1 中国指南针

指南针的基本原理是磁针的指极性，中国人早在公元前3世纪的战国时期就已认识到这一点。《韩非子·有度》中提到“先王立司南以端朝夕”，表明那时已经有了磁性指向工具，而且被称为“司南”。公元1世纪初东汉王充在《论衡》中有关于司南的详细记载：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”表明司南的开关像一把汤匙，有一根长柄和光滑的圆底。司南由磁石制成，静止时长柄所指方向为南方。司南可能是最早期的指南针。由于磁性指向工具常常被置于一个标有方位的地盘之上。因此，早期指南针也被称为“罗盘”。

物质大都是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子又是由原子核和电子组成的。在原子内部，电子不停地自转，并绕原子核旋转。电子的这两种运动都会产生磁性。但是在大多数物质中，电子运动的方向各不相同、杂乱无章，磁效应相互抵消。因此，大多数物质在正常情况下，并不呈现磁性。

铁、钴、镍或铁氧体等铁磁类物质有所不同，它内部的电子自旋可以在小范围内自发地排列起来，形成一个自发磁化区，这种自发磁化区就叫磁畴。铁磁类物质磁化后，内部的磁畴整整齐齐、方向一致地排列起来，使磁性加强，就构成磁铁了。磁铁的吸铁过程就是对铁块的磁化过程，磁化了的铁块和磁铁不同极性间产生吸引力，铁块就牢牢地与磁铁“粘”在一起了。我们就说磁铁有磁性了。

2 吉尔伯特的磁学研究

吉尔伯特1544年5月24日生于英国埃塞克斯郡的科尔切斯特。吉尔伯特尽管以磁学研究的先驱而闻名于世，但他的终生职业是位医生，且是伦敦当时的名医。吉尔伯特终生独身，将闲暇全都用于搞物理实验。1600年出版的《论磁》一书，使他在物理学史上留下了不朽的位置。

中国人发明的指向磁针经由阿拉伯人传入欧洲之后，很快在航海业中得到广泛的使用。吉尔伯特发现了磁倾角，即当小磁针放在地球上除南北极之外的地方时，它有一个朝向地面的小小倾斜。吉尔伯特的天才之处在于，他由磁倾角推测出地球是一块大磁铁。

吉尔伯特对近代物理学的重大贡献还在于他提出了质量、力等新概念。牛顿物理学的一个基本要点是区分了质量和重量，有了这个区分，力学才突破了感性经验的范围进入纯理论的领域。在《论磁》中，吉尔伯特说，一个均匀磁石的磁力强度与其质量成正比。这大概是历史上第一次在重量概念之外提到质量概念。除了研究磁力外，他还注意到了自然界中其他类型的吸引力。比如，人们早就知道摩擦琥珀，琥珀就能将细小物体吸起来。据说，泰勒斯曾做过有关的实验。吉尔伯特进一步发现，除琥珀以外，还有许多物体经摩擦都有吸引力。他将这类吸引力归结为电力，并用希腊文琥珀（Elektron）一词创造了“电”（electricity）这个新词。他还通过实验具体测定了各种吸引力的大小，发现磁力只吸引铁，而电力则太弱。

普遍的“力”的概念当然还不成熟，但通过“磁力”这一特殊的力，吉尔伯特揭示了自然界中存在着某种普遍的相互作用。他对力的解释，也还带有旧时代的痕迹。他像希腊人那样相信万物皆有灵魂，而地球的灵魂即是磁力。他认为，力像以太那样放射和弥漫，将四周的物体拖向自身。这种解释虽然不够近代，但对开辟新代新的物理学十分有用。因为，正是在他的思想激励下，人们才开始寻求行星规则运动的“力”的原因。

3 摩擦电研究：迪费、马森布罗克、富兰克林

自吉尔伯特的开创性研究以来，电学一直处在盲目摸索阶段。基本的概念框架尚未建立，也缺乏定量实验。吉尔伯特已经认识到一切物体可以分为“电物体”和“非电物体”两类，其中的电物体就是通过摩擦可以带电的物体，非电物体则不可能带电。

1729年，英国卡尔特修道院的养老金领取者格雷通过实验发现了导电物质与非导电物质的区分。他先是偶然发现，当玻璃管经摩擦带电时，塞住玻璃管两端的软木塞也带电。进一步，他有意识地用一根木杆的一端插进软木塞，而另一端插进一个象牙球，结果发现，当玻璃管带电时，连象牙球都可以吸引羽毛。他继续用各种物质实验，终于得出结论：有些物质可以传送电，而有些物质不能传送，只能用来保存电荷。“电物体”不能传导电，而“非电物体”则可以导电。

格雷的实验引起了法国物理学家迪费（Du Fay, 1698-1739）的注意。他是皇家花园里的一位管家，因而有闲暇从事他所爱好的物理实验工作。1733年，他用带电的玻璃棒去接触几块悬挂着的软木，使它们带电。按吉尔伯特和格雷的说法，软木是“非电物体”，只能导电，不能带电。迪费的实验则表明这种看法是错误的。迪费还进一步亲自试验，将自己悬挂在天花板上，让助手给自己带电，结果他们两人都被电击，这就说明人这种“非电物体”也可以带电。因此，迪费大胆地否定了“电物体”与“非电物体”之区分，认为所有物体均可以通过摩擦带电。

迪费的另一工作是发现了两类电荷的不同。1734年，迪费发表了一封信，信中说：“我凑巧又发现了另一原理，它比前一原理更富有普遍性并更加值得注意，而且对于电学研究提出了新的阐释。这原理是：有两种各不相同的电，一种我称为玻璃电（vitreous electricity），另一种我称为树脂电（resinous electricity）。第一种是玻璃、岩晶、宝石、兽毛、绒毛和其他许多物体的电；第二种是琥珀、硬树胶、树脂漆、丝、线、纸和其他大量物质的电。这两种电的特性是，比如说，玻璃电物体排斥一切同电的物体，但是相反，吸引一切树脂电物体。”迪费实际上发现了正负电荷的不同，但他的命名不确切。后来人们现，树脂质物体可以产生玻璃电，玻璃质物体也可以产生树脂电。

