物理学史--电磁学的建立.

电工与电子技术发展概况1.电磁现象的早期研究2.电磁学的建立3.电磁感应现象的发现与研究4.电磁场理论的建立一电磁现象的早期认识公元前7世纪，古希腊哲学家泰勒斯已经发现用毛织物摩擦过的琥珀能吸引某些轻小物体。Electricity（电）这个字的起源就来自希腊文的“琥珀”(electron)。公元前7世纪，古希腊哲学家泰勒斯已经发现用毛织物摩擦过的琥珀能吸引某些轻小物体。Electricity（电）这个字的起源就来自希腊文的“琥珀”(electron)。首先对电和磁现象进行系统实验研究的是英国的威廉·吉尔伯特（WilliamGilbert，1544—1603）。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”。1600年，吉尔伯特发表了《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》（Demagnete，magneticisquecorporibusetdemagnomagnetetellure，简称《磁石论》）。他总结了前人对磁的研究，周密地讨论了地磁的性质，记载了大量实验，使磁学从经验转变为科学。书中他也记载了电学方面的研究。(一)吉尔伯特与磁石论•第一卷介绍了他的磁性“小地球”实验，得出结论：地球本身就是一个巨大的磁体，其两极位于地理的南极和北极附近；•第二卷详细地论述了电现象的实验研究与结论，还把电与磁的性质进行了比较；•第三卷记载了天然磁石的定向性；•第四卷说明了磁偏角与不同地点和高度的关系；•第五卷介绍了测定磁倾角的仪器及各地磁倾角的大小；•第六卷试图用物体的磁力来解释行星运动，当然，他没有成功。《磁石论》共分六卷。（二）莱顿瓶的发明1720年，格雷(S.Gray，1675—1736)研究了电的传导现象，发现导体与绝缘体的区别。随后，他又发现导体的静电感应现象。1734年法国人杜菲（Charles-FrancoisduFay，1696～1739）在实验中发现带电的玻璃和带电的琥珀是相互吸引的，但是两块带电的琥珀或者两块带电的玻璃则是相互排斥的。杜菲根据大量的实验事实断定电有两种：一种是与琥珀带的电性质相同，叫做“琥珀电”；一种是与玻璃带的电性质相同，叫做“玻璃电”。1745年普鲁士（德国的前身）的一位副主教克莱斯特(EwaldGeorgvonKleist，1700-1748)在实验中利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时，受到猛烈的一击，他由此发现了放电现象。1746年，荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克（PietervonMusschenbrock,1692～1761）在克莱斯特发现的启发下发明了收集电荷的“莱顿瓶”。马森布罗克看到好不容易取得的电很容易地在空气中消失，所以想寻找一种保存电的方法。有一天，他用一支枪管悬在空中，用起电机与枪管连着，另用一根铜线从枪管中引出，浸入一个盛有水的玻璃瓶中，他让一个助手一只手握着玻璃瓶，马森布罗克在一旁使劲摇动起电机。这时他的助手不小心将另一只手碰到枪管上，他猛然感到一次强烈的电击，喊了起来。马森布罗克于是与助手互换了一下，让助手摇起电机，他自己一手拿水瓶子，另一只手去碰枪管。“我想告诉你一个新奇但是可怕的实验事实，但我警告你无论如何也不要再重复这个实验突然，我的手受到了一下力量很大的打击，使我的全身都震动了手臂和身体产生了一种无法形容的恐怖感觉。一句话，我以为我命休矣！”虽然马森布罗克不愿再做这个实验，但他由此得出结论：把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来。只是当时搞不清楚起保存电作用的究竟是瓶子还是瓶子里的水，后来人们就把这个蓄电的瓶子称作“莱顿瓶”，这个实验称为“莱顿瓶实验”。这种“电震”现象的发现，轰动一时，极大的增加了人们对莱顿瓶的关注。莱顿瓶的发明，使物理学家们第一次有办法存储大量电荷，并对其性质进行研究。