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电磁学跟其它许多学科一样，不是短期内也不是靠某一位天才发展完善起来的，它是人类智慧长期积累的结果。但早期都只停留在对自然现象的表面观察上。关于电磁现象的真正深入系统的定量研究，是在生产有了一定程度的发展，科学水平有了较大提高的十七、十八世纪，人们采用实验方法研究和探讨电磁现象所遵循的各种规律后才开始的。3.1关于静电现象与静磁现象的研究3.1.1吉尔伯特对电磁现象的研究在古希腊时代人们已经知道了一些电磁现象，但是对电磁现象进行比较系统的研究，是从文艺复兴时期才开始的。这一时期的杰出代表首推英格兰的威廉·吉尔伯特（WilliamGilbert,1540－1603），他花了十八年多的时间进行电和磁的实验研究。1600年吉尔伯特出版了他的学术巨著《论磁》，这是在英国诞生的第一部物理学著作，从此开始了人类关于电磁现象研究的新纪元。吉尔伯特对静电现象也做了仔细的研究。他发现不仅摩擦过的琥珀有吸引轻小物体的性质，而且一系列其他物体如金刚石、蓝宝石、水晶、页岩、树脂等也有这种性质。他把这种性质称为“电性”。他是第一个用“电力”、“电吸引”、“磁极”等术语的人。他还把象琥珀这类能吸引轻小物体的物体称为“带电体”，把金属、人体、动物等不能用摩擦使它们具有吸引能力的物体称为“不带电体”。他认识到电现象是物质所具有的一种比较普遍的现象。吉尔伯特通过对他所认识的电现象和磁现象的比较后认为，电和磁是两种截然无关的现象。这个结论给后来的电磁学发展带来了深刻的影响。他得出上述认识的主要依据是：(1)电性可以用摩擦的方法产生，而磁性是自然界中的磁体才具有的；(2)磁性有两种——吸引和排斥，而电性仅有吸引(当时还没有发现电的排斥现象)(3)电吸引比磁吸引弱，但是带电体可以吸引任何轻小的物体，而磁石只对可以磁化的物质才有力的作用；(4)磁体之间的作用不受中间的纸片、亚麻布之类物体的影响，而带电体之间的作用要受到这些物质的影响。当带电体浸在水中时，电力的作用可以消失，而磁体的磁力在水中不会消失；(5)磁力是一种定向力，而电力是一种移动力。3.1.2对电的本质的探索“电”究竟是什么，在很长一段时间内没有得到明确的认识。在十八世纪以前，由于人们对电的机理知道甚少，因此对电的本质没有提出过有价值的理论或观点。十八世纪电磁学的初步发展拓展了人们对电现象的认识，于是出现了关于电的本质的种种假说，促进了对这一问题的进一步探索。对电现象理论作出最初尝试的是法国科学家杜菲（C.F.Du.Fay,1698－1739）。为了解释摩擦起电及电的吸引和排斥现象，杜菲认为存在有两种流，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。这就是所谓的“双流”说。对电作出较系统论述的是美国物理学家富兰克林(B·Franklin,1706－1790)。他在对静电现象研究的基础上，于1747年提出了“电液说”，认为电是“一种普通的元素”，是一种没有重量的称为“电液”的电流质，它渗透在整个空间和一切物质实体中。如果物质内部电液的密度同外部一样，物体就呈“电中性”。起电过程是一定量的电液从一个物体转移到另一个物体上，若一物体得到比它正常份量更多的电液，那么它就带“阳电”(即“正电”)，反之就带“阴电”(即“负电”)。为了解释异性电相吸引现象，他认为“虽然电液粒子彼此排斥，但是它们却为其它一切物质所强烈地吸引”。这样富兰克林的“一液说”取代了杜菲的“双流说”，成为当时比其他任何人更圆满地解释电现象的学说，为大多数人所接受。法国物理学家库仑（C.A.Coulomb,1736－1806）是又一个探索电的本性的物理学家。他在发现电学上的库仑定律的同时，反对“一液说”而主张“双液说”，认为电液有两种而不是一种，同种电液粒子相互排斥，异种电液粒子相互吸引，而且这种作用是不需要通过中间媒质的一种超距作用。这样在十八世纪末并存着“一液说”和“双液说”。