随着玻璃电研究的深入开展，摩擦起电机的制造更趋精致。起电机提供实验用的电荷自然不成问题，但机器一停，所产生的电荷就逐渐在空气中消失了，电荷无法保存下来。莱顿瓶就是在这个背景下应运而生的。

事情是偶然发生的。1745年，荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克( Pieter Van Musschenbrock,1692-1761)做了一个试图使水带电的实验，结果令他震惊。他在一个玻璃瓶中倒进水，然后用软木塞塞住瓶口，让一根铜丝从软木塞中通入瓶内的水中。马森布罗克摇动起电机使铜丝带电，他的助手拿着玻璃瓶。这时，这位助手不小心将另一只手碰着了黄铜丝，被猛烈地电了一下，大叫起来。马森布罗克于是与助手调换了分工，自己亲自试一试，结果，正如他后来描述的：“我的右手遭到了猛击，全身好像触了闪电一样。玻璃瓶虽然很薄，可是没有破裂，手也没有因此移位，但是手膀和全身都受到了说不出来的的影响：一句话，我想我这次完蛋了。”这就表明，玻璃瓶可以储存大量的电荷。这个消息很快传开了。虽然马森布罗克警告人们不要冒险做这个实验，但还是有不少勇士知难而上，并且纠正了马森布罗克的一些错误结论。例如，马氏曾认为只有德国产的玻璃才行，后来发现只要是干燥的就行。由于玻璃瓶储电实验是从莱顿大学传开的，这种储电瓶就被称为莱顿瓶。其实，比马森布罗克略早一些，德国波美拉尼亚的牧师克莱斯特也于1745年 现了玻璃瓶可以保存电，发现的过程基本类似。

莱顿瓶轰动了整个欧洲，各地的业余爱好者均争相实验、示范、表演。有人用莱顿瓶放电杀死老鼠，有人用电点燃火药。最其名的一次电击表演是法国物理学家诺莱特做的。他在巴黎修道院门前调集了七百名修道士，让他们手拉手排成一排。队伍全长900英尺，规模十分壮观。法国国王路易十五及其皇室成员被邀请观看。诺莱特让队首的修道士拿住莱顿瓶，让队尾的修道士手握莱顿瓶的引线。当莱顿瓶放电时，一瞬间700名修道士全都跳了起来，其滑稽的举动给人留下深刻的印象，也令人深切地感受到了电的力量。

1746年，美国著名的政治家、科学家富兰克林（Benjamin Franklin，1706－1790）得到了伦敦友人赠送的一只莱顿瓶，便开始研究电现象。富兰克林的研究使人类对电的认识大大前进了一步。富兰克林1706年生于美国麻省波士顿市，是一位肥皂商的第十个儿子。他年轻时做过印刷业的学徒工，此后在费城创办报纸，成为政界名流。18世纪后半期，他致力于美国的独立斗争，是赢得独立战争的领袖，是美国家喻户晓的民族英雄、立国之父。但是早年，他主要以一个科学家而闻名欧洲。

富兰克林最著名的发现是统一了天电和地电，破除了人们对于雷电的迷信。在用莱顿瓶进行放电实验的过程中，富兰克林面对着电火花的闪光的劈啪声，总是禁不住与天空的雷电联想起来。他意识到莱顿瓶的电火花可能就是一种小型的雷电。为了验证这个想法，必须将天空中的雷电引到地面上来。1752年7月的一个雷雨天，富兰克林用绸子做了一个大风筝。风筝顶上安上一根尖细的铁丝，丝线将铁丝联起来通向地面。丝线的末端拴一把铜钥匙，钥匙则插进一个莱顿瓶中。富兰克林将风筝放上天空等待打雷。突然，一阵雷电打下来，只见丝线上的毛毛头全都竖立起来。用手靠近铜钥匙，即发出电火花。天电终于被捉下来。富兰克林发现，储存了天电的莱顿瓶可以产生一切地电所能产生的现象，这就证明了天电与地电是一样的。

富兰克林的第二大贡献是发明了避雷针。早在1747年，富兰克林就从莱顿瓶实验中发现了尖端更易放电的现象。等他发现了天电与地电的统一性后，就马上想到，如果利用尖端放电原理将天空威力巨大的雷电引入地面，那就可以避免建筑物遭雷击。

富兰克林在电学上的第三大贡献是提出了正电和负电的概念。在1747年的一封信中，富兰克林提出了自己对电的本性的看法。他认为，电的本性是某种电液体，它不均匀地渗透在一切物体中。当某物体内的电液体与其外界的电液体处于平衡时，该物体便呈电中性；当内部的电液体多于外界时，呈正电性，相反则呈负电性。正电与负电可以抵消。由于电液体总量不变，因此电荷总量不变。在摩擦过程中，电不是被创生而是被转换。迪费所谓的玻璃电和树脂电实际上分别是正电和负电。富兰克林的电性理论可以解释当时出现的绝大部分电现象，因而获得了公认。今天，我们知道，电实际上是带负电荷的电子造成的，正电恰好意味着电子的缺失，负电才是电子的多余。富兰克林正好弄反了，但他的“缺失”和“多余”模型被继承下来了。

4 流电研究：伽伐尼、伏打

电流的发现纯情属偶然。1752年，有一位名叫祖尔策的意大利学者，用一片铅片和一片银片放在舌尖上，当这两个金属片的另一头边在一起时，他发现舌尖的感觉很奇怪，既不是铅的味道，也不是银的味道。他反复试验，发现确实有这种现象。由于找不到解释，他就没有再把这件事情放在心上。实际上，他的舌尖上流通了两个金属相接触而产生的接触电，味觉因而发生了变化。

又过了近30年，意大利波洛尼亚大学的医学教授伽伐尼（Galvani，1737－1756）重新遭遇了这种现象。伽伐尼是一位解剖学家。1780年9月20日，他正和他的两个助手做解剖青蛙的实验。他将解剖完了的青蛙放在解剖桌上后，一名助手无意中将解剖刀碰到了一只蛙腿的神经上，顿时四只蛙腿猛烈地抽动。伽伐尼感到奇怪，又重复了这一实验，发现了同样的现象。他将蛙腿用铜丝挂在铁格窗上，想看看雷雨时蛙腿的反应，结果发现雷电发作时，蛙腿抽动。这表明蛙腿抽动是因为电击所致。但他进一步发现，没有雷电时，蛙腿也抽动，无论晴天雨天。他又在封闭的屋子里做实验，发现用相同的金属不能使蛙腿抽动，而不同的金属则抽动，只是程度有所不同。

