1、（三）电学和磁学部分【我国古代的电学和磁学知识】对雷电的认识我们的祖先对大自然中的雷电现象早已十分注意，并细致地观察。远在公元前1500 年的殷商时期留存下来的甲骨文中，就有“雷”字；西周时期的青铜器上也出现了“电”字，显然这里的“电”是指闪电。关于雷电的成因和本质，我国古代的学者也进行了探讨，有不少独特的见解。西汉时的淮南子坠训形中就有“阴阳相薄为雷，激扬为电”的记载，表示阴阳两气彼此相迫产生雷，相互急剧作用产生电。王充在论衡雷虚篇中对雷电成因也作了解释，认为“盛夏之时，太阳用事，阴气乘之。阴阳分争，则相校轸。校轸则激射。”表明夏天阳气占支配地位，阴气与之相争，发生碰撞、摩擦、爆炸和激射，从
2、而形成雷电。唐代左传“疏”中明确指出：“电是雷光”。宋代更有人认为，阴阳相激，“其光为电，其声为雷。”与此相联系，早在三国和南北朝时，我国古籍上就有“避雷室”的记载，表明当时我国已有了避雷的措施。直至唐代，建筑物上都装有各种形状的避雷装置。表明当时人们对尖端放电现象也有了认识。对静电的认识对静电现象的发现和认识，和西方一样，我国也是很早的。西汉末年的春秋纬考异邮中就有“（玳）瑁吸”的记载。王充的论衡乱龙篇中有进一步的记载：“顿牟（即玳瑁）掇芥，磁石引针，皆以其真是，不假他类。他类肖似，不能掇取者，何也？气性异殊，不能相感动也。”意思是说，经过摩擦了的玳瑁（琥珀）能吸引芥籽，磁石能吸引钢针，这是
3、因为它们之间的“气性”相同，能相互感动；其他看起来与芥籽、钢针相似的东西，但因与玳瑁、磁石的“气性”不同，所以不能相互感动。东晋的山海经图赞中也有类似的记载，即“慈石吸铁，瑁取芥，气有潜感，数有冥会。”也把静电和静磁并列，同时认为是某种“数”在起作用。西晋时张华（232300）撰写的博物志中有这样的记载：“今人梳头、脱着衣时，有随梳、解结有光者，也有咤声。”意思是说梳头、穿脱衣服时，常发生摩擦起电，有时还能看到小火星和听到微弱的响声。对静磁的认识在我国，对静磁现象的认识，比对静电现象的认识还要早。公元前3世纪的吕氏春秋精通中记载着“慈石召铁，或引之也。”东汉的吕氏春秋注中写道：“石，铁之母也。
4、以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也。”明确提出慈（即磁）石能吸铁。磁石吸铁的应用，在古籍中也有记载，如秦始皇为了防备刺客暗杀，用磁石建造阿房宫的北阙门。天然磁石在医疗中也有应用，如史记扁_鹊仓古列传中就有“齐王侍医遂病，自炼五石服之”的记载，“五石”中就包含磁石。司南和指南针的发明司南是我国指南针的最初形式，它是我国古代人民四大发明之一（左图）。最早的记载是在公元前3 世纪战国末年韩非子有度中，记有：“故先王立司南，以端朝夕。”“司南”就是指南器，“端朝夕”就是正四方的意思。鬼谷子谋篇里也有“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”的记载。“为其不惑”即是为了不迷失方向的意思。东汉的王充在著
5、作中作了较具体的描述：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”文中的“杓”是勺子，“地”是中央光滑的地盘，“柢”是勺的长柄。我国科学史家王振铎根据古籍的记载，发掘古墓的结果，复原出古代司南的原型。它是用天然磁石琢制成勺形的指南仪器，其形状像家用的汤匙，底部呈球形；地盘是用青铜制成的，中央光滑，由磁石琢成的司南在光滑的地盘上可以比较自由地转动；地盘的四周刻着“八干”（甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸）、“十二支”（子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥）和“四维”（乾、坤、巽、艮），共24 向。实际上，司南和地盘接触时，摩擦较大，效果不佳，应用受到影响。后来便发明了指南鱼。在曾公亮主编的武经总要
6、前集卷十五中就记载有指南鱼的制作方法及其应用。根据记述，可以发现指南鱼是用人工磁铁做成的，而人工磁铁是利用地磁场进行人工磁化的，指南鱼放在水面上，转动时的摩擦比司南与青铜地盘之间的摩擦要小得多。北宋时期的沈括（10311095）在梦溪笔谈中就有不少关于静磁现象和指南针的记载。该书卷二十四杂志一中记有：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。”这段记载首先指出存在着地磁偏角（“常微偏东，不全南”），也就是说发现并测定了地磁子午线和地理子午线之间的夹
