经典电磁学的建立

经典电磁学的建立电磁学比力学和光学年轻得多。

在18世纪以前，人们对电磁现象虽有一些记载和认识，但多数是定性的。

18世纪人们开始对电现象和磁现象进行独立的定量研究，电学和磁学发展速度加快，特别是18世纪末期电流的发现，强有力地推动了电学和磁学的发展。

19世纪中叶麦克斯韦建立了经典电磁学理论，实现了光学和电磁学的统一。

第一节对磁和电的早期研究一.吉尔伯特的《论磁》磁学研究的先驱当数与伽利略同时代的英格兰人吉尔伯特。

他早年曾在剑桥大学学习，后来成为一位蜚声欧洲的名医，担任过英国女王伊丽沙白一世的私人医生。

他最初的研究在化学方面，但大约在40岁时，他对磁和电现象产生了兴趣，把其余生奉献给磁和电的实验研究。

1600年出版的他的伟大的著作《论磁》，标志着电磁研究新纪元的开始。

吉尔伯特最著名的实验是“磁性小地球”实验。

他将一块天然磁石磨制成一个磁石球，把小磁针放在这个磁球的附近，观察磁球对小磁针的作用。

他发现，这些小磁针的行为完全和地球上指南针的行为一样，磁球的磁子午圈与地球的经线想象且有两个“磁极”，于是，他大胆地得出地球是一个大磁体的结论。

他还提出一个普遍原理，即每个磁体的磁北极，吸引别的磁体的磁南极，而排斥它们的磁北极。

由此，他解释了指南针指北的原因，批驳了一些人对磁体运动原因的迷信说法。

吉尔伯特还做过磁化铁棒或铁丝的实验。

通过“拉伸或锤击”铁棒或铁丝，或通过锤击正在从灼热中冷却下来的铁棒或铁丝，都可以将其磁化。

吉尔伯特对静电现象也有实验研究。

前人发现摩擦过的琥珀有吸引轻小物体的性质，他发现许多摩擦过的物体也有这种性质。

为了把这种性质与磁作用区别开，他把这种性质称为电性，引入“电力”、“带电体”等术语。

他第一次明确地区分开了电的吸引和磁的吸引。

吉尔伯特把电现象和磁现象做了比较。

他认为：[1]磁性是天然的，而电性需经摩擦产生；[2]磁力作用只在少数物体间发生，电力作用则是普遍的；[3]磁力有两种——引力和斥力，电力仅有引力（当时不知道还有斥力）；[4]磁体之间作用不受中间物体影响，而带电体则不然。