金属与蛙腿接触肯定有放电过程发生，但电来自何处呢？伽伐尼是一位解剖学家，他可能更相信来自有机体内部，因此，他提出，动物体内部存在着“动物电”，这种电只有用一种以上的金属与之接触时才能激发出来。他认为，这种电与摩擦电完全一样，只是起因不同。今天我们知道，伽伐尼的动物电看法是错误的。然而，正是他的工作极大地促进了人们对该问题的深入研究。

伽伐尼的发现轰动一时，特别引起了他的同胞、意大利物理学家伏打（Volta，1745－1827）的注意。伏打当时是意大利帕维亚大学的自然哲学教授，已经在静电研究中初露头角。他发明的起电盘有储存电荷的作用，可以替代莱顿瓶。为此，他于1791年获得皇家学会的科普利奖章，并被选为会员。伽伐尼的实验传开后，他也重复了该实验，但他对伽伐尼的解释不满意。虽然当时的人们联想到海里的电鳗等带电的鱼，因而很快就接受了伽伐尼的“动物电”概念，但伏打对此仍深表怀疑。

1792年，他从实验上证明了，伽伐尼电本质上是因为两种金属与湿的动物体相连造成的，蛙腿只起验电器的作用。1794年，他决定只用金属而不用肌肉组织进行试验，立即发现电流的产生与生物组织无关。这样一来，在伽伐尼与伏打之间便发生了一场争论。双方都有支持者，但实验证据对伏打越来越有利。

伏打用各种金属做实验，结果得出了著名的伏打序列：锌、锡、铅、铜、银、金… 他发现，只要将这个序列里前面的金属与后面的金属相接触，前者就带正电，后者带负电；在序列中的距离越远，带电越多。1800年，伏打制成了著名的伏打电堆。他在3月20日致皇家学会会长的信中说，在进行接触电实验的过程中，他制造了一种新装置，这种装置可以自发地生电。“30片，40片，60片或更多的铜片，最好是用一些银片，每片都与一块锡片，更好是用一些锌片，还有等数目的水层，或比纯水更能传导的其他某种液体如盐水、或碱水等，或用浸透这种液体的卡片或革片相接触。当这种水层夹在每副由两种不同金属的耦合之间时（三种导体的交替必须按照同样次序），我的仪器就造成了。”以后，伏打又将他的电堆做了进一步的改进，使其更便于使用。

伏打电堆的出现，使人们第一次有可能获得稳定而持续的电流，从而为研究动电现象打下了基础。同时，它也推动了电化学的发展。电流的出现标志着一个电气时代的来临，伏打电堆在科学史上具有十分重要的地位。

5 静电的定量研究：卡文迪许与库仑

自莱顿瓶出现以来，关于静电现象的定性研究取得了十分突出的成就。人们已经认识到电荷分正电和负电，同性相斥，异性相吸。从18世纪中叶开始，不少人定量地研究了电荷力，他们中最著名的是卡文迪许与库仑。

卡文迪许（Henry Cavendish，1731－1810）是英国的一位贵族，1731年生于法国尼斯，因为那时候他母亲正在法国旅游。他终生未婚、独居，一心献身于科学研究事业。他性格孤僻、过分腼腆。据说他从不接触陌生人，连女佣人都不能见面，需要她干什么就写在纸条上。

卡文迪许被认是氢气的发现者。他的论文表明他懂得如何将酸与金属相作用制备氢气。他还证明了氢气燃烧生成水。

在实验物理学史上，卡文迪许的最重要工作也许是用英国地质学家密切尔发明的扭秤在实验中测定了万有引力常数G。他用一根线将一根很轻的棒悬挂起来，棒可以绕线自由转动，棒两头各固定一个轻的铅球。卡文迪许测定了棒的扭转与棒所受力的定量关系后，将两个大球分别靠近两个小铅球。从扭转程度可以先算出两对球之间的万有引力，再运用万有引力定律反算出万有引力常数G。知道了万有引力常数，由重力加速度又可以算出地球的质量，以及地球的密度。

卡文迪许在电学方面也做出了开创性贡献，但他在18世纪70年代所做的电学研究直到半个世纪后才被发现。他生前只给皇学学会投寄了两篇论文。在1777年的论文里，他提出了电荷作用的平方反比律：“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方。如果是这样的话，那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方。而且这些电紧紧地压在一起，物体的其余部分处于中性状态。”他在实验中发现，将一个金属球壳带电后，所有的电荷均分布在表面，而球腔中没有任何电作用，这意味着球腔内任何一点所受到的电力均相互抵消了。电力与作用距离保持一种什么样的关系，才可能做到相互抵消呢？他用数学证明了只有当力与距离的平方成反比时才可能。

重新发现的卡文迪许的手稿表明，他已经提出了静电电容、电容率、电势等概念。这些在当时均为第一流的成就，都没有发表。1810年，卡文迪许在伦敦出世。当今最为著名的剑桥大学卡文迪许实验室就是为了纪念这位伟大的科学家而命名的。

卡文迪许用来测量万有引力常数的的扭秤，被法国物理学家库仑（Coulomb，1736 －1806）用来测定电荷之间的相互作用力。不过库仑的扭秤是自己独自发明的，为此曾于1781年选为法国科学院院士。1785年，他使用自己的扭秤测定带电小球之间的作用力，发现电的引力或斥力与两个小球上的电荷之积成正比，而与小球球心之间的距离的平方成反比。这个规律现在被称为库仑定律。库仑也做过与卡文迪许同样的球壳实验，以此进一步证明平方反比律的正确。