7、角。接着讲了指南针的4 种装置方法，即浮在水面、放在指甲上或碗唇沿上，同时指出这3 种方法的不足之处，接着详细记述了第4 种用茧丝悬挂的办法，并认为这是一种最好的装置方法。【吉尔伯特和磁学】吉尔伯特（William Gilbert，1544.5.241603.12.10）是英国物理学家，也是一位医生。在物理学上的贡献主要是研究磁的性质，并提出地球的作用好像是一个大磁体的理论。1600 年，吉尔伯特发表了题为磁体、磁性物质和地球大磁体的新科学的著作，详细地叙述了磁石的吸引和排斥、指向南北的性质、磁偏角和磁倾角等。明确指出，磁石具有天然的两极，一个北极，一个南极，它们是磁石中的两个确定点，是一切运
8、动和效应的发端。同时又指出，磁石的力不是从数学上所谓的点发出的，而是从磁石各部分本身发出的。这些部分靠极越近，则所具的力越强，而施加于其他物体的力也越大。吉尔伯特认为，磁石指向南北的原因是地球本身，地球就是一个大磁石。为了证明这一思想，他用天然磁石加工成球形，模拟地球，并将许多小磁针放在上面，它们的指向与在地面上不同位置的指南针的指向相仿。他又提出，如果把磁针排列的方向用粉笔画在球形磁石上，就会形成一些子午圈，它们会聚到磁石上两个相反的端点，这就是“磁极”。吉尔伯特还研究了天然磁石的吸引力与琥珀吸引力的区别，并首先提出“电”、“电力”、“电吸引”等概念，并对电力和磁力作了比较。他认为，磁石总能
9、吸引磁体（或铁），而琥珀要摩擦后才能吸引物体；磁石有两个区域吸引磁体（或铁），而琥珀摩擦后吸引物体时总是朝着一个中心区域。【富兰克林和风筝实验】富兰克林（Benjamin Franklin，1706.1.171790.4.17）是美国的科学家，他对电学研究很感兴趣，提出了电的单流体学说，为我们留下了正电、负电这两个名称。而影响更大的还是他做的风筝实验。1752 年10 月16 日富兰克林给伦敦友人柯林先生的信中描述了这一著名的实验。信中这样写道：“用两根轻便的杉木条做一个十字架，架的四支杆须能伸到一张铺开的大而薄的丝绸手帕的四角，将手帕各角扎在枝杆端上，形成一个风筝本体，再加上尾巴、环和线，就
10、可以飞向天空，如同纸质风筝一样，不过因为这一风筝是用绸做成的，所以它能经受住雷雨的风吹雨打，而不致于被撕裂。在上枝杆末端安装一根伸出木杆之外约一英尺的尖端金属丝，在手与麻绳之间系上一根丝带，再在绳与带连接处安装一个栓。这种绸风筝应该在雷雨将来临时升上天空，牵线的人必须站在门内或窗内，或者在有遮蔽的地方，以免丝带受湿。还需注意，不能让麻绳触及门框或窗框。一旦丝绸风筝的上空出现雷雨，那根尖端金属丝就会从那里取得电火，于是这一风筝连同麻绳都带电了，麻绳上未捆紧的纤维都向各方突出，用手指接近时，它们就受到吸引。当风筝和麻绳全被淋湿时，它便能自由传导电火，倘若你将手指接近它，电火将从栓子大量涌出。你可以
11、在栓上安放一个小玻璃瓶来充电。这样获得的电火可以点燃酒精，可以用来进行所有其他的电实验，这些实验也可以用摩擦过的玻璃球或玻璃管来做。带着闪电的物体和带电的物体之间相同之处完全显示出来了。”这一实验充分证明，“天电”与摩擦产生的电之间没有区别，是同一种物理现象。【诺雷脱和莱顿瓶】诺雷脱（Jean Antoine Nollet，1700.11.191770.4.24）是法国物理学家，主要研究静电现象。1746 年，诺雷脱发表了论文“某些新的电现象的观察”，其中就叙述了莱顿瓶的发明经过。文章中引了莱顿大学物理学教授莫兴布罗克（Pietervan Musschenbroek，16921761）的一封信
12、，信中描述了实验情况：用两根兰色的丝线吊起一个枪筒，一端附近放一个玻璃球，并使其绕轴转动，同时用手在它上面摩擦，并使所起的电传到整个枪筒。在枪筒的另一端随便吊着一根铜丝，铜丝末端插入一个盛有一部分水的长颈玻璃瓶。用右手摸该瓶，用左手吸引来自带电枪筒的火花。忽然间，右手遭到了猛击，全身好像触了电击一样。玻璃瓶虽然很薄，可是没有破裂，手也没有因此而移位，但是手膀和全身都有一种说不出苦的感觉。这一实验结果，引起了很多人的兴趣，轰动了3 个月。诺雷脱重复了这样的实验，他发现任何玻璃仪器，只要是很干燥的，都可以获得这样的实验结果。【库仑和扭秤实验】库仑（Charles-AugustindeCoulomb
13、，1736.6.141806.8.23）是法国工程师、物理学家。对物理学的主要贡献是测定电力，建立库仑定律。库仑在1785 年给法国科学院的“电力定律”论文中写道：“根据金属丝扭力的反作用与其扭角成正比的性质而制成的扭秤，用该秤对同性带电体相斥定律的实验进行测定。”同时表示“将根据同一原理制造的电秤奉呈科学院，无论物体带电如何微弱，该秤都能非常精确地量度一物体的状态和电力。”库仑制造的电秤的构造是：在一个直径和高度均为12 英寸的玻璃圆筒上，盖一块直径为13 英寸的玻璃板，板的正中钻有一孔，并装上高为24 英寸的玻璃管，管子上端装有扭转测微计。端部中间有一只夹子，夹持一根极细的银丝，银丝连着一
