在古代,人们对静电和静磁现象已分别有一些认识。公元前7世纪,古希腊哲学家塞利斯已经发现用毛织物摩擦过的琥珀能吸引某些轻小物体。我国东汉时期,王充在《论衡》一书中提到"顿牟掇芥"等问题,也是说摩擦过的琥珀能吸引轻小物体。指南针是我国四大发明之一。我国在北宋初就知道利用人工磁化方法制成指南针。当时还发现磁偏角、磁倾角等问题。
首先对电和磁现象进行系统实验研究的是美国的威廉·吉尔伯特。他认识到电力和磁力是性质不同的两种力。他第一个将琥珀和毛皮摩擦后吸引轻小物体的性质叫做"电"。
可能由于吉尔伯特的关于电力和磁力是不同性质的两种力的观点对后人影响太深的缘故,直至19世纪初,许多科学家仍把这两种现象看作是毫无联系的。
到了18世纪,电学有了较大的发展,1745年荷兰的马森布罗克和德国的克莱斯德各自发明了能够蓄电的器具,后来称作莱顿瓶。为研究静电提供了方便。莱顿瓶实质就是现代电容器的原型。
对自然界出现的各种电现象,最初人们不了解它们内在的联系。据说1751年,法国有位科学家,不小心被电鲶放电击昏,待他清醒后,感到和摸莱顿瓶受到电击一样,他猜想这两者可能是同一种作用。
1752年富兰克林用风筝将雷电引到莱顿瓶中,人们又认识到“天电”和“地电”也是一回事。
富兰克林(公元1706~1790年)出身于相当贫寒的家庭。他一生只念过两年书。但他利用业余时间刻苦自学,广泛地接受了多方面的知识,终于成为电学研究的先驱。他曾说过;"你热爱生命吗?那么别浪费时间,因为时间是组成生命的材料。"
富兰克林用莱顿瓶进行一系列的实验,提出了电的单流体学说和电荷守恒定律。他认为,每个物体都有一定量的电,电只有一种。摩擦不能创造出电,只是使电从一个物体转移一个物体上,它们的总电量不变。物体带过量电称为带正电,不足的称为带负电。由于这些概念的引入,使电可以定量研究了。
1752年7月富兰克林在费城做了著名的风筝引电实验。并在这个实验基础上,发明了避雷针。
1775年,富兰克林发现将一小块软木块悬于带电的金属罐内,软木块并不受到电力的作用。普里斯特列根据这个事实再联想到牛顿曾用数学方法证明过,一个均匀球壳对其内部的物体没有引力的作用。猜想电的作用力也应跟万有引力一样,遵守平方反比定律。经过一些科学家的研究,库仑在1785年利用他的扭秤对静电力进行了测量,得到了著名的库仑定律。库仑定律的发现为静电学奠定了理论基础。
库仑(1736~1806年)是法国工程师和物理学家。青少年时期,库仑受过良好的教育。离开学校后,库仑当过军事工程队的工程师,对材料的性质、物体上应力和应变的计算十分在行。1781年库仑研究了摩擦定律,研究了丝线和金属丝的扭转,确立了弹性扭转的定律。根据这些成果,1784年库仑制成了测量力的仪器--扭秤。1785年,他借助扭秤在实验上确立了静电学基本定律即库仑定律。
库仑在发现库仑定律时,还无法测定电量的大小,他是利用两只大小相同的金属球相碰后再分开的办法,巧妙地利用对称性原理把电量一分为二的。
18世纪后期,贝内特发明了验电器。用它可以近似地测量一个物体所带的电量。库仑定律的发现,验电器和扭秤的使用,使静电现象的研究从定性走上了定量的道路,并迅速地推进了这一领域的数学化。当时求证各种情况下的带电体或磁铁之间的作用力,决定电或磁分布的工作,已被划为数学范畴。数学家泊松、高斯和格林等在这个领域运用数学工具处理静电、静磁问题,都作出了贡献,奠定了处理静电场和静磁场的数学方法。
1780年意大利的物理学家和生理学家伽伐尼(公元1737~1798年)制成了伏打"电堆"。伏打电堆能产生比较强的电流,从而使电学的研究由静电进入动电,由瞬时电流发展到持续电流。伏打电堆发明不久,人们发现了电解现象:把连接电堆两端的金属丝同时浸入水中时,发现一根金属丝处冒出可燃性气体氢气,而另一根金属丝却被氧化。如果改用白金丝,虽然不会被氧化,但是从这一白金丝旁冒出了氧气泡。
电解的发现,使人们对电的能力寄托了更大的期望,促进了对电池的研究。1836年,丹聂耳首次制成了能产生稳恒电流的电池。1859年,普兰特发明了能够多次充电的蓄电池。
电池和蓄电池的发明,使电的利用越来越广。
1820年奥斯特在一次讲课中发现,把连接电池组的导线放在和磁针平行的上方位置,磁针立即大幅度摆动起来。电流有磁效应的消息一下传遍了欧洲,安培等人立即对这方面进行了研究,很快就得到了确定电流磁效应的安培定则。在此基础上安培还提出了分子电流的假设,把磁现象统一到电现象中去。1826年德国物理学家欧姆,利用电流的磁效应来量度电流强度,引入了电阻概念,得到了欧姆定律。1827年他又从理论上导出了这条定律,并引入了"电动势"、"电压降"和"电导率"的概念。
奥斯特的实验之后,很多人在思考研究,既然电能产生磁。那么,磁能不能产生电呢?