库仑1773年发表有关材料强度的论文，所提出的计算物体上应力和应变分布情况的方法沿用到现在，是结构工程的理论基础。1777年开始研究静电和磁力问题。当时法国科学院悬赏征求改良航海指南针中的磁针问题。库仑认为磁针支架在轴上，必然会带来摩擦，提出用细头发丝或丝线悬挂磁针。研究中发现线扭转时的扭力和针转过的角度成比例关系，从而可利用这种装置测出静电力和磁力的大小，这导致他发明扭秤。他还根据丝线或金属细丝扭转时扭力和指针转过的角度成正比，因而确立了弹性扭转定律。他根据1779年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂的科学理论，于1781年发现了摩擦力与压力的关系，表述出摩擦定律、滚动定律和滑动定律。设计出水下作业法，类似现代的沉箱。1785~1789年，用扭秤测量静电力和磁力，导出著名的库仑定律。库仑定律使电磁学的研究从定性进入定量阶段，是电磁学史上一块重要的里程碑。

库仑定律与牛顿的万有引力定律形式上十分相似。它的发现，使人们对物理世界的普遍规律有了进一步的认识，为电磁学的大发展开辟了道理。

6 电流的磁效应：奥斯特、安培

18世纪行将结束之际，电学达到了它的最高成就－库仑定律。但是，电与磁联系依然未被正确地认识。吉尔伯特在当时实验的基础上认为电与磁没有什么共同性。这一看法延续了很长时间。库仑也探讨过电与磁的相关性，但在实验上一无所获，结果也相信电与磁没有什么关系。19世纪电磁学的大发展正是从认识到电磁的内存统一性开始的。

18世纪后期在德国兴起的自然哲学思潮，弘扬自然界中联系、发展的观点，批评牛顿科学中机械论的成分，在当时的科学家中产生了重要的影响。丹麦物理学家奥斯特（Oersted，1777-1851）青年时代是康德哲学的崇拜者，1799年的博士论文讨论的就是康德哲学。后来，他周游欧洲，成了德国自然哲学学派的追随者。1806年回国后，被母校哥本哈根大学聘为教授。

基于其哲学倾向，奥斯特一直坚信电磁之间一定有某种关系，电一定可以转化为磁。在1812年出版的《关于化学力和电力的统一的研究》一书中，奥斯特推测，既然电流通过较细的电线会产生热，那么通过更细的导线就可能发光。导线直径再小下去，还可能产生磁效应。沿着这个思路，奥斯特做了许多实验，但均没有成功。

1819年冬天，他受命主持一个电磁讲座，有机会继续研究电流的磁效应问题。他产生了一个新的想法，即电流的磁效应可能不在电流流动的方向上。为了验证这个想法，他于次年春设计了几个实验，但还是没有成功。1820年4月，在一次讨论快结束时，他灵机一动又重复了这个实验，果然发现了电流接通时附近的小磁针动了一下。奥斯特惊喜万分，又反复实验，终于在1820年7月21日发表了“关于磁针上电流碰撞的实验”的论文。论文指出，电流所产生的磁力既不与电流方向相同也不与之相反，而是与电流方向相垂直。还指出，电流对周围磁针的影响可以透过各种非磁性物质。

奥斯特的发现马上轰动了整个欧洲科学界。当年8月，法国物理学家阿拉果在瑞士听到了这一消息，迅即返回法国，于9月11日向科学院报告了奥斯特的新发现。阿拉果的报告使法国物理学界十分震惊。因为他们一直受库仑的影响，以为电与磁不可能相互作用。法国物理学家安培敏锐地感到这一发现的重要性，第二天即重复了奥斯特的实验。一周后，他向科学院提交了第一篇论文，提出了磁针转动方向与电流方向相关判定的右手定则。再一周后，安培向科学院提交了第二篇论文，讨论了平行载流导线之间的相互作用问题。1820年底，安培提出了著名的安培定律。

安培（Ampère，1775－1836）生于一个富贵的商人之家。由于大革命时期父亲被处决，他的心情一直十分忧郁。拿破仑时期，他曾就任综合技术学校的数学教授。据说，他是一位心不在焉的“教授”，常常沉入思考而忘记周围的一切，有一次连皇帝拿破化的宴会都忘了去。但安培是一位天才的物理学家，不仅有良好的数学基础，而且精于实验。奥斯特只是发现了电流对磁针有作用，安培却在极短的时间里将这一发现推广到电流与电流之间的相互作用，并接连发现了作用的方向和大小，给出了判定方向的方法及计算大小的公式。安培定律指出，两电流元之间的作用力与距离平方成反比。这一极为重要的定律，构成了电动力学的基础。“电动力学”这一名称也是安培首先提出来的，用来指研究运动电荷（电流）的科学。与之相对的是“电静力学”，库仑定律则是电静力学中的基本定律。

安培之前，“电流”的概念尚未成为一个科学的概念。正是安培首先规定了电流的方向。他大概受富兰克林影响，认为电流是电液体由正极向负极流动所致，因此，他把电流的方向规定为由正极指向负极。今天我们知道，电流的本质是电子由负极向正极的运动。安培的规定正好反了。不过，只要彻底一贯地坚持这个规定，也不会带来什么麻烦，因此物理学界依然因袭了安培的这个规定。

电流磁效应的发现也使测量“电流”的大小成为可能，从而使电动力学真正走上了定量实验的发展道理。

1821年初，安培进一步提出了分子电流假说。他认为，物体内部的每一个分子中都带有回旋电流，因而构成了物体的宏观磁性。这一假说当时不被人所重视，直到70多年后真的发现了这种带电粒子，人们才惊叹安培过人的天才。

7 用电流的磁效应研究电流大小，得出欧姆定律

欧姆定律今天已成为中学物理课本中最浅显的一个基本定律。尽管今天看来十分简单，当初发现它却不那么容易。要知道，构成欧姆定律的“电阻”、“电压”概念尚未出现，有待欧姆本人去创造，而“电流”概念也才刚刚由安培定量化。

德国物理学家欧姆（Ohm，1789－1854）生于埃尔兰根的一个匠人家里，从小学到了机械制造技能。他没有正式上过大学，只有在埃尔兰根大学旁听过，以后一直当中学教师。他热心于电学研究，曾多次测量过不同金属的导电率。由于他所使用的伏打电堆的电流不太稳定，使他的研究总是不理想。1822年，德国物理学家塞班克发现了温差电效应，从而发明了温差电池。温差电池可以提供稳定的电流，这使欧姆的金属导电率研究有了重要的突破。