14、根浸过西班牙蜡的麦杆，杆的一端有一小木髓球，另一端贴一小纸片与之平衡，使麦杆呈水平位置，这一部分都装在玻璃筒内。在玻璃盖板上另开有侧孔，孔内放入另一只小木髓球，它可以与麦杆上的小木髓球接触。这样，只要使侧孔处的小木髓球带电，然后与麦杆上的另一只小木髓球接触，两只小球就带同种电荷，相互排斥而分开，银丝就呈现扭转。多次实验结果表明，扭转角的大小与扭力成正比，由实验数据可知，斥力的大小与距离的平方成反比。为了测量异种电荷间的引力，库仑借鉴力学实验，设计了一种电摆来加以解决。实验结果表朋，吸力同样与距离的平方成反比。【从鱼生电到电流的发现】在19 世纪以前，对电学的研究，尽管已出现了某些定量的定律（如
15、库仑定律），也开始研究“动态”的问题，但基本上是以定性研究为主，以“静态”现象的研究为主。电流的发现，使电学的研究进入了一个新的阶段。从很早时候起，人们已经知道几种水生动物有引起电击的能力。当莱顿瓶发明以后，人们就开始考虑莱顿瓶的放电和这些水生动物的电击是否有什么类似性或内在联系。18 世纪中叶，有一条英国船上的人们带了几条具有电击能力的鱼回伦敦，于是生物学家、生理学家对它们进行研究。结果发现，只有当你用双手同时去接触鱼的头部和下部时，才会受到电击，人们称这种鱼为电妖鱼或电鳗。后来又证明这种鱼能用来给莱顿瓶充电。这时，人们才相信这种电击也是一种放电现象。鱼生电的现象，引起了意大利生物学家伽伐尼
16、（Luigi Galvani，1737.9.91798.12.4）的极大兴趣和注意，因为他当时正在研究青蛙腿的肌肉收缩现象。有一次，他偶然发现，用铜钩子挂在他家阳台铁栏杆上的几只蛙腿，碰到栏杆的铁条时，突然会跳动起来，仿佛活的一样。为此，伽伐尼加强了控制条件，于1786 年9 月20 日又做了一个实验：用一把叉子（一个叉尖是铜的，另一个是铁的）去碰蛙腿的神经和肌肉，每碰一次，蛙腿都立即收缩一次。此时，伽伐尼相信，这个现象与电鳗的电击是类似的。进一步的实验，使他感到神经中有电源存在。于是他撰写了题为“肌肉运动中的电力”的论文，阐述了自己的见解。1792 年，伽伐尼又简单地应用两种不同金属组成的环
17、和蛙腿接触，蛙腿也引起痉挛。这便是第一个伽伐尼电池。由于这一观点是论述生物体中的问题，对物理学家们没有什么大的影响，所以对物理学也没有引起什么大的变化。但是，有一个物理学家注意了这个工作，那就是意大利物理学家伙打。伏打（Alessandro Volta，1745.2.181827.3.5）是一位实验物理学家，对电学的发展作出了贡献，主要是研究金属接触起电的问题。1792 年，伏打接受了伽伐尼的观点，但是长时期的一系列的实验，他渐渐感到，蛙腿的收缩只具有次要的意义。1796 年，他放弃了伽伐尼的观点，并且很快地证明，引起蛙腿收缩的电流，纯粹是一种无机现象，把两种金属线焊接起来成为一根导线，并将其
18、两端浸入盐水时，总能观察到这种电流。由此，伏打得出结论，金属是真正的电流的激发者，而神经是被动的。这就是伏打提出的接触电的观点。为了纪念他的朋友，伏打还是把这种电流称为伽伐尼电流。在上述工作的基础上，伏打还用了大量铜圆片和铁或镀锌的圆片交替放置，中间再用一层层浸过盐水的纸片或布片隔开，制成了一种后人称之为“伏打电堆”的装置，用其产生电流。这种电堆是我们今天用于照明和许多其他设备上的现代电池的雏形。1800 年3 月20 日，伏打写信给英国伦敦皇家学会会长，宣布了自己的发现。信中写道：“ .是的，我向各位报告的这种仪器，无疑会使你们感到惊奇，它只是许多良导体按一定顺序排列起来的集合，有30 片、
19、40 片、60 片或更多的铜片，用银片则更好，每一片上都镀上锡，或者最好是镀上锌，片与片之间隔以一层水，或者其他比普通水导电性更好的液体，例如盐水、碱水等。也可以使用在这些液体中充分浸泡过的硬纸板或皮革等等。这些夹层插在一对对或一组组不同的金属对之间，交替放置的顺序总是保持不变，这就是我的新仪器的全部结构。我说过，这是模仿莱顿瓶或电池的效用而制成的，可以产生和它同样的电击。诚然，它比上述电池高度充电时的能力差得多，就放电时所能产生的力、爆炸的声响、火花的大小和放电的距离来说，它只相当于一个容量很大的而只充电到很低程度的电池；但是除此以外，它的优点和效果是这些电池无法与之相比的，因为它不必像这些