由此，他得出它们是两种截然无关的现象的结论。

这个结论，影响后人在随后的两百多年里一直把电现象和磁现象分开研究。

二.物体导电性和两种电的发现在17世纪继吉尔伯特之后最重要的电学发现是电推斥的发现。

卡贝乌司斯在其《磁学哲学》（1629年）里描述了带电琥珀所吸引的铁屑有时在接触后被反冲到几英寸之外。

然而，最早认识到和说明这个现象的人是抽气机的发明者、德国马德堡市的市长盖里克（O.von Guericke,1602-1686）。

盖里克在他的著作《关于虚空空间的新的马德堡实验》（1672年）里，除了描述了他的著名的马德堡半球实验外，还记述了他发明的摩擦起电机，人类第一部静电起电机。

他用熔融的硫磺浇注成一个“象小孩头颅那么大的”带轴的圆球，把这个球架起来并使之转动，用手与球摩擦，结果人体和球都带上了电。

他还发现：带同种电的物体相斥；电荷能够传到亚麻线的末端；带电体可使附近的物体带电。

因此，他是电传导和电感应现象发现方面的先驱。

最早明确描述电传导现象并通过实验区分导电和非导电物质的人是英国卡尔特修道院的养老金领取者格雷（S.Gray,1666-1736）。

1729年，格雷发现，摩擦带电的玻璃管的电可传到其两端的软木塞上。

把一端插进象牙球的木杆的另一端插进软木塞，他发现电的作用通过软木塞和木杆传到了象牙球。

他还用一根绳子将电传导了24米远。

但是，他还发现不是任何物质都具有传播电的性质。

于是他把物质分为两类：一类是非电性物体（导体），另一类是电性物体（绝缘体）。

法国皇家花园的管家杜菲（C.F.du Fay,1698-1739）1733年发现绝缘了的金属也可以通过摩擦的办法起电，因此他认为所有物体都可以摩擦起电。

杜菲在吉尔伯特工作的基础上，对验电器作了改进，用金箔代替金属指针，并用它对摩擦带电的玻璃棒和琥珀作检验，发现两者带的电是不同的。

他由此指出：存在两种不同性质的电，并称之为“玻璃电”和“树脂电”；同种电相斥，异种电相吸。

为解释两种电，他提出二元电液理论。

为寻找存储电荷的办法，德国的物理学家克莱斯特（E.G.von Kleist,1700-1748）和荷兰的物理学家穆申布鲁克（P.von Musschenbrock,1692-1761）在1745-1746年间几乎同时独立发明了莱顿瓶。

三.富兰克林的电学研究美国科学家和政治家富兰克林（B.Franklin,1706-1790）1746年开始从事电学研究，被誉为“电学之父”。

富兰克林根据异种电荷可以相消的实验，提出单元电液理论。

他认为，物体缺少电液就带负电，用“-”号表示；物体多余电液就带正电，用“+”号表示，而且正负电可以相互抵消。

这为电现象的定量研究提供了一个基础。

十八世纪人们发现各种物体放电时一般会产生火花，与空中雷电非常相似。

这种相似引导富兰克林思考雷电的本质以及雷电与地电有何异同。

富兰克林曾把一根40英尺长的铁棒立于空中，企图把雷电引下来收集后加以研究，由于铁棒高度不够，未能成功。

富兰克林想出了“风筝实验”。

他在风筝上固定一根尖细的铁丝，使它伸出一英尺有余。

用一根粗糙的麻绳做拉线，手拉的一端接一根丝绳（绝缘体），在麻绳和丝线的接头处栓上一把金属钥匙。

1752年7月的一个雷电交加的日子，富兰克林同他的儿子一起来到郊外，把风筝放入云端。

富兰克林发现，当闪电时，被雨打湿的麻绳上的纤维向四周翘起，用手指靠近钥匙，则有放电火花产生。

天电终于被引了下来。

他用钥匙上的电给莱顿瓶充电，并用这里的电来进行各种实验，发现天电和地电是一样的。

因此，富兰克林统一了“天电”和“地电”。

他的这个实验震惊了科学界，激发了人们对电研究的兴趣。

1755年捷克的一位科学家创制了第一个避雷针，1760年富兰克林也竖起一根避雷针。

第二节库仑定律的发现一. 平方反比定律的提出18世纪中叶以后，人们对电荷之间的相互作用规律开始作定量的研究。

1750年左右，德国科学家埃皮努斯（F.U.T.Aepinus,1724-1802）在实验中发现：电荷之间的相互作用力随距离的缩短而增大。

在富兰克林的劝说下，1766年英国科学家普利斯特列（J.Priestley,1733-1804）做了一个验证实验：带电金属容器内表面上不分布电荷，它对空腔内部的电荷没有作用力。

根据肯定的实验结果，普利斯特列将电的引力类比于万有引力，作出了一个大胆的猜测，认为“难道我们就不可以认为电的吸引力遵从与万有引力相同的规律，即与距离的反平方有关的规律吗？”稍后，即1769年爱丁堡大学的罗宾森（J.Robison,1739-1805）也提出相同的推测。

1773年，英国科学家卡文迪许（H.Cavendish,1731-1810）做了电荷在金属球壳的分布实验，根据电荷只分布在球壳外表面的实验事实，经过理论分析，得出电荷之间的相互作用力和其距离成平方反比的结论。