而无论是“单液说”还是“双液说”，它们的核心都是把电看作是一种粒子。这个观点和十八世纪科学界对光的本性的看法是一致的，都属于机械的微粒说。1780年，意大利解剖学家伽伐尼（A.L.Galvami,1737－1789）偶然发现，在雷雨来临时，与金属环相接触的青蛙腿发生痉挛现象。6年后他又观察到用两种金属组成的环和蛙腿接触也会引起蛙腿痉挛。于是他把这些现象加以总结后发表了《肌肉运动所产生的电力》的论文。认为蛙腿痉挛现象的发生是由于青蛙内存在“动物电”的缘故。这种“动物电”的发现引起了人们对电的本质的进一步探索并出现了三种不同的观点。即(1)认为动物电是动物身体内部产生的，它可以由脑发出，通过神经并积蓄在肌肉中，很可能是一种人们尚不知道的“自然力”。(2)认为是一种与电液相似的电，当金属与金属、金属与液体等相接触时，由于接触产生一种分离力，使两种电液分离而产生一种“流电”(3)认为伽伐尼是一种与普通电液不同的另一种液体，流电的产生是由于化学作用的结果。英国物理学家法拉第(MichaelFaraday,1791－1867)于1831年发现电磁感应现象后，于1833－1834年间深入研究了电解过程，建立了电解二条基本定律。根据以上二定律，电解中与被析出的每一个原子相联系的电量(ｎ为该元素的原子价，Ｆ为法拉第常数，Ｎ为阿伏伽德罗常数）。由此，任何离子所带电量总是一个最小基本单元的整数倍。据此，法拉第认为，应该存在着“与物质的粒子或原子联系在一起的一个绝对的电量”。这使他在事实上开始接触到电的原子性，正如赫姆霍茨(H·VonHelmholty,1821－1894)在1881年所指出的：“法拉第电解定律的最可惊异的结果也许是这样：如果我们接受元素物质由原子组成的假说，我们就不可避免地要作出结论说：电，不论是阳电还是阴电，也分为元素部分，其行为就象电原子一样。”遗憾的是法拉第并没有循此深入下去,也没有意识到其工作对揭示电的本质的巨大意义,反而在“以太”介质理论束缚下对其结论采取了否定态度,认为“物质到处存在,而且中间没有什么不被物质占有的中空地带。”德国物理学家韦伯(W·E·Weber,1804－1891)为了解释安培于1820年提出的分子电流假说，在1871年提出了一个很接近现代原子结构的模型，认为可以设想每一个物质原子上附有一个电原子，若Ｅ为带正电粒子，那么，－Ｅ为带等量异号电荷的粒子，他假设，－Ｅ粒子具有可称衡量，Ｅ粒子质量相形之下可忽略不计，韦伯当时认为，－Ｅ粒子静止不动，Ｅ粒子围绕－Ｅ粒子旋转。可以说韦伯已经猜测到了原子的电结构，唯一遗憾的是他把带电的正负号颠倒了。这样到十九世纪七十年代，关于带电本质问题事实上已经形成了两种不同的观点，一种以德国韦伯等为代表，把电看成一种带电粒子；另一种以英国法拉第、麦克斯韦(J·C·Maxwell,1831－1879)为代表，把电视为连续“以太”介质中应变的结果。对带电本质问题的探讨具有决定性意义的是关于气体导电的研究。早在1836年法拉第就研究过低压气体中的极电现象。德国的普吕克利用低压气体管于1859年实现了真空放电，在阳极的管壁上得到绿色辉光。对这个现象，德国物理学家戈尔茨坦于1876年指出，绿色辉光是阴极上所产生的某种射线射到玻璃上引起的，并称之为“阴极射线”，于是引起了关于“阴极射线”本质的争论。有人根据该射线直线传播及在磁场作用下发生偏转等现象推断这是一种带负电的粒子流；也有人根据它能穿透薄金属窗推断它很可能同光线一样是一种电磁波，但后来的实验不断否定这种看法，特别是伦琴于1895年发现了Ｘ射线，为揭示阴极射线的粒子性提供了有力证据。对电子发现作出重大贡献的是英国物理学家汤姆逊（J·J·Thomson,1856－1940），他首先通过实验发现阴极射线不仅可被磁场偏转，也被电场偏转，据此他断言这是一种带负电的粒子；其次，他通过实验测定了这种荷电粒子的荷质比；最后，他发现，不管怎样改变放电管中的气体种类，也不管怎样改变电极材料，阴极射线荷质比保持不变。