1.1.1 电的发现

1．摩擦起电

“电”一词在西方是从希腊文琥珀一词转意而来的，是能的一种形式，它包括了许多种由于电荷的存在或移动而产生的现象，自然界的闪电就是其中一种。最早关于电的记载可追溯到公元前6世纪，在公元前585年，希腊哲学家泰勒斯记载了用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体。后来又有人发现摩擦过的煤玉也具有吸引轻小物体的能力。在以后的两千多年中，这些现象被看成与磁石吸铁一样，属于物质具有的性质。

1600年，英国物理学家吉伯发现，不仅琥珀和煤玉摩擦后能吸引轻小物体，相当多的物质经摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质（见图1-1），他注意到这些物质经摩擦后并不具备磁石那种指南北的性质。为了表明与磁性的不同，他采用琥珀的希腊字母拼音把这种性质称为“电的”。

大约在1660年，马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机。他用硫黄制成形如地球仪的可转动球体，用干燥的手掌摩擦转动球体，使之获得电。盖利克的摩擦起电机经过不断改进，在静电实验研究中起着重要的作用，直到19世纪霍耳茨和推普勒分别发明感应起电机（见图1-2）后才被取代。

2．伽伐尼青蛙实验

1780年，意大利的解剖学家伽伐尼偶然观察到与金属相接触的蛙腿发生抽动。伽伐尼（见1-3）在实验室解剖青蛙，把剥了皮的蛙腿，用刀尖碰蛙腿上外露的神经时，蛙腿剧烈地挛，同时出现电火花（见图1-4）。后来他多次实验研究发现，在动物体内存在着某种电，果使神经和肌肉与两种不同的金属接触，再使这两种金属相接触，这种电就会被激发出来。一步的实验使伽伐尼认为蛙的神经中有电源，很可能是从神经传到肌肉的特殊的“电质”引起的“动物电”。每根肌纤维就是一个小电容器，放电时便产生收缩。青蛙腿上的经受到了电刺激，产生新的生物电，后者沿神经传导到肌肉，引起了肌肉的紧张收缩，发了电流，人们把这种电流称为“伽伐尼电流”。

3．库仑扭秤

很久以前，人们已经知道电荷只有两种，同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。但是种相互排斥或吸引的力非常小，难以测量，两千多年来人们始终无法了解这种力的规律。85年，库仑（见图1-5）设计了精巧的扭秤实验（见图1-6），利用有弹性的细小纤维扭转形，测量微小的力，发现了它们遵循的规律。这种相互吸引或排斥的力，与两个小球所带量的乘积成正比，与两个小球之间距离的平方成反比。库仑用自己发明的扭秤建立了静学中著名的库仑定律，为了纪念这位探索电的先驱，人们把电量的单位称为“库仑”。

4．莱顿瓶与伏打电堆

1745年，荷兰莱顿大学的物理学教授穆申布鲁克发明了能保存静电的莱顿瓶。莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶的外面和瓶内均贴上像纸一样的银箔，把摩擦起电装置所产生的电用导线引到瓶内的银箔上面，而把瓶外壁的银箔接地，这样就可以使电在瓶内聚积起来（见图1-7）。如果用一根导线把瓶内的银箔和瓶外壁的银箔连接起来，则产生放电现象，引起电火花，发出响声，并伴随着一种气味。莱顿瓶的发明，为科学界提供了一种储存电的有效的方法，为进一步深入研究电的现象提供了一种新的强有力的手段。

18世纪后期电学的另一个重要的发展是意大利物理学家伏打（见图1-8）发明了电池，在这之前，电学实验只能用摩擦起电机的莱顿瓶进行，而它们只能提供短暂的电流。1792年，伏打对伽伐尼青蛙实验进行了仔细研究之后，认为蛙腿的抽动是一种对电流的灵敏反应。电流是两种不同金属插在一定的溶液内并构成回路时产生的，而肌肉提供了这种溶液。基于这一思想，1799年，他制造了第一个能产生持续电流的化学电池，其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体，叫做伏打电堆（见图1-9）。他在一封写给皇家学会会长班克斯（1743—1820）的著名信件中介绍了他的发明，用的标题是“论不同导电物质接触产生的电”。电堆能产生连续的电流，它的强度的数量级比从静电起电机得到的电流大，由此开始了一场真正的科学革命。为了纪念这位杰出的科学家，人们把电压的单位定为“伏特”。伏特简称伏，符号是V。伏打电堆可以说是伏打赠给19世纪的宝贵礼物。他的这个发明为电流效应的应用开创了前景，并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具。

