1.1 电与磁：早期科学的基础

电与磁的发现与研究，构成了半导体技术的科学基础，也是现代物理学的重要奠基石。从最早的电磁现象到电与磁之间复杂而紧密的关系，科学家们通过实验与理论逐步揭示了自然界中这些看似独立却相互关联的力量。法拉第的电磁感应实验，不仅为电力的应用提供了理论支持，也为电动机与发电机的发明铺平了道路。

本节将重点探讨电磁现象的初步发现、法拉第的经典实验，以及电流与磁场之间的关系，进一步分析电力如何从基础理论逐步走向实践应用，推动了科技进步的步伐。

1.1.1 电磁现象的发现

电与磁的关系，直到18世纪初才开始逐渐显现，并通过一系列关键实验推动了物理学的进步。早期，电与磁被视为两种不同的自然力量，分别由静电现象和磁石引起。

最早的电现象记录可追溯到古希腊时期，泰勒斯（Thales of Miletus）发现琥珀通过摩擦能够吸引轻物体，这一现象被认为是静电的最初体现。

然而，磁现象的研究则更为古老，早在公元前6世纪，古希腊人便已发现天然磁石（磁铁矿）能够吸引铁物体，如图1-1所示，并赋予它们类似磁性的特性。

进入17世纪后，科学家们开始对电与磁进行独立的研究。电学领域的突破首先出现在意大利物理学家法拉第之前。1600年，英国科学家威廉·吉尔伯特（William Gilbert）首次提出“电”与“磁”是两种不同的自然现象，并分别为它们命名。这一观点为后来的科学探索奠定了基础。

然而，电与磁的关系直到19世纪初才被真正揭示。1800年，意大利科学家亚历山德罗·伏打（Alessandro Volta），如图1-2所示，发明了第一个化学电池——伏打电堆，这一发明为电流的持续流动提供了源动力，成为了电流研究的基础。伏打的工作虽然标志着电学的进步，但电与磁的联系仍未被揭示。

真正的突破出现在1820年，当时丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（Hans Christian Ørsted），如图1-3所示，偶然发现了电与磁之间的联系。

奥斯特在进行一项实验时，将电流通过一根导线，发现导线附近的磁针发生了偏转。这一现象表明，电流可以产生磁场，电与磁并非独立存在，而是相互关联的。奥斯特的发现震动了当时的科学界，也为日后的电磁理论奠定了基础。

奥斯特的实验不仅揭示了电与磁的关系，还引发了对电磁现象的广泛关注。在接下来的几年里，英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday），如图1-4所示，对奥斯特的发现进行了扩展与深入研究。

法拉第于1831年完成了另一个具有里程碑意义的实验——电磁感应实验，他发现，当磁场强度发生变化时，能够在周围的导体中产生电流，这一发现为后来的电动机、发电机及变压器的发明奠定了理论基础。

由奥斯特和法拉第的研究成果，电与磁的统一理论逐渐形成，成为了现代电磁学的基石。随着电磁现象的逐步揭示，科学家们开始认识到电与磁并非独立的物理现象，而是统一的自然力量，后来的物理学家如詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell），如图1-5所示，进一步完善了这一理论，提出了电磁场方程，最终确立了电与磁作为一种综合性力量的观念，标志着电磁学的真正成熟。

1.1.2 法拉第与电磁感应

迈克尔·法拉第（Michael Faraday）是19世纪最杰出的物理学家之一，他的电磁感应实验不仅推动了电磁学的发展，也为电气技术和现代工业革命奠定了基础。法拉第1791年出生在英国，尽管出身贫寒且接受的教育有限，但他凭借出色的实验才能和极强的好奇心，逐渐在科学界崭露头角。早期，他的工作主要集中在化学领域，但很快他对物理学产生了浓厚兴趣，特别是对电磁现象的探索。

法拉第的突破性贡献之一是电磁感应的发现，这一发现极大地影响了电力的应用与发展。1831年，法拉第通过一系列实验，首次证明了磁场变化能在附近的导体中产生电流，其原理如图1-6所示。

当时，科学界已知电流能产生磁场，但磁场是否能反过来产生电流则无人知晓。法拉第通过实验验证了这一假设，他将一根导线与电流源连接，并将其与磁铁置于一定位置，随后发现，当磁铁靠近或远离导线时，导线中会出现电流。这一现象被称为电磁感应，它表明磁场的变化可以激发电流，彻底颠覆了此前的电与磁各自独立的认知。

法拉第的这一发现无疑是一个里程碑，标志着对电与磁之间关系的深入理解，也为电动机、发电机等设备的发明提供了理论支持。他进一步证明，电磁感应不仅仅发生在恒定磁场中，任何变化的磁场都能在导体中引发电流。这一发现为后来的技术创新奠定了基础，尤其是电动机和发电机的发明，以及电力传输的实现。