20、电池那样要靠外界的电来预先充电，只要我们一碰它，它就能发出电击，而不管碰它的次数是多么频繁。”伏打的研究工作，引起了科学界的一场辩论。生物学家、解剖学家支持伽伐尼的观点，认为是动物电、生物电，物理学家、化学家支持伏打的观点，认为是金属接触电。这场国际性争论持续了很长一段时间，直到20世纪现代化学理论产生后，才最终解决了这个争论问题。1801 年，拿破仑请伏打到巴黎，在学会上表演他的电堆实验，并授于他金质奖章。电流的发现、产生电流的实验装置的研究成功，使电学的发展进入了一个新阶段。后人为纪念伏打的这一贡献，除了用“伏打电堆”这一专门名词外，还用“伏特”作为电势的单位。电流的发现为研究电和磁之间的
21、联系提供了条件，也为化学研究开辟了新领域。【欧姆和欧姆定律的建立】欧姆(George Simon Ohm，1789.3.161854.7.6)是德国物理学家，对物理学的主要贡献是发现了欧姆定律。1826 年，欧姆发表了“论金属传导接触电的定律及伏打仪器和西费格尔倍加器的理论”一文，文中提出了欧姆定律的实验证明。欧姆在做实验时，起初是用伏打电池作为电源，因性能不稳定，改用温差电池。欧姆使铋-铜组成的温差电池的两端保持着不同的温度，一端插入盛有沸水的容器中，另一端插入盛有碎冰（或雪）的容器中，两个盛水银的杯子当作电池的两极，外电路就连接在水银槽中。温差电池的上半部是电流扭秤，用来测量电路中的电流强
22、度。扭秤的指针是一根磁针，用金丝悬挂起来。当电流通过导线时，磁针会偏转，金丝便扭转。由于金丝的扭转角度与导线中的电流强度成正比，读出扭转角的大小，就能知道电流强度。欧姆选用了一组截面积相同、长度各不相同的铜导线作为外电路进行实验。根据实验数据，欧姆得出如下的关系式式中X 为不同导线接入时的扭转角度，x 为导线的长度，a、b 是两个常数。这一欧姆所确定的公式原型中，如果X 对应于现代所用的电流强度I，x对应于外电路的电阻R，常数a、b 分别对应于电源的电动势E 和电源内电阻r，则上式即为全电路欧姆定律的表示式【奥斯特和电流磁效应发现的前前后后】奥斯特（Hans Christian Oersted
23、，1777.8.141851.3.9）是丹麦物理学家，对物理学的主要贡献是发现了电流的磁效应，把电和磁统一起来。在19 世纪前，人们普遍认为电和磁之间是没有什么关联的。但是，当时德国的自然哲学家们，则从另一个角度对电和磁发生了兴趣，即对极化现象感到兴趣，因为这一例子好像表明他们所假定的两个对立极之间的辩证张力或者使杂乱变为有序的力的存在。自然哲学家谢林（F.Schelling，17751854）就有这种主张，进而认为宇宙间具有普遍的自然力的统一。谢林的思想对他的挚友奥斯特具有深刻的影响，导致奥斯特去研究电和磁之间的联系。1803 年，奥斯特主张，物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及
24、大家所知道的任何其他现象的零散的汇总，它将把整个宇宙纳在一个体系之中。1807 年，奥斯特宣称正在研究电和磁的关系。因为富兰克林曾在1751年证明，用莱顿瓶中的电可以使磁针磁化或退磁，莱顿瓶只能供给瞬间电流，所以没能继续研究下去。伏打电堆的发明，为连续电流提供了电源，奥斯特才能对此问题继续研究下去。1812 年，奥斯特用德文写成题为“关于化学力和电力的等价性的研究”的论文，次年译成法文在巴黎出版。在论文中，他提出应该检验电是否以其最隐蔽的方式对磁体有所影响。18181819 年，据与奥斯特共事过的人回忆，奥斯特一直在寻找这两大自然力（指电力和磁力）之间的联系，为发现这种联系，奥斯特经常苦苦思索
25、并进行各种试验。1820 年4 月的一天，奥斯特在去哥本哈根大学讲课的路上，产生了一个念头：如果静电对磁石毫无影响，那么若用一根导线把伏打电池的两极联系起来，让电荷在其中运动，这样会发生什么现象呢？事情是否会有所不同？他带着这些问题走进了教室。教室里坐满了青年学生。奥斯特把自己带去的伏打电堆放在讲台上，然后用一根白金丝把电堆的两极连起来，并将一枚小磁针放在它附近。这时，奇怪的现象出现了：磁针本该指南北的，现在却转动了，并在垂直于导线的方向停下来。听众无动于衷，而演示者却激动万分。课后他继续留在教室里，核对了他刚刚发现的这个不寻常的现象。起初，他想磁针的转动也许因为电流通过导线，导线发热产生空气
26、流引起的。为此，他把一块硬纸放在导线与磁针之间，以阻挡气流，但是实验结果依然如此。然后，奥斯特把伏打电堆转了180 度，使导线中_的电流朝反向流动，结果磁针的朝向也转了180 度。这就表明，磁针的指向与电流在导线中的流动方向有关。接着，奥斯特在磁针和带电导线之间放上各种介质，如玻璃、木板、水、树脂、陶器、石头等等，结果表明，它们之间的作用并不减弱。开始时用白金丝连结电堆的两极，后来又用大电堆，并用粗铜导线连接，先后共做了60 多个实验，得到的结果是一样的。这样，奥斯特便把观察所得的结果，如实地写成题为“关于磁体周围电冲突的实验”的论文，送交法国杂志化学与物理学年鉴发表。这就是我们通常所讲的18