法国人诺莱特在巴黎进行的莱顿瓶表演（法国国王路易十五及皇室成员临场观看）（三）两种电流质假说的提出与争论1747年，富兰克林提出了单元电液理论。认为带电的两物体是通过电液的迁移，其一具有比正常情况少一些的电液，另一个物体具有了比正常情况多一些的电液。相互接触后，又恢复到都具有正常数量的电液，则两个物体都不显电性。他提出了正电和负电的概念，他认为缺少电液，就是带负电，可以用“—”号表示；带超过正常情况的电液就带正电，用“+”号表示。正、负电可互相抵消。正、负电的提出，为定量研究电现象提供了基础，使人们第一次可以用数学来表示带电现象，其重要性是显而易见的。为了解释摩擦起电及电的吸引和排斥现象，法国人杜菲（Charles-FrancoisduFay，1696～1739）认为存在两种流质，可以通过摩擦的形式把它们分开，使两个物体带异种电荷而相互吸引，当它们结合时，又彼此中和。这个假设后来被称为杜菲的“双流说”。富兰克林的理论足以解释当时人们已知的绝大部分静电现象。现在我们知道，所谓的电液是不存在的，比较容易迁移的是带负电的载体——电子，用电液迁移来解释电现象并不科学。尽管这样，正、负电的概念和电荷守恒的观念是至今仍然有效的科学观念，是富兰克林对电学的一大贡献。（四）富兰克林及其电荷守恒定律富兰克林还认为摩擦只能使电液从一个物体转移到另一个物体上，即“电不是摩擦玻璃管而产生的，而只是从摩擦者转移到了玻璃管，摩擦者失去的电与玻璃管获得的电严格相同”。这就告诉人们，在任一绝缘体系中电的总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒原理。富兰克林所做的另一项重大贡献是统一了天电和地电。当时的欧洲和美国的大多数人认为雷电是“上帝之火”，是天神发怒的结果。为破除这种迷信，富兰克林通过亲自进行大量的实验，证明了雷电的电与摩擦电本质上是一样的。彻底破除了人们对雷电的恐惧、迷信心理。富兰克林据此提出了制造避雷针的设想，使建筑物免遭雷击。费城实验在1752年7月的一个雷雨天富兰克林做了著名的费城实验：风筝上安上一根尖细的铁丝，用来捕捉电，并用麻绳与这铁丝相连，麻绳的末端拴一把铜钥匙，钥匙塞在莱顿瓶中间。富兰克林（BenjaminFranklin，1706—1790年）是18世纪美国的实业家、科学家、社会活动家、思想家和外交家，美国《独立宣言》和美国宪法的起草人之一。富兰克林出身于相当贫寒的家庭，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。（五）伽伐尼电流的发现1780年，意大利科学家伽伐尼（LuigiGalvani,1737～1798)在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现，一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验，又观察到同样的现象。他以严谨的科学态度，选择各种不同的金属，例如铜和铁或铜和银，接在一起，而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会发生这样的现象。他认为这是一种生物电现象，并于1791年发表了题为《关于电对肌肉运动的作用》的论文。1791年意大利物理学家亚历山德罗·伏打(AlessandroVolta，1745～1827)得知伽伐尼的这一发现，引起了他的极大兴趣，作了一系列实验，甚至还在自己身上做实验。他用两种金属接成一根弯杆，一端放在嘴里，另一端和眼睛接触，在接触的瞬间就有光亮的感觉产生。他用舌头舔着一枚金币和一枚银币，然后用导线把硬币连接起来，就在连接的瞬间，舌头有发麻的感觉。这些实验证明：电不仅能够产生颤动，而且还会影响视觉和味觉神经。1793年伏打发表一篇论文，总结了自己的实验，不同意伽伐尼关于动物生电的观点。伏打在伽伐尼实险的基础上，致力研究两种不同金属的接触。他得出了新的结论，认为两金属不仅仅是导体，而且是由它们产生电流的。用伏打自己的话来说：金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为“金属的”或“接触的”电流。