法拉第的电磁感应理论也为他在科学界赢得了极高的声誉，但他并未止步于此。在随后的研究中，法拉第提出了电场和磁场的概念，并尝试将电与磁的相互关系以数学公式形式表达出来，尽管他未能完全成功，但他的工作为后来的科学家，如詹姆斯·克拉克·麦克斯韦等人，提供了宝贵的理论基础。

法拉第的实验不仅具有深远的科学意义，也带来了技术上的巨大变革。随着电磁感应理论的普及，电力的利用得到了前所未有的扩展，尤其在电气工程领域，发电、传输和利用电力的技术得到了飞速发展。法拉第的贡献不仅限于物理学，还推动了现代工业化进程，影响了19世纪及20世纪的科技进步，成为电气时代的奠基人之一。

1.1.3 电流与磁场的关系

电流与磁场之间的关系是19世纪物理学研究中的一个重要课题。尽管早期科学家对电和磁有不同的理解，但电流与磁场的相互作用的发现，却为现代电磁学的发展奠定了基础。最初，电和磁被视为两种完全不同的现象，直到1820年，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（Hans Christian Ørsted）的一次偶然发现，揭开了电流与磁场之间神秘的联系。

奥斯特的实验起初并未有特别的目的，他正在研究电流与化学反应的关系，然而，在一次实验中，当他将电流通过一根导线时，突然注意到放置在导线附近的磁针发生了偏转。这一现象令奥斯特深感震惊，他意识到电流不仅仅通过导线流动，还能在周围空间中产生磁场。这标志着电与磁之间的直接联系首次发现，并为后来的电磁学理论提供了基础。

奥斯特的这一发现迅速引起了科学界的广泛关注，并促使物理学家们深入研究电流与磁场之间的关系。1831年，英国科学家迈克尔·法拉第在此基础上进行了一系列实验，进一步证实了电流与磁场的相互作用。他不仅研究了磁场如何影响电流，还发现电流的变化能够产生磁场。法拉第的实验让科学家们认识到，电流和磁场之间并非简单的线性关系，而是存在着复杂的相互作用，推动了电磁感应理论的形成。

进一步的实验表明，电流流经导线时，在导线周围会形成环形的磁场。1845年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）根据这些实验成果提出了电流与磁场之间的数学关系，揭示了电流产生磁场的本质。麦克斯韦的工作基于奥斯特和法拉第的研究，他的电磁学方程不仅进一步统一了电与磁的关系，还为后来的电磁波传播理论奠定了基础，标志着电磁学的理论体系趋于成熟。

1.1.4 电力与电路的初步应用

电力和电路的初步应用可以追溯到18世纪末19世纪初的科学探索，这一时期的技术突破不仅推动了电气工程的发展，也为后来的工业革命提供了强大的动力源泉。最早的电力应用始于18世纪中期，当时的电学研究主要集中在静电现象和电流的实验验证上。

电池的发明是这一时期的重要里程碑。1800年，意大利科学家亚历山德罗·伏打（Alessandro Volta）发明了世界上第一块电池——伏打电堆，如图1-7所示，这一装置通过将不同金属片交替堆叠在一起，利用化学反应产生持续的电流，为电力的实际应用开辟了新的道路。伏打电池不仅是第一个可持续供电的装置，还为电流的传输和电路的概念提供了理论依据。

伏打电堆的发明，迅速吸引了全球科学家的注意，并推动了对电力应用的深入研究。随后，德国科学家汉斯·奥斯特（Hans Ørsted）发现电流流过导体时，会在其周围产生磁场，进一步揭示了电与磁的关系，这一发现为电流在电路中的作用提供了理论支持。然而，电路的真正应用仍然面临许多技术难题，尤其是在如何有效地控制和利用电流方面。

19世纪30年代，随着电力应用研究的不断深入，许多科学家开始探索电流如何在实际电路中流动并驱动机械装置。1831年，法拉第发明了电磁感应原理，证明了电流不仅可以通过导线流动，还能通过电磁感应产生电流，进一步推动了电力应用的技术发展。同一时期，英国科学家乔治·斯蒂尔（George Stille）和查尔斯·惠特斯通（Charles Wheatstone），如图1-8和图1-9所示，分别发明了电报和电动机，这些技术的诞生标志着电力和电路的实际应用逐步进入工业化阶段。

19世纪40年代，电力应用逐渐走向商业化。伦敦的电子工业公司率先开始尝试将电力应用于城市照明。1849年，威廉·斯特金（William Sturgeon）发明了第一个实用的电动机，利用电流产生的磁场推动机械装置，这一发明不仅加速了电力在工业中的应用，也为后来的电气化提供了技术支持。

19世纪后期，电力和电路的应用开始变得更加广泛。在托马斯·爱迪生（图1-10）的努力下，电力照明成为城市日常生活的一部分，1882年，爱迪生在纽约建设了世界上第一个商业化的电力照明系统，使电力的应用从实验室走向了实际生活，标志着电气化时代的到来。同时，电力传输技术和电力设备的不断改进，使电力逐步成为现代工业和日常生活中不可或缺的能源，推动了科技革命的进一步发展。