27、20 年7 月21 日的那篇论文。杂志在刊登时，编者加了一个不平常的说明：“年鉴的读者都知道，本刊从不轻易支持宣称有惊人发现的报告（也许因为其中多数都是一些怪人所写的东西），至今我们都因为能坚持这一方针而自豪。但是，至于说到奥斯特先生之文章，则其所得之结果无论显得多么奇特，都有极详细的记录为证，以致无任何怀疑其谬误之余地。”在论文中，奥斯特自己写道：“我们将在导体中和其周围空间中所发生的这种效应称之为电冲突。看来所有非磁性体都能为这种电冲突透过，但磁性体则抗拒它通过，因此它们就能在冲突力量的推动下运动。从上述事实，我们还可以推出这种冲突呈现为圆形的，否则就不可能发生这样的情形：将闭合导线的一段
28、放在磁极下面时，磁极被推向东方，而放在磁极上面时，就被推向西方。其原因是，只有圆才具有这样的性质，其相反部分的运动方向相反。”1820 年，奥斯特称之为“电磁学”的新学科诞生了，电转化为磁成为现实，表明电和磁是可以统一的，使“自然力统一的思想”得到了一个例证。其次，电流磁效应的发现，表明作用力是一种旋转力，它和力学中力表现出来的形式是不同的，人们认识到一种新的相互作用形式。第三，这一发现为制造灵敏电流指示器创造了条件，同时，它本身就包含了未来的电力技术应用的内容。奥斯特的发现一经传播，到处都在重复这一实验。1820 年9 月11 日，在法国科学院举办的每周的科学例会上，法国物理学家安培（And
29、r MarieAmpre，1775.1.201836.10.6）听到了两个月前在哥本哈根发现的这个重要的实验事例，并且看到电流磁效应的演示实验后，对此极感兴趣，立即对它进行研究，仅仅几个星期，便在科学院举办的科学例会连续发表报告，进一步揭示电和磁之间的内在联系。通过实验和研究，安培发现，不仅电流对磁针有作用，而且两个电流之间彼此也有作用。两根平行的载流导线中，如果通过的电流方向相同，导体之间呈现出互相吸引；如果通过的电流方向相反，导线之间呈现出互相排斥。同时又发现，两根载流导线之间的力的大小，是与两根导线中各自通过的电流I1 和I2 的乘积成正比，与导线的长度成正比，与两根导线之间的距离平方成
30、反比。由此，安培提出了电流磁效应的定量规律，后来称之为的安培公式。这一公式作为他的“电动力学”基本定律的起点。“电动力学”这一名词是在安培的著作中第一次出现的，他常用“电动力”来表示电压。所以我们说，安培是电动力学的先创者。在上述研究的基础上，安培又提出了一个关于电流使磁体偏斜方向的法则，也就是确定电流的磁场方向的法则，即“安培法则”。为了表彰安培的功绩，电流的单位就用他的名字来命名。除此以外，安培还提出了“分子电流”的概念，用它来解释物体为什么具有磁性。安培的这一观念，为现代物理学所证实。现代物理学认为，物体内部的原子或分子的磁性，是由于电子在原子核周围转动或绕着自身轴急速旋转而产生的。【法
31、拉第和电磁感应】法拉第（Michael Faraday，1791.9.221867.8.25）是英国物理学家、化学家，在自然科学上的重大贡献是发现了电磁感应现象，建立了电解定律，提出了力线和场的概念。1820 年，奥斯特发现了电流磁效应（参阅本书第28 页）以后，1821年，法拉第就重复进行类似的实验，都获得了肯定的结果。这时，法拉第就有一个想法，既然电可以转化为磁，磁是否也能转化为电呢？于是他在日记本的扉页上写下“转磁为电”，并开始苦苦地思索，踏踏实实地设计了各种实验，但却一次一次地失败。直到1831 年8 月，法拉第用7/8 英寸粗的软铁条，焊接成一个外径为6 英寸的圆环（右图），圆环上绕
32、有两组线圈A 和B。A 线圈由3 个小线圈组成，每个小线圈由1/20 英寸粗、24 英尺长的铜线组成，它们可以分开，也可以联合使用。B 线圈由两根共60 英尺长的同样粗的铜线组成。A 与B 在圆环上的绕法和方向相同，它们的末端由一个大约1.5 英寸长的不予包扎的铁片隔开。A 线圈与伏打电池连接，B 线圈与3 英尺以外的电流计连接。当法拉第把A 线圈与伏打电池一接通，电流计上的指针突然偏转，但是指针晃动一下后就停止了。当他把电池拆掉时，电流计的指针又突然偏转，偏转的方向与前面的相反，晃动一下后也停止了。这种往往不被他人注意的现象，却紧紧地吸引着法拉第，他好像悟出了什么道理。他继续做实验，结果都相