1825年物理学家科拉顿做了这么一个实验。他设想把磁铁插入螺旋线圈,使线圈中产生电流。为了排除磁铁移动时对灵敏电流计的影响,他用长导线把接在螺旋线圈上的电流计放到隔壁房间。在线圈中插入磁铁后,他再飞快奔到隔壁,去观察电流计指针是否发生偏转。由于他没有想到这是瞬时效应,靠来回奔跑当然无法观察到电磁感应,痛失发现电磁感应的机会。很多人探索这个问题,包括安培在内都失败了。最终还是法拉第化了十年时间,于1831年发现了变化的磁场可以产生感生电流,得出了电磁感应定律。
法拉第发现电磁感应不久,楞次独立地宣布了他的发现,即楞次定律。楞次定律明确地指出了感生电流的方向。
电磁感应的发现,再一次向人们展示了自然界的各种运动形式是可以相互转化的事实。同时为发电机的发明扫清了道路,为人类大规模利用电能,通向电气时代铺平了道路。
法拉第(1791~1867年)是英国物理学家和化学家。法拉第因家境贫寒,几乎没有受到过多少教育。14岁时他便在书店当图书装订工。工作之余,法拉第贪婪地读他接触到的书。他特别爱读百科全书和有关电和化学的书。
1813年在戴维的介绍下,法拉第进入皇家学院实验室工作,当戴维的助手。不久他随戴维去欧洲旅行。在这次旅行中,他结识了许多有名的科学家,参观了他们的实验室。这一切使他大开眼界,上了一次"社会大学"。
回到英国后,法拉第开始独立工作。工作中他发挥出惊人才干,取得累累硕果。他先后发现了电解定律、自感现象和电磁感应现象等等,并引进了磁力线概念。
法拉第在电学方面的成就可以和力学中的伽利略、牛顿齐名,但他从不计较名利,他拒绝了制造商的高价聘请,谢绝了女皇准备授予他的爵位,终身在实验室工作。甘当普通平民。
19世纪60年代,麦克斯韦总结了前人的成果,以他高度的抽象概括能力和高超的数学才能,于1864年把复杂的电磁现象和电磁运动规律总结为四个偏微分方程。这就是电动力学中的有名的麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组在电动力学中的作用就像牛顿三大定律在力学中的作用一样重要。在建立方程组时,麦克斯韦创造性地提出了"位移电流"和"涡漩电场"等概念。他认为不仅传导电流会产生磁场,空间中变化的电场(后定义为位移电流)也会产生磁场。而变化的磁场不仅在导线中能产生出电流,在无导线的空间也会感生出电场。
通过对这个方程组的数学运算,麦克斯韦预言了电磁波的存在,电磁波的传播速度同光速一样。而光不过是波长在某一范围的电磁波,从而把电、磁和光现象统一了起来。
1887年,德国科学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。还证明了电磁波具有反射、折射、干涉等等光所具有的相同性质。至此,麦克斯韦的理论得到了广泛承认。
1897年汤姆孙通过研究阴极射线发现了电子。并测出了电子的荷质比。后来密立根设计了有名的油滴实验,精确地测得电子的电量和质量。电子的发现,深化了对电本质的认识,经典电磁理论彻底建立。
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