5．富兰克林风筝实验

莱顿瓶的发明使物理学第一次有办法得到很多电荷，并对其性质进行研究。1746年，英国伦敦一名叫柯林森的物理学家，通过邮寄向美国费城的本杰明·富兰克林赠送了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法，这直接导致了1752年富兰克林著名的费城实验。他做了一个把风筝放到雷雨云里去的实验。他用金属丝把一个很大的风筝放到云层里去，金属丝的下端接了一段绳子，另外金属丝上还挂了一串钥匙。当时富兰克林一只手拉住绳子，用另一只手轻轻触及钥匙。于是他立即感到一阵猛烈的冲击（电击），同时还看到手指和钥匙之间产生了小火花（见图1-10）。这个实验表明：被雨水湿透了的风筝的金属线变成了导体，把空中闪电的电荷引到手指与钥匙之间，这在当时是一件轰动一时的大事。

为什么富兰克林的这一实验会引起这样的轰动？因为当时社会上对于雷电有一种恐惧心理，大多数人认为雷电是上帝之火”，是天神发怒的表现。富兰克林在美国费城的实验惊动了教会，他们斥责他冒犯天威，是对上帝和雷公的大逆不道。然而，他仍然坚持不懈，而且在一年后制造出世界上第一个避雷针，终于制服了天电。由于教堂高高耸立的塔尖常被雷电所击，教会为了保护教堂，最终也不得不采用了这个“冒犯天威”的装置。富兰克林的这个实验，不仅在美国有很大的影响，也影响到世界其他国家。

1.1.2 电的效应

1．奥斯特电流磁效应

丹麦物理学家、化学家奥斯特（见图1-11）根据已发现一些电可能会发生磁的迹象，坚电磁间有联系，并开展电是否能产生磁的研究。1820年4月的一天，奥斯特在一次讲演快束的时候，抱着试试看的心情又做了一次实验。他把一条非常细的铂导线放在一根用玻璃罩着的小磁针上方，接通电源的瞬间，发现磁针跳动了一下（见图1-12）。这一跳使有心奥斯特喜出望外，竟激动得在讲台上摔了一跤。以后的两个月里，奥斯特闭门不出，设计几十个不同的实验，都证实了通电导线周围存在磁场。同年7月，奥斯特发表了《关于磁周围电冲突的实验》论文，向学术界宣布了电流的磁效应，整个物理学界都震惊了。

2．安培电流磁效应与分子电流假说

20年7月，奥斯特发表关于电流磁效应的论文后，法国化学家安培（见图1-13）报告了他的实验结果：通电的线圈与磁铁相似。9月25日，他报告了两根载流导线存在相互影响，相同方向的平行电流彼此相吸，相反方向的平行电流彼此相斥（见图1-14），并进一步发现了通电螺线管与条形磁铁的等效性（见图1-15）。通过一系列经典的和简单的实验，他认识到磁是由运动的电产生的。他用这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。他提出分子：电流从分子的一端流出，通过分子周围空间由另一端注入；非磁化电流假说（见图1-16）的分子的电流呈均匀对称分布，对外不显示磁性；当受外界磁体或电流影响时，对称性受到破坏，显示出宏观磁性，这时分子就被磁化了。

为了进一步说明电流之间的相互作用，1821～1825年，安培做了关于电流相互作用的4个精巧的实验，并根据这4个实验导出两个电流元之间的相互作用力公式。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，对以后电磁学的发展起了深远的影响。为了纪念安培在电学上的杰出贡献，电流的单位安培是以他的姓氏命名的。

在科学高度发展的今天，安培的分子电流假说已成为认识物质磁性的重要依据。

3．法拉第电磁感应

英国著名物理学家、化学家法拉第（见图1-17）经过近10年的努力，于1831年发现了电磁感应现象。他把磁产生电的现象称为，“电磁感应”并且概括了可以产生感应电流的几种途径：电流变化、磁场变化、流过恒定电流的导线空间位置变化、磁场运动及使导体在磁场中运动。里的关键技术是：产生感应电流的回路都是处在一个变化的磁场中，一旦磁场变化停止，应电流就消失（见图1-18）。

实际上，法拉第已经告诉了人们发电的5种方法，其中第5种已经成为今天全世界共同用的发电方式，目前人们使用的电主要用这种方法得到。电磁感应现象的应用例子如图1-19图1-20所示。