他为了尊重伽伐尼的最先发现权，把这种电流称为“伽伐尼电流”。伏打发现当金属浸入某些液体时，也会发生同样的电流效应。伏打开始是用几只碗盛了盐水，把几对黄铜和锌做成的电极连接起来，就有电流产生。1800年3月20日，伏打宣布了一个重要的发现，这就是著名的“伏打电池”（左图）。他用30块、40块、60块或更多的铜片（最好是用银片），每一片都和一块锡片（最好是锌片）接触，并且用相同数目的水层或比纯水更好些的导电液体层，好食盐水或碱水等，或是浸透这些液体的纸壳或皮革……。银片和锌片是两种不同的金属，盐水或其他导电溶液作为电解液，它们构成了电流回路。这是一种比较原始的电池，是由很多银锌电池连接而成的电池组。伏打（AlessandroVolta,1745～1827）意大利物理学家。1745年2月18日生于科莫。学生时代就会对自然科学有浓厚兴趣。1774～1779年任科莫大学预科物理学教授。1779～1815年任帕多瓦大学哲学系主任。1819年退休后回到故乡科莫。1827年3月5日在该地逝世。（六）伏打电堆的发明伏打证明这个堆的一端带正电，另一端带负电，当时引起极大的轰动。这是第一个能人为产生稳定、持续电流的装置，为电流现象的研究提供了物质基础，也为电流效应的应用打开了前景，并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具，促使电学研究有一个巨大的进展。伏打的成就受到各界普遍赞赏，科学界用他的姓氏命名电势，电势差（电压）的单位，为“伏特”（就是伏打，音译演变的），简称“伏”。2电磁学的建立从18世纪中期开始，对电磁现象的研究进入了定量阶段。电荷间的相互作用规律被发现。1820年，奥斯特发现了电流的磁效应。19世纪20年代，安培发表了“电动力学的观察汇编”和《电动力学理论》等集当时电理论研究之大成的著作。至此电磁学理论基本建立。（一）卡文迪许及其平方反比定律18世纪中叶，牛顿力学已经取得辉煌胜利，人们借助于万有引力的规律，对电力和磁力作了种种猜测。德国柏林科学院院士爱皮努斯(F.U.T.Aepinus，1724—1802)1759年对电力作了研究。他在书中假设电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减少而增大，于是对静电感应现象作出了更完善的解释。不过，他并没有实际测量电荷间的作用力，因而只是一种猜测。1760年，D．伯努利首先猜测电力会不会也跟万有引力一样，服从平方反比定律。富兰克林的空罐实验（也叫冰桶实验）对电力规律有重要启示。1755年，他在给兰宁(JohnLining)的信中，提到过这样的实验：“我把一只品脱银罐放在电支架（即绝缘支架）上，使它带电，用丝线吊着一个直径约为1英寸的木椭球，放进银罐中，直到触及罐的底部，但是，当取出时，却没有发现接触使它带电，象从外部接触的那样。”富兰克林的这封信不久跟其他有关天电和尖端放电等问题的信件，被人们整理公开发表流传甚广，很多人都知道这个空罐实验，不过也和富兰克林一样，不知如何解释这一实验现象。富兰克林有一位英国友人，名叫普利斯特利（JosephPriestley，1733—1804），是化学家，对电学也很有研究。富兰克林写信告诉他这个实验并向他求教。普利斯特利专门重复了这个实验，在1767年的《电学历史和现状及其原始实验》一书中他写道：“难道我们就不可以从这个实验得出结论：电的吸引与万有引力服从同一定律，即距离的平方，因为很容易证明，假如地球是一个球壳，在壳内的物体受到一边的吸引作用，决不会大于另一边的吸引。”不过，普利斯特利的结论并没有得到科学界的普遍重视，因为他并没有特别明确地进行论证，仍然停留在猜测的阶段，一直拖了18年，才由库仑正式提出。其实早在1773年，卡文迪许比库仑早12年就发现了“库仑定律”。可惜他没有发表他的研究结果。他在1773年用两个同心金属壳作实验，外球壳由两个半球装置而成，两半球合起来正好形成内球的同心球。卡文迪什这样描述他的装置：“我取一个直径为12.1英寸的球，用一根实心的玻璃棒穿过中心当作轴，并覆盖以封蜡。……然后把这个球