法国数学家傅里叶已经发现，热传导过程中热流量与两点间的温度差成正比。受此启发，欧姆猜测电流也应该与导线两端之间的某种驱动力成正比。他把这种驱动力叫作“验电力”，今天称为电势差。要验证这一猜想，就必须测量电流的大小。欧姆起初利用电流的热效应导致的热胀冷缩来测量电流的大小，但实际操作起来效果很差。电流的磁效应发现后，欧姆依此原理设计了一杆扭秤，可以很方便地测定电流的大小。这样，他利用温差电池和电磁扭秤继续进行金属的导电实验，终于得出了“通过导体的电流与电势差成正比，与电阻成反比”的结论。这就是著名的欧姆定律。

欧姆将他的实验结果发表于1826年，次年又出版了《关于电路的数学研究》，给出了欧姆定律的理论推导。他的实验论文少有人知，而这本数学著作又遭到了非难。人们认为它仅仅是一种理论推测，并没有实验依据。但他的工作在国外越来越受到重视。伦敦皇家学会于1841年授予他科普利奖章，1842年接受他为会员。他的祖国终于认识到了他的价值。1849年，慕尼黑大学聘请他为教授，欧姆终于实现了他青年时代当一名大学教授的理想。

8 法拉第的电磁感应定律

既然电流有磁效应，科学家自然想到磁可能也会有电流效应。尽管许多人为此做了不少实验，但磁的电流效应并未立即被发现。直到奥斯特的发现10年以后，英国物理学家法拉第和美国物理学家亨利才完成了这一壮举。

19世纪最伟大的实验科学家法拉第（Michael Faraday，1791－1867）的一生，是在逆境中顽强奋斗的一生。他于1791年9月22日生于伦敦郊区纽因顿的一个贫穷的家庭。父亲是个铁匠，有10个孩子，家境十分不佳。少年法拉第只学会了读书写字便失学了。1804年，他进了一家印刷厂当童工，次年成为装订学徒。利用工作之便，法拉第经常禁不住翻开他要装订的书籍，读读其中的内容。正是在这样的条件下，法拉第学到了不少科学知识。业余时间，他也试着做了几个化学实验，还装了一台起电机。1812年，当时著名的化学家戴维在皇家研究院做一系列化学讲演，法拉第得到了一张票。他十分惊喜地发现自己完全能听懂戴维的讲演，这说明多少年的苦读并非徒劳。这一年，他到了一家法国人开的印刷厂当正式装订工，但工厂主对工人很不好。法拉第每每想起从事科学事业是多么光荣和崇高，可眼前的工作环境充满了欺诈和自私自利，遂决定离开这里。他先是给皇家学会的会长写了一封信，请求得到学会的推荐，在皇家研究院的化学实验室里找一份差使。这封信石沉大海，杳无音讯。法拉第又斗胆给大化学家戴维本人写信，并将自己记的戴维的讲演笔记装订得很漂亮，一起寄给了戴维。戴维为这位自学青年的才能和好学精神所感动，立即回了一封信予以鼓励，但没有答应法拉第的求职要求。后来，戴维与一位助手闹翻了，这位助手被解雇后，他想到法拉第的一再要求，便通知法拉第说实验室有一个刷洗瓶子的工作。法拉第愉快地接受了这个工作，虽然工资比当装订工时还低。

1813年，22岁的法拉第正式当上了戴维的助手，走进了梦寐以求的科学殿堂。不久，戴维夫妇到欧洲大陆旅游，法拉第作为助手和仆人跟随。虽然戴维夫人甚至很不客气地将法拉第当奴隶使，他也虔诚地忍受了。这次旅行，法拉第大开眼界。他见到了电化学的始祖伏打和其他著名的科学家。1815年回国后，法拉第逐渐在实验室里显示出了卓越的实验才能。他先是与戴维一起研究矿井使用的安全矿灯，后来又投入化学研究。1816年，法拉第发表了第一篇学术论文。1823年，他发现了加压液化二氧化碳、硫化氢、溴化氢和氯气等气体的方法。1825年，又发现了笨。他还在电化学方面做出了开创性工作，“电解”、“电极”以及阳极、阴极等名词就是法拉第最先使用的。由于他在实验方面的出色成就，1824年被选为皇家学会会员，1825年被任命为皇家研究院实验室主任。戴维很快发现法拉第有着极为出色的实验天才，对他产生了妒忌。据说在选举皇家学会新会员时，只有他一个人反对法拉第当选。尽管如此，法拉第还是怀着敬慕的心情称颂戴维，感谢他早期对他的培养和教导。

奥斯特实验传到英国后，在英国物理学界也引起了强烈的反响。1821年，戴维和另一位英国物理学家沃拉斯通重复了奥斯特的实验，并且试图用固定的强磁铁让载流导线绕自己的轴旋转，但是没有成功。法拉第受他们的启发，在同年成功地使一根小磁针绕着通电导线不停地转动。这使他相信，电流对磁铁的作用力本质上是圆形的。法拉第实验成功的这个装置大概是历史上第一台电动机。虽然还只是玩具，但不久就改变了世界。

法拉第也像许多科学家一样，相信不仅有电流的磁效应，而且也应有磁的电流效应。1824年，他曾设计了一个实验以检验这种效应。他让两极导线平行放置，然后在一根导线中通电，看看另一根导线中会不会有电流感应。他当时希望看到导线中产生稳定的电流，结果瞬间的电流感应未被他注意。以后多次实验均无结果。

1831年8月29日，他又设计了一个新的实验。他在一个软铁环上绕了两段线圈，一段线圈与电池相连，另一个则与电流计相连。这时他发现，当电池接通时，电流计产生强烈的振荡，但不久回复到零位置，而当电池断开时，电流计又发生同样的现象。法拉第起先不明白这里的含义。9月24日，他将与电流计相连的线圈绕在一个铁圆筒上，又发现了每当磁铁接近或离开圆筒时，电流计都有短暂的反应。这表明，磁确实可以产生电，虽然只是短暂的。