卡文迪许假设电荷之间的相互作用力和其距离的关系为：f(r)=K/rn ,经过实验测定n=2+1/50。

不过，他的结果一直到他去世后才于1879年被公开发表。

二. 库仑定律的建立法国物理学家库仑（C.A.Coulomb,1736-1806）在1777年对毛发和金属丝的扭转进行研究，发明了扭秤。

1785年，他自行设计制造了一台精度很高的扭秤，并把它用于测定电荷之间的相互作用力。

为测定电排斥力与电量的关系，库仑巧妙地根据对称性，采用一个带电、另一个不带电的两个相同的金属球相互接触平分电量的办法，得到了同种等量的电荷，如Q、1/2 Q、1/4 Q、1/8 Q......等，用实验证明了电斥力与电量成正比的关系。

关于异种电荷之间的引力，库仑利用扭秤测量遇到了困难。

因为金属丝的扭秤的回复力矩与角度的一次方成比例，这就不能满足扭秤的稳定。

后来他从受地球引力的单摆摆动事例中得到启发，借鉴单摆周期与距离的关系T=2Pr ，即单摆的振动周期与物体离地心的距离成正比。

库仑认为，如果电引力遵从反平方定律，就可以用他设计的“电摆”来检验。

库仑所记录的3次实验的数据如下表所示：实验次数金箔与球心距离（寸） 15次振动所需时间（秒）1 9 202 18 413 24 60库仑由此得到：距离之比为3：6：8，振动周期之比为20；41：60。

如果电引力符合反平方定律，按以上的距离之比，振动周期之比应是20：40：53。

实验数据与理论预期有出入，库仑认为这是漏电的缘故。

于是他得出结论：电斥力和电引力一样，遵从反平方定律。

库仑定律的建立，使电学研究进入了定量阶段，为电磁学作为一门精密的科学奠定了基础。

第三节电流的发现和欧姆定律的发现一. 伽伐尼“动物电”的发现电流的发现始于意大利生理学教授伽伐尼（L.Galvani,1737-1798）的发现。

1780年9月的一天，伽伐尼将一只剥去皮的青蛙放在一个起电机旁的金属板上，在起电机放电时，他的一个助手偶然将解剖刀碰到青蛙腿的神经上，发现蛙腿发生剧烈的痉挛。

伽伐尼重复了这个实验，认为蛙腿的痉挛是由放电引起的。

于是，他用闪电代替起电机放电来实验，发现蛙腿也发生了痉挛。

后来他在密闭的房里，将青蛙放在铁板上，用铜丝去触击它，结果蛙腿同样也发生了痉挛。

因此通过这一现象，他排除了外来电作用的可能性，并猜想“这个电也许是动物本身所有”。

他进而指出，只要动物的肌肉或神经由一种以上的金属所连接，“动物电就能激发出来。

伽伐尼的发现于1791年公布，立即引起了他的好友、意大利自然哲学教授伏打（A.V olta,1745-1827）的注意，引发了电流的发现。

二.伏打电堆的发明1792年，伏打重复了伽伐尼的青蛙实验，认为伽伐尼得到的现象是对的，但解释是错误的。

他做了一个列颇有说服力的实验。

将一块金币和一块银币同时顶住舌头，用导线将它们连接起来时，舌头感觉有酸苦味。

因此，伏打认为，电的来源不是动物本身，而是两种金属的接触，肌肉或神经只是起传导和指示电流的作用。

伽伐尼所发现的电流不应叫做“动物电”，而应称做“金属电”或“接触电”。

1796年，伏打把金属称为第一类导体或干导体，把含有金属元素的液体称为第二类导体或湿导体；他指出，电“循环”的先决条件是回路必须由两个（或更多个）第一类导体和一个第二类导体所组成。

他用各种金属搭配，研究它们相互接触时产生电的情况。

1797年，他提出了一个金属接触系列——著名的伏打系列：锌、锡、铅、铁、铜、银、金等，指出排在前面的金属将带正电，排在后面的金属将带负电。

他还发现，将几种金属串接时，则电作用（电势差）由首、尾端的金属的性质决定，和中间的金属无关，这就是伏打定律。

伏打将两个第一类导体和一个第二类导体所组成一个产生电流的装置，并把它叫做伽伐尼电池。