1.1.3 欧姆定律实验

1825年5月，德国物理学家欧姆（见图1-21）研究探讨了电流产生的电磁力的衰减与导线长度的关系，其结果在他的第一篇科学论文中发表，在这个实验中，他碰到了测量电流强度的困难。在德国科学家施威格发明的检流计启发下，他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤方法巧妙地结合起来，设计了一个电流扭力秤，用它测量电流强度。欧姆从初步的实验中证实，电流的电磁力与导体的长度有关。随后，在实验中改变电路上的电动势中，他发现，电荷在导体中流动遵从一种十分简单的规律：电流和电压成正比。电压和电流之间的比例系数称作电阻，它表示导体对电荷流动所呈现的“阻力”（见图1-22）。电动势与电阻之间的依存关系，就是欧姆定律。欧姆定律的发现奠定了电路研究的基础，但当时德国学术界不承认他的成果，拒绝发表他的研究报告，权威们认为“电学中没有如此简单的规律，而且欧姆只不过是一名中学教员”。直到1841年，欧姆的工作才引起德国学术界的重视。两年之，后，他离开了人世。人们为了纪念他，把电阻的单位定为“欧姆”“欧姆”已经成为今天电学中使用频率最高的词汇之一。

1.1.4 电磁波的发现

1．麦克斯韦方程组

法拉第无疑是一位伟大的实验家，有丰富的想象力，但他的一系列观点还缺乏严格的数学形式，在理论上不够严密。加上当时在学术界中，“超距作用”的传统观念还很深，所以当时学术界对法拉第的学说表示出冷漠、甚至非议。可是年轻的麦克斯韦却有与众不同的眼光，他体会到了“场”的引入的革命性意义。他被法拉第的成果所吸引。在1856年以后，他致力于用数学语言翻译和表述电磁场的运动规律。

麦克斯韦（见图1-23）通过对前人的发现和成果加以总结和升华，以及结合位移电流概念的引入，创造性地提出了变化电场可在周围激发磁场的假设，把物理与数学紧密结合，利用类比方法建立了描写电磁场运动规律的麦克斯韦方程组（见图1-24）。由麦克斯韦方程组出发，根据交变的电场（或磁场）可在周围产生交变磁场（或电场），预言了电磁波。他认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来，电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波。（见图1-25）

麦克斯韦的电磁理论首次综合和发展了前人工作，给出了一个描写“电磁场”运动的完美的统一方程；充分反映了电场与磁场及时间空间的对称性；数学形式简单优美，充分体现了物理学的“美”及数学的重要性；更重要的是，科学家正是利用数学方法从庞杂的经验事实中找出自然界普遍的高于感性经验的客观规律。

2．赫兹实验

1873年，德国物理学家赫兹（见图1-26）用实验第一次证明了电磁波的存在。他自制了个能够产生电磁振荡的仪器，产生出电磁波，在离它三公尺的地方，赫兹用一个简单的接图器接收到了这台仪器发出的电磁波。1-27是赫兹实验验证原理图。图的左方是由感应圈、属杆A、B组成的电磁波发射器。A、B金属杆两个金属球之间留有间隙，把两金属杆接感应圈C的两极。感应圈是一个特殊的变压装置，它可以把低电压变成高电压。当两球之的电压足够高时，空气被击穿，在两球间隙中发生火花放电。每跳一次火花，电荷在两球间隙间往复多次，形成高频振荡电流。火花放电是间断性的，跳过一次火花之后，接着跳第二次火花，这样就间断性地发出电磁波。图1-27的右方是电磁波接收器，它是一个金属环，也留有一个间隙，在间隙处的两端带有金属球。当电磁波传到接收器时，电磁波使环两个金属球间产生电动势。这个电动势足够高时，在两球间隙也会发生火花放电。

赫兹在实验时曾指出，电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波，其电场平行于振荡器的导线，而磁场垂直于电场，且两者传播方向均垂直。1889年在一次著名的演说中，赫兹明确地指出，光是一种电磁现象。此外，赫兹还发现电磁波可以毫无困难地通过墙壁，不过它能被大金属挡住；镜子可以反射电磁波。赫兹还测出电磁波的波长，由此计算出电磁波的传播速度，结果发现，电磁波的传播速度和光速完全相同。

第一次以电磁波传递信息是1896年意大利的马可尼开始的。1901年，马可尼又成功地将信号送到大西洋彼岸的美国。20世纪无线电通信更有了异常惊人的发展。赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论，更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。电的真正魅力在于，它为人类提供了一种传输和控制能量最理想的方式，使人类获得了一种以光速传输信息的载体。 kB6fwHWV49gMfrVO8W5yuqRCsedqzDXnFYbAGLyoELyhYahM8tb0PAYjr+WhsVLr