由此汤姆逊于1897年4月在英国皇家学院一次讨论会上宣布：阴极射线是一种带负电的粒子，后来采用了1891年斯通尼对阴极射线的称呼——“电子”。电子的发现是汤姆逊对物理学的最伟大贡献，它使人类认识了第一个基本粒子——电子。他也因此获得1906年诺贝尔物理学奖。电子的发现不仅打破了原子不可分割的旧观念，为人类对物质结构进行探索打开了大门，而且为揭示带电本质的经典电子论的创立奠定了基础，它标志着人类对物质结构的认识，进入到一个新的阶段，因此，这是物理学发展史上一项具有划时代意义的重大发现。事实上，在电子被发现前，荷兰物理学家洛仑兹(H·A·Lorentz,1853－1928)就在1895年将电磁现象经过物质时所呈现的各种宏观现象归结为电磁波与物质中准弹性力作用下带电粒子间相互作用的结果，并在此基础上进一步发展了经典电子论。根据电子论，物体带电的本质是电子的转移。在正常情况下，构成物质原子中的正负电荷量相等，电量代数和为零，在宏观上呈电中性。若由于某种原因，物体失去一部分电子，则该物体带正电，得到电子的物体带负电；或者由于某种原因(如感应等)，物体中电子从某一部分转移到另一部分，则前者带正电后者带负电；或者由于光的作用，电子从金属中逸出形成光电子。总之，这一切都是基本带电粒子转换、传递或被激发的结果。这样，从记载有摩擦起电起经历了二千多年，从富兰克林提出“电液说”起经历了一个半世纪的探索，最终使带电本质问题得到了明确的结论。当然，由于经典电子论没有考虑微观粒子的量子性，具有很大的局限性，后来随着量子理论和相对论的诞生，建立了更为完备的量子电动力学。但它作为人们对带电本质认识的一个重要阶段，其意义是不容否定的。3.1.3库仑定律的发现十八世纪天文学和航海事业的发展，对磁针和指南针的设计提出了更高的要求，1773年，法国科学院以“什么是制造磁针的最佳方法”为题悬奖，库仑不仅获得了这次悬奖的头奖，而且以此为契机，开始了他对电磁现象的深入研究。在法国科学院公布关于船用指南针的最优结构的悬奖征文后，库仑转而研究电力和磁力问题。1785年他用扭秤的结构原理自制了一台精巧的扭秤，作了一系列的实验，证明了牛顿的平方反比定律也在电的以及磁的吸引和排斥中适用，并证明了电的作用跟电量的乘积成正比，即著名的库仑定律。其后，他又做了一系列同样的实验，其共同的结论是：同种电荷之间的斥力与它们距离平方呈反比关系。后来库仑又将这个结论推广到异种电荷的吸引力情况。运用矢量概念可以表述如下：两个点电荷之间作用力的方向沿它们的连线方向，同种电荷相斥，异种电荷相吸；其值与这两个点电荷的电量的乘积成正比，而与它们的距离平方成反比。库仑定律是电学中得到的第一个精确的定量规律，它的建立标志着电学从定性的观察和实验阶段进入了定量研究阶段。采用下式可完整而确切地表达出库仑定律的内容：rrqqkF321其中ｋ为比例系数，为沿着两电荷连线方向的矢量。库仑假设力的大小与两点电荷电量的乘积成正比，这纯粹是与牛顿万有引力定律的一种类比。对库仑定律准确度的验证迄今仍在进行，实验验证的精确度越来越高。直到1971年，实验结果表明库仑定律偏离平方反比律的偏差小于2.7×10－16。对静电磁现象所进行的这一系列研究，促进了静电磁学的发展，特别是库仑和高斯等人的研究，使静电磁学开始由定性描述走向定量探讨，为电磁学的进一步发展打下了坚实的基础。从1909年到1918年美国物理学家密立根(Milikan,1868-1953年)对直接测定基本电荷e的绝对值做出了重大贡献。他进行了一系列用油滴测量电子的实验。他的方法从原理上讲是很简单的，用两块水平放置的金属板，在其间喷入悬浮的油滴，用显微镜观察它的运动。在极板间未加上电场时，油滴在重力和空气阻力下匀速下落。如果油滴在被电离的空气中捕捉到了一定量的电荷，就可以在极板上加上适当的电场使油滴匀速上升。实验发现，改变油滴的荷电量，油滴的速度即作跳跃式的变化。多次对同一油滴的速度进行测量，表明油滴的荷电量是同一数量e的整数倍。密立根最后的测量结果为e=1.59×10-19C(