33、同。他把电流计接到A 线圈中的一个小线圈上，当另外两个小线圈连起来接到伏打电池上时，电流计的指针偏转得更大。当把伏打电池的两极对换时，发现电流计的指针反向偏转。法拉第称这种现象为“伏打电感应”。同时他也深深地懂得，当电转化为磁时，呈现出来的是个稳态现象，电流周围的磁场是稳定地存在着；而磁转化为电时，则是瞬态现象，一现即逝。为了进一步验证，几个星期后，法拉第再做实验。这次，他抛开电池，在一个纸做的空心圆筒上，用220 英尺铜线分层绕了8 个线圈，它们之间再互相连起来成为一个大线圈，并把它与电流计相接。当一条形磁铁插进空心圆筒时，电流计的指针摆动了；抽出时，指针也作相反方向的摆动，法拉第称这种现象
34、为“磁电感应”。 上述这些实验说明磁可以转化为电，而法拉第的“转磁为电”的理想终于实现了。法拉第受电磁感应的启示，他直觉地揣测到在磁铁周围有一个充满力线的场，感生电流的形成是由于导体切割力线的结果。所以在他的1832年3 月12 日的文稿中写道：“使我相信，磁的作用是渐进的，是需要时间的”，“有理由假设，电（压）的感应也是以类似的渐进方式进行的。”这是在物理学史上第一次有力地向超距作用观念提出挑战。法拉第的另一个重要贡献，是在18331834 年提出了两条电解定律，这是电化学的开创性工作，同时有力地证明了基本电荷的存在。【楞次和楞次定律】楞次（Heinrich Friedrich Emil L
35、enz，1804.2.121865.2.10）是俄国物理学家。对物理学的主要贡献是确定电磁感应中的感生电流的方向。楞次从青年时代起就开始研究电磁感应问题。1831 年法拉第发现了电磁感应现象（参阅本书第29 页），但是没有确定感生电流的方向。楞次研究了这一问题，并于1834 年发表了题为“论电动力公布所产生的伽伐尼电流方向的决定”的论文。论文指出：当闭合电路通过磁场或者闭合电路中的磁通量发生变化时，在电路中都会产生感生电流。感生电流的方向总是使感生电流所引起的磁场阻碍闭合电路的磁场的增加，或者阻碍磁通量的变化。这一定律后来就称为楞次定律。除此以外，楞次还研究了电流通过导体时的热效应规律，与焦耳
36、（J.P.Joule，18181889）研究结果相同，称之为焦耳-楞次定律。【狄拉克和磁单极子】狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902.8.81984.10.20）是英国理论物理学家。由于对量子力学发展所作的贡献，他于1933 年获诺贝尔物理学奖。1933 年，狄拉克根据最小的带电单位电子的电荷量子化的性质，依据对称性的思维原则，提出了有可能存在“磁单极子”的假说，表明磁极不一定是两个极同存于一体之中。这一假说到现在为止，还没有能在实验上得到最后的证实，但它仍是当代物理学上引人注目的基本理论研究和实验研究的课题之一。【麦克斯韦和电磁理论】麦克斯韦（James Cl
37、erk Maxwell，1831.8.131879.11.5）是英国物理学家。他深受法拉第的影响，信服法拉第的物理思想，决心为法拉第的力线、场的概念提供数学方法的基础。就电和磁的研究，麦克斯韦发表了4 篇著名的论著：1855 年，他发表了题为“论法拉第的力线”的论文。在这篇论文中，麦克斯韦采用了类比的方法（即把处理电场的问题与流体的问题类比），运用他人的研究成果，推导出电流四周的磁力线的通量和磁作用力之间的关系式，引入新的矢量函数，由该函数的各种微分运算导出一组矢量微分方程，以表示描述电流和磁力线的一些物理量之间的定量关系，由此得出定量公式。从法拉第给麦克斯韦的信中就可以看出这一成果的重要性。
38、法拉第在信中说：“当我知道你要构造一种数学形式来针对这样的主题，起初我几乎是吓坏了；然后我才惊讶地看到，这个主题居然处理得如此之好。”18611862 年，麦克斯韦发表了题为“论物理的力线”的论文。这篇论文进一步提出了关于力线的机械模型，即电磁以太模型。在论文中引进了“位移电流”的概念，这是一个新的贡献。他应用数学方法，类比了磁场变化、磁力线通量改变会产生感应电流的思想，肯定地指出，存在着变化的电场的电介质中也会产生一种磁效应的特殊“电流”位移电流。这一概念的提出，是建立电磁场理论的关节点。他又提出“由于媒质的弹性所引起的效应的改正”，既要考虑传导电流，也应考虑位移电流的作用。介质中引入的，但
39、后来又把它推广到没有具体物体的空间，因为麦克斯韦认为空间中充满着以太。18641865 年，麦克斯韦发表了题为“电磁场的动力学理论”的论文。该论文是电磁场理论的一个总结。他认为：“我提出的这个学说所以能叫做电磁场的学说，因为它关系到带电体或磁体周围的空间，并且它可以叫做动力学理论。因为它假定在这个空间中，有物质在运动，由此而产生了观察到的电磁现象。”特别是本文的第五部分光的电磁学说中，他由电磁场方程推出波动方程，证明了电磁波是一种横波，并求出电磁波的传播速度等于真空中的光速，由此他得出结论：“这一速度与光速如此接近，看来我们有强烈的理由断定，光本身（包括辐射热以及其他辐射，如果存在的话）乃是波