同年10月1日，法拉第将两根绝缘铜线分别绕在同一根木头上，形成两组线圈，一组与电流计相连，另一组与电池相连。当电池接通或断开时，电流计指针跳动，随后就回到零位。17日，法拉第进一步发现，仅仅用一根永磁棒插入或拔出线圈，就能从与线圈相连的电流计中发现指针偏转。法拉第十分清楚，他已经用实验证明了感生电流的存在。11月24日，他向皇家学会提交了一篇论文，报告了他的重大发现。感生电流的发现在着重大意义，它意味着通过连续的运动磁体可以不间断地得到电流。据说法拉第本人很快就做了一个模型发电机。电动机和发电机的问世预示着人类电气时代的到来。

1834年，法拉第发现了自感现象。单独一个线圈在接通或断开电流的一瞬间总会产生一个很强的“额外”电流，这个额外电流在断电时与原电流方向相同，试图加强它，在通电时与通电电流方向相反，试图反抗它。

应该提到，另外还有一个人与法拉第同时作出了电磁感应的伟大发现。他就是美国物理学家亨利。1827年8月，亨利因为试制电磁铁而发现了自感现象。1830年8月，他又初步发现了电流引起的磁场在通电或断电时能产生瞬间的电流。亨利的实验时间均在法拉第之前，但由于他的实验结果一直没有发表，人们还是将电磁感应现象的发现归功于法拉第。

这本来也是历史的公正。法拉第不仅独自发现了电磁感应现象，其研究的深度与广度无人能及，而且运用他自己创造的“场”和“力线”概念，建立了电磁感应定律。在法拉第以前，人们已经知道了许多物理作用力不是通过直接接触实现的，如牛顿的万有引力、库仑的静电力、磁极之间的作用力，以及新近发现的电流之间的磁作用力等，而且它们遵守距离的平方反比关系。牛顿本人相信引力是即时作用，既不需要传播媒介，也不需要时间。但是法拉第不同意这种超距作用观，天才地创造了“场”和“力线”的概念。

法拉第认为，电磁作用力均需要媒介传递，因为他从实验中得知，电介质影响带电体之间的电磁作用。他设想，带电体或磁体周围有一种由电磁本身产生的连续的介质，来传递电磁相互作用。这种看不见、摸不着的介质，被他称作“场”。为了直观地显示“场”的存在，他以引入了“力线”的概念。他设想，电力线和磁力线由带电体或磁体发出，散布于空间之中，作用于其中的每一电磁物体。演示磁力线的实验今天为每一个初中生所熟悉。将铁屑洒在一张纸上，纸下放一磁铁，轻轻弹动这张纸，纸上的铁屑就会排成一个规则的图形。法拉第说，铁屑所排成的形状就是磁力线的形状。

有了力线的概念，法拉第就能进一步解释电磁感应现象。他在发表于1851年的《论磁力线》一文中说，只要导线垂直地切割磁力线，导线中就有电流产生，电流的大小与所切割的磁力线数成正比。这篇论文实际上正式将电磁感应现象确立为一条定律。法拉第由于从小没有受过正规教育，其数学能力十分欠缺，但他对物理世界天才的洞察力弥补了这一不足。“力线”概念就是一种极为出色的非数学化的图像式想像，至今仍为物理教学所喜用。

1938年，在皇家学会的档案里发现了法拉第1832年3月12日写给皇家学会的一封信，信中，他先提到电力和磁力的传播需要时间，接着他说：“我认为，磁力从磁极出发的类似于起波纹的水面的振动或者空气粒子的声振动，也就是说，我打算把振动理论应用于磁现象，就像对声音所做的那样，而且这也是光现象最可能的解释。”在这封信里，法拉第实际上预言了电磁波的存在。

1845年，法拉第发现了磁的旋光效应即著名的法拉第效应。次年，他又提出光的本性是电力线和磁力线的振动。这一看法后来被麦克斯韦发展成为光的电磁学。

自进入皇家研究院以来，法拉第的新发现一个接着一个。及至19世纪40年代，法拉第声名大振，数不清的荣誉向他袭来，但他依然像当年那个学徒工那样对科学一往情深，对金钱和地位不屑一顾。由于他在电磁学方面做出了伟大贡献，被称为“电学之父”和“交流电之父”。爱因斯坦在他的学习墙上放着法拉第的一张照片，并将其与牛顿和麦克斯韦放在一起。

法拉第有美好的婚姻，虽然两人一起经历贫穷、不孕、失忆症的危机，但这一切却使得两个人的爱情，维系更深。在法拉第年老最后的一场演讲中，法拉第最感谢的是她的妻子：“她，是我一生第一个爱，也是最后的爱。她让我年轻时最灿烂的梦想得以实现；她让我年老时仍得安慰。每一天的相处，都是淡淡的喜悦；每一个时刻，她仍是我的顾念。有她，我的一生没有遗憾。我唯一的挂念是，当我离开之后，一生相顾、亲爱的同伴，如何能忍受折翼之痛，我只能用一颗单纯的信心，向那位永生的神呼吁：‘我没有留下什么给她，但我不害怕，我知道，你一定会照顾她，你一定会照顾她。’”

9 电磁理论的数学表述：麦克斯韦

法拉第的创造性工作奠定了电磁学的物理概念基础，但是由于法拉第不懂数学，不能用精确的数学语言表述他的物理思想。在他总结性的著作《电学实验研究》一书里，几乎找不到一条数学公式，以致有人认为它只是关于电磁实验的实验报告，谈不上是一部科学论著。另一方面，由于分析力学的高度发达，电磁学领域每取得一个突破性的定律，就有数学、物理学家将之用严密精确的数学公式数学化。库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律均秀快被表述成一般的数学形式，现在就等待着一个伟大的综合出现。英国物理学家麦克斯韦担当了这一历史使命。

麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831－1879）1831年11月13日出生在爱丁堡一个名门望族，从小便显露出数学天才。15岁时写了一篇论卵形曲线的论文，发表在爱丁堡皇家学会的刊物上，令许多数学家不相信它出自一个孩子之手。1847年，麦克斯韦进入爱丁堡大学学习数学和物理学。1850年，考入剑桥大学三一学院，主攻数学物理学。1854年大学毕业。数学成绩非常优秀。1856年麦克斯韦被阿伯丁马里歇尔学院聘为教授，1860年转往伦敦皇家学院，1871年回到母校剑桥大学任实验物理学教授。据说他不是一个很好的教师，他的课深奥难懂，往往只有几个特别优秀的学生才能跟得上。在剑桥期间，他出版了卡文迪许的手稿，从而使世人认识到这位科学怪人曾取得了多少远远超出其时代的成就。他还亲自创办了著名的卡文迪许实验室，任实验室主任一直到去世。

麦克斯韦的科学成就是多方面的 。1857年他曾提出土星光环的颗粒构成理论。这个光环从地球上看很像一个圆盘，但麦克斯韦认为，如果它真是一个固体或流体的结构，那么引力和离心力等作用必定会使它分崩离析。除非它是一条带状的小天体群，否则不会保持稳定。后来的观测证明，麦克斯韦的看法是正确的。由于其杰出的数学才能，麦克斯韦还在新兴的分子运动领域做出过重要的贡献。

1855年，麦克斯韦写了《论法拉第的力线》一文，第一次试图将法拉第的力线概念赋予数学形式，从而初步建立了电与磁之间的数学关系。麦克斯韦的理论表明，电与磁不能孤立地存在，总是不可分离地结合在一起。这篇论文于次年发表在《英国科学促进会报告集》中，使法拉第的力线概念由一种直观的想象上升为科学的理论，引起了物理学界的重视。法拉第读过这篇论文后，大加赞扬。

1862年，麦克斯韦发表了第二篇论文《论物理学的力线》。在这篇论文中，他提出了自己首创的“位移电流”和“电磁场”等新概念，并在此基础上给出了电磁场理念的更完整的数学表述。

电磁场中广泛存在的电场与磁场的交相变化，使麦克斯韦意识到它是一种新的波动过程。1864年，他向皇家学会宣读了另一篇著名的论文《电磁场的动力学理论》。该文于次年发表在学会的机关刊物《哲学杂志》上。文中不仅给出了今天被称为麦克斯韦方程的电磁场方程，而且提出了电磁波的概念。他认为，变化的电场必激发磁场，变化的磁场又激发电场，这种变化着的电场和磁场共同构成了统一的电磁场。电磁场以横波的形式在空间中传播，形成所谓电磁波。

麦克斯韦推算出了电磁波的传播速度，发现与光速十分接近。他本来就猜测光与电磁现象有着内在的联系，在完整的电磁理论之后，他更明确提出了光的电磁理论。麦克斯韦写道：“电磁波的这种速度与光的速度如此之接近，好像我们有充分理由得出结论说，光本身（包括辐射热和其他辐射热）是一种电磁干扰，它是波的形式，并按照电磁定律通过电磁场传播。”

1865年，麦克斯韦得了一场重病，不得不辞去皇家学院的职务回家养病。这以后，他把主要精力放在整理、总结电磁学理论已取得的成就上面。1873年，他出版了其伟大的著作《电磁通论》。这本书全面总结了一个世纪以来电磁学所取得的成果，是一部电磁学的百科全书，是集电磁理论之大成的经典著作。

1879年11月5日，麦克斯韦因长期患病，终于与世长辞，时年仅48岁。他没能看到他所预言的电磁波真的在实验室里被发现。但是今天，电磁波已经成了信息时代最基本的物质载体。

麦克斯韦的主要贡献是建立了麦克斯韦方程组，创立了经典电动力学，并且预言了电磁波的存在，提出了光的电磁说。麦克斯韦是电磁学理论的集大成者。他出生于电磁学理论奠基人法拉第提出电磁感应定理的1831年，后来又与法拉第结成忘年之交，共同构筑了电磁学理论的科学体系。物理学历史上认为牛顿的经典力学打开了机械时代的大门，而麦克斯韦电磁学理论则为电气时代奠定了基石。

10 电磁波的实验发现：赫兹

1878年，德国著名的物理学家赫尔姆荷兹向他在柏林大学的学生们提出了一个竞赛题目，即用实验方法验证麦克斯韦的理论。赫尔姆荷兹的学生之一赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857－1894）从那起就致力于这个课题的研究。1886年，他在做放电实验时发现近处的线圈也发出火花。他敏锐地意识到这可能是电磁波在起作用。为了更好地确认这一点。赫兹再度布置实验。他设计了一个振荡电路用来在两个金属球之间周期性地发出电火花，按照麦克斯韦理论，在电火花出现时应该有电磁波发出。然后，赫兹又设计了一个有缺口的金属环状线圈，用来检测电磁波。结果，当振荡电路发出火花时，金属缺口处果然也有较小的火花出现。这就证明了电磁的确是存在的。赫兹还进一步在不同的距离观测检测线圈，由电火花的强度的变化大致算出了电磁波的波长。1887年11月5日，赫兹给他的老师赫尔姆荷兹寄去了论文《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》。1888年1月，赫兹发表了《论动电效应的传播速度》，证明了电磁波具有与光完全类似的特性，还证明了电磁波的传播速度与光速有相同的量级。赫兹的实验发现不仅证明了麦克斯韦理论的正确，也为人类利用无线电波开辟了道理。可惜的是，赫兹英年早逝，没能在电磁波的应用技术方面做出他本来完全可能做出的重大贡献。不久以后，意大利青年物理学家马可尼就实现了无线电波通讯。

11 电力革命与电气时代

19世纪前，人们对电的认识极为有限。1820年，丹麦物理学家奥斯特和法国物理学家安培发现电流的磁效应。10多年后，法拉第等人又发现了电磁感应现象。在这个世纪的前半叶，电磁学理论得到了巨大的 展。与此相呼应，工程技术专家敏锐地意识到电力技术对人类生活的意义，纷纷投身于电力开发、传输和利用方法的研究，推出了一个前人从未想过的电气时代。

电是人类面临的一种前所未有的新型能量。所谓电力革命指的是，新兴的电能开始作为一种主要的能量形式支配着社会经济生活。电能的突出优点在于，它是一种易于传输的工业动力，同时，它又是极为有效可靠的信息载体。因此，电力革命主要体现在动力传输与信息传输两个方法。与动力传输系统相关联，出现了大型发电机、高压输电网、各种各样的电动机（马达）和照明电灯。与信息传输相关联，出现了电报、电话和无线电通讯。这些伟大的发明使人类的生活进入了一个更光明、更美好的新时期。

