会员，是那时物理学家公认的领袖。　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　——斯托列托夫

当法拉第在演示他的电磁感应现象时，一位贵妇曾问道：“您的电流计指针动一下有什么意义呢？”法拉第回答道：“夫人，当一个婴孩诞生的时候，您会想到他将会完成何等事业吗？” 　　法拉第如此至爱的这个“婴儿”，的确有着惊人之举。1867年西门子根据这一原理创造了发电机，从此人类有了“电”，它至今仍为我们带来光明和幸福。当我们在尽情享受电灯、电视、电影……这一切现代文明的时候，我们怎能不感谢这位铁匠的儿子呢？

亨利1827年作成能吸引300公斤重物体的电磁铁. 楞次1833年发现电磁感应现象的规律.