40、的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振即为电磁波传递的能流密度，而SWu，u就是电磁波的传播速度。这就表示电磁场具有能量，而电磁波就是能量的流动过程，实际上说明了电磁场和电磁波的物质性。1873 年，麦克斯韦的重要著作论电和磁问世。这部著作凝聚了电磁学的全部精华，它包含了创新的物理概念，严密的逻辑体系，简洁的数学形式，正确的科学推广。著作中证实了方程组的解是唯一的解，这就从理论上使人们确信，麦克斯韦方程组能够完整地反映电磁场的运动规律，而由它推得的一系列结论为尔后的实验所证实。这个理论是第一个经典场论，用现代术语来说，电磁场是最简单的规范场。当然作为规范场，它仅仅是个先导，现在还在发展之中
41、。由此可见，从法拉第到麦克斯韦，实际上是从对物理图象的研究发展到数学抽象的研究，从实验探索发展到理论规范的建立。【赫兹和电磁波的存在】赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857.2.221894.1.1）是德国物理学家。他在物理学上的主要贡献是证实了电磁波的存在。赫兹早期就已经熟悉法拉第和麦克斯韦的研究工作，从1884 年开始，他便研究麦克斯韦理论的证明问题。1886 年，赫兹在做放电实验时，发现附近未闭合的线圈也出现火花，从此时开始一直到1888 年，他持续地进行这方面的实验。实验是利用一个与感应线圈连接的未闭合电路产生电振荡的发生器，再用一个简单的未闭合线圈作为探测器，两者
42、相距10 米。赫兹坐在暗室里，当发生器通电后，立即就能看到探测器气隙中的微弱电火花。反复试验，均能得到同样的结果，由此证实了电磁波的存在。与此同时，他把探测器移到不同的位置，便可测得电磁波的波长。根据波长和计算得到的振荡器频率，便可计算电磁波传播的速率，它等于光速，这就证明了所假设的效应是以有限的速度传播的。赫兹在1887 年11 月10 日向德国科学院提交了报告，证明了电磁波的存在。从1888 年开始，赫兹又做了一系列的关于电磁波和光波类比的实验，表明电磁波也具有折射、衍射、干涉、偏振等一系列物理现象，证明了电磁波具有光波的一切性质。【洛仑兹和洛仑兹力】洛仑兹（Hendrik Antoon
43、Lorentz，1853.7.181928.2.4）是荷兰物理学家。对物理学的最重要的贡献是他的电子论。1892 年，洛仑兹开始发表有关电子论的文章。他认为一切物质的分子都包含有电子（尽管当时在实验中还没有确认电子的存在），阴极射线的粒子就是电子；并认为电子是质量很小的刚体，电子对以太是完全透明的；同时认为以太与物质的相互作用，实质上是以太与物质中的电子的相互作用。在此基础上，洛仑兹于1895 年提出了著名的洛仑兹力公式，表示运动点电荷在磁场中所受到的作用力的大小和方向。该公式不仅对于宏观点电荷成立，对于微观元电荷也同样成立。为了解释迈克耳逊-莫雷实验（参阅本书第49 页）的结果，洛仑兹曾提出
44、运动物体在运动方向上长度收缩的假说，并于1895 年发表了长度收缩1896 年，荷兰物理学家塞曼（P.Zeeman，18651943）发现磁场能使光谱线分裂（即塞曼效应），而洛仑兹用电子论对这一现象进行了解释。由于这一贡献，洛仑兹与塞曼同获1902 年诺贝尔物理学奖。【亨利和自感现象】亨利（Joseph Henry，1797.12.171878.5.13）是美国物理学家。致力于电学的研究，以研究自感现象而著名。1832 年，亨利首先发现了自感应现象，到1835 年3 月，在弗兰克林研究所学报上发表论文，对自己发现的自感现象进行解释。为了纪念他的这一功绩，电感的实用单位被命名为“亨利”。除此以外
45、，亨利从1827 年开始就研究电磁现象，他曾改进了当时的电磁铁的制作，采用绝缘导线代替裸铜线绕在U 形铁棒上，克服了裸铜线不能紧密地绕在U 形铁棒上的弊端，从而大大增强了电磁铁的磁性。这样便可制成一个体积不大的电磁铁，它能吸起很重的铁块。这一成果为电机的发展打下了基础。【J.汤姆孙和电子的发现】J.汤姆孙（Joseph John Thomson，1856.12.181940.8.30）是英国物理学家。他对物理学的最杰出的贡献是发现了电子。1895 年，德国物理学家伦琴（W.K.Rntgen，18451923）发现了X射线后（参阅本书第33 页），J.汤姆孙对阴极射线管内的气体放电现象，进行了更