11.1 电动机与发电机：皮克希、惠斯通、西门子

最早发现的电流磁效应的那些实验装置，均可以看成是原始的电动机。小磁针在电流导线所形成的磁场中的运动，是电能转变为磁能再转变为机械能的真实写照。法拉第使小磁针绕载流导线连续运动的装置，是第一台电动机。在最初展出时，曾有人问法拉第这个玩意儿有什么用。法拉第机智地回答：“新生的婴儿有什么用？”的确，这个婴儿不久就长成了巨人。

11.2 发电站与远距输电：德波里

11.3 电灯、电影：爱迪生

11.4 电报：亨利、莫尔斯

11.5 电话：贝尔

11.6 无线电：马可尼、波波夫

12 电子技术与信息时代

继以蒸汽机为代表的第一次技术革命和以电动机为代表的第二次技术革命后，世界近代史上的第三次技术革命于20世纪中叶爆发，其核心技术是电子计算机技术。

12.1 电子管、晶体管和集成电路：弗莱明、德福雷斯特、肖克莱

1833年，美国发明大王爱迪生在研制灯泡时无意中发现一个有趣的现象：把一块金属板与灯丝一起密封在灯泡内，给灯泡通电后，如果给金属板加正电压，则发热的灯丝与金属板之间就会有电流流过，相反则没有电流流过。这一现象后来被称为爱迪生效应。但当时爱迪生没有更多地去研究它。直到1897年汤姆逊发现电子，人们才知道，原来灯丝加热后有电子射出，与金属板之间正好形成回路。

1904年，英国发明家弗莱明打算利用爱迪生效应制造一种高性能的电磁波检波器，以提高无线电通讯效果，结果研制成了真空二极管。他在真空管中放置两块金属板，一个是正极，一个是负极。当加热负板时，就有电子流入正极。当正极加上无线电信号时，通过的电流就随之发生波动，这样，二极管就能够起到检波作用。美中不足的是，电信号过于微弱，主要原因是，人们无法控制二极管内的电子流大小。

1906年，美国物理学家德福雷斯特把弗莱明的二极管发展成为三极管，实现了信号的放大功能。三极管是在热的灯丝和冷的阳极之间安置一个栅极，栅极的作用是控制由灯丝到阳极所通过的电子流。但是栅极的控制作用可以用来实现信号放大：在栅极上微弱的电势变化却能使在阳极和阴极之间很强的电流产生类似的变化，这样电子管就可以放大栅极的电压变化。三极管的电子流更大，检波更灵敏，无线电信号的放大问题从此可以解决了。

电子管元件在三极管发明后又有了很大的发展，四极管、五极管、微波管相继问世，使可利用的电波频率区段大大扩展、电子设备大大增加。

20世纪初，有些无线电爱好者发现有些半导体矿石有单向导电性，因此很适合做检波器。这使科学家想到，用半导体可以制作与电子管同样性能的晶体管。由于许多理论和技术问题没有解决，真正发明晶体管时已经到了20世纪40年代末。美国贝尔电话实验室的肖克莱、马丁和布拉坦，经过十几年的努力，终于在1947年12月23日研制成功了以锗为材料的第一只晶体管。三人因此而获得1956年度诺贝尔物理学奖。1950年，肖克莱等人又发明了晶体三极管，放大能力更强。锗比较稀少，因此第一批晶体管价格很贵，但到了20世纪50年代初发现更合适的半导体材料硅之后，实用性晶体管才大规模地普及开来。地球上到处都是硅，真可以说是取之不尽、用之不竭，用它加工制作的晶体管却要改变这个世界。

与电子管相比，晶体管具有体积小、重量轻、耗能低、寿命长、制造工艺简单、使用时不需预热等优点，它的问世大大加速了电子技术的发展。用高纯硅制作的晶体管只有米粒大小，耗电量只有电子管的十万分之一。晶体管首先在收音机行当大显神通，原先摆在家里的像大箱子一样的电子管收音机，一经更换晶体管，就由“柜子”变成了“盒子”，再由“盒子”变成了“烟盒”。

晶体管出现后，20世纪50年代人们又推出了集成电路。所谓集成电路，就是将电子元器件（即晶体管）与电子线路组合起来，构成一个整体，并将其连在同一块硅晶片上。它能完成从前需要几个分立电子元件才能完成的功能。集成电路是在晶体管的微型化基础上出现的，它开创了晶体管微型化的新思路和新方法。随着工艺水平的不断提高，集成电路的集成度不度上升，价格则不断下降。1959年1月，美国德克萨斯仪器公司（Texas Instruments）率先推出了第一块集成电路。大约同时，美国仙童公司（Fairchild Semiconductor）也宣布研制出集成电路。

集成电路今日也称“芯片”。它在一块硅晶片上埋管铺线。其铺线方式是利用半导体再掺杂一些特殊的杂质来使其导电，其埋（晶体）管的方式是高温熔化。集成电路的制作有如头发丝上刻字，微电子技术有如微雕艺术。在邮票那么大的地方，一开始只有4个晶体管，到20世纪60年代中期达到10个。

20世纪60年代以来，集成电路向大规模集成电路，甚至超大规模集成电路发展，其集成度越来越高，功能越来越强。20世纪70年代中期，出现了在一块硅片上包含有十万个晶体管的大规模集成电路。由于电子元件的变革，电子产品的性能价格比急剧下降，达到了空前普及，使人类进入了电子化时代。

12.2 无线广播：费森登

12.3 电视：尼普科、兹沃里金

12.4 电子计算机：巴贝奇、莫克莱、冯 ·诺依曼

电子管一问世，有些目光敏锐的发明家和科学家就意识到它可以被用于制造计算机，因为它的开闭速度比继电器快1万倍，性能也可靠得多。

随着电子技术的 展，计算机也出现了数次较重大的变革。电子真空管计算机是第一代，晶体管计算机是第二代，集成电路和大规模集成电路计算机则为第三和第四代。