46、深入的研究。因为阴极射线发现以后，其本质是以太振动还是粒子流，科学家一直争论不休。为了搞清这一问题，J.汤姆孙作了进一步的实验。首先，他在阴极射线管内射线经过的路上，放上一块涂有硫化锌的小玻璃片。当气体放电时，发现硫化锌会发出闪光，由此表明阴极射线能使硫化锌发光，并且是直线行进的。接着，J.汤姆孙又把一个马蹄形磁铁跨放在射线管的外面，发现射线会偏向一边，根据偏转的情况，说明射线是一种带负电的粒子。当时，还不知道有比原子更小的粒子，所以J.汤姆孙认为可能是一种电离了的原子，打算测量这种电离了的原子的质量。他在涂有硫化锌的小屏上画上刻度，以便了解这种带电粒子在磁场中偏转的程度。如果知道外加磁场的强
47、度，便可以知道带电粒子所受力的大小。在带同样电荷的情况下，粒子的质量越大，越不容易被磁场偏转。反之也然。利用这一方法，J.汤姆孙测出了阴极射线粒子的电荷与质量之比值（即荷质比）。所得结果，大大出乎人们的意料，阴极射线粒子的荷质比的数值比最轻的氢原子的荷质比大1800 多倍，说明这种粒子的质量比氢原子质量小得多。1897 年4 月3O 日，J.汤姆孙正式宣布了这一发现，并称之为“微粒”，从而结束了人们对阴极射线本质的争论。后来，人们把这种微粒命名为“电子”。由于气体导电方面的理论和实验的研究成果，J.汤姆孙获得了1906 年的诺贝尔物理学奖。【伦琴和X 射线】伦琴（Wilhelm Konrad
48、R ntgen，1845.3.271923.2.10）是德国物理学家。他对物理学的最主要的贡献是在维尔茨堡大学任教期间偶然发现了X 射线（也称伦琴射线）。1895 年，伦琴在实验室进行阴极射线实验。该年的11 月8 日，伦琴在暗室中做放电实验时，偶然发现了一个新的现象：在一段距离以外，涂有一种荧光材料（铂氰酸钡BaPt（CN）6）的屏上竟发出微弱的荧光。对此伦琴极为重视，马上进行仔细观察，并肯定激发这种荧光的东西来自阴极射线管，同时又肯定这种东西不可能是阴极射线，因为后者是透不过阴极射线管的玻璃壁的。伦琴认真地对待这个偶然的发现，一面继续进行实验，一面在理论上进行思考。他推论着，当阴极射线（后
49、来才知道是电子流）撞击管子的玻璃壁时，是否会形成一种不知道的射线，而这种射线可以透过玻璃，撞击在化学药品上时会激发出荧光。伦琴在实验过程中又发现，当金属的厚片放在管子与涂有铂氰酸钡的屏之间时，便会产生投射阴影，表明这种射线穿透不过去；而平时不透光的、轻的物质（如铝片、木片、纸张等）放置在这两者之间时，投射阴影几乎看不见，表明它可以穿过这类物质。同时也发现，所吸收的射线的数量似乎大致与吸收体的厚度和密度成正比。管内气体愈少，射线的贯穿性愈高。人的肌肉和骨骼对这种射线的吸收情况不一样（肌肉对它的吸收比骨骼弱得多），当受到具有相当“硬度”的这种射线照射时，在屏上只留下骨骼的阴影。伦琴拍摄了世界上第一
50、张X 光片他夫人手掌的X 光片。这对外科手术来说，具有无上的价值。同时，伦琴又发现，这种射线并没有明显的普通光的特性（如反射、折射、衍射等），所以他误认为所发现的射线与光无关。考虑到它的不确定的本性，伦琴把该射线称为X 射线。经过几个星期紧张的实验和研究，1895 年12 月28 日在维尔茨堡举行的医学物理学学会会议上，伦琴宣读了第一篇学术报告论新的射线，接着又发表了第二、第三篇学术报告。在这些报告中，伦琴分析了X 射线的性质、产生的原因和在各种物质中的透射率。他发现，阴极射线打在固体上会产生各种强度的X 射线，固体元素愈重，产生的X 射线愈强；X 射线既不受磁场的作用而偏转，也不能用玻璃透镜
51、来聚焦或发散。同期，伦琴又制造出世界上第一个X 射线管，后人称之谓伦琴射线管，简称伦琴管。伦琴发现X 射线的踪迹是偶然的，正如他自己所说的：“我是偶然发现射线穿过黑纸的。”这在科学思想和科学研究方法上给了我们一个启示，就是在科学实验和观察过程中，如何正确对待偶然的发现，或者称之为机遇事件。伟大的发现之出于偶然性，常常较一般人所想象的为少，同时又常常会被人所忽视。所以不少科学家认为，“留意意外之事”是科研工作者的座右铭之一。当然，观察、实验中的机遇只是提供一个线索，要真正解决问题，最终获得成功，还要善于抓住它追根究底。据记载，在伦琴发现这种射线之前，至少有一位物理学家曾发现过这种现象，但他只是气恼，认为它是一种干扰，并想方设法排除它，而伦琴则完全不一样。所以在观察、实验的领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑。X 射线的发现以及X 射线管的研制成功，为自然科学的发展，特别是为微观领域物理规律的探索、研究，提供了有力的工具。为此，伦琴第一个获得了诺贝尔物理学桨（即1901 年的奖），因为诺贝尔奖是从1901 年开始颁发的。
