【解讀】電磁學理論是如何建立的？

“Electricity”（電）這個單詞起源于希臘文的“琥珀”。中國西晉時期，《博物志》中也有摩擦起電的記載。電和磁的利用跟人類生產(chǎn)和生活的聯(lián)系非常緊密，電學和磁學的研究促進了世界科學技術的迅猛發(fā)展，電磁學直接推動著社會的進步。

靜電學的發(fā)展

自1660年蓋里克發(fā)明摩擦起電機后，電現(xiàn)象的研究變得可行了。1720年，格雷發(fā)現(xiàn)了導體與絕緣體，發(fā)現(xiàn)了導體的靜電感應現(xiàn)象。1733年，杜菲經(jīng)過實驗區(qū)分出兩種電荷，他分別稱之為松脂電（即負電）和玻璃電（即正電），并由此總結出靜電相互作用的基本特征：同性相斥，異性相吸。萊頓瓶的發(fā)明使得電現(xiàn)象的研究更加深入。富蘭克林發(fā)現(xiàn)了尖端放電，發(fā)明了避雷針，研究了雷電現(xiàn)象，并從萊頓瓶的研究中，提出了電荷守恒原理。后來康頓在1734年用電流體假說解釋了靜電感應現(xiàn)象。至此，靜電力基本特性、電荷守恒和靜電感應這三條靜電學基本原理已經(jīng)建立。

1760年，D·伯努利首先猜測：電力會不會也跟萬有引力一樣，服從平方反比定律？1767年普利斯特利猜測電荷間的相互作用應該與引力規(guī)律有相似的特點。1785年，庫侖利用扭秤試驗總結出：真空中兩個靜止的點電荷之間的作用力與它們的電荷量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比，作用力的方向在它們的連線上。庫侖定律不斷經(jīng)受著實驗的檢驗，目前已經(jīng)成為精確的實驗規(guī)律之一。

穩(wěn)恒電流的研究

18世紀末，意大利學者伽伐尼和伏打的研究使得電學從靜電領域邁向電流領域。伽伐尼是一位解剖學教授，1780年9月的一天，他在解剖青蛙時偶然發(fā)現(xiàn)電效應。伽伐尼的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了歐洲各國研究動物電的熱潮，意大利的自然哲學教授伏打重復了伽伐尼的實驗，發(fā)現(xiàn)伽伐尼的神經(jīng)電流說并不正確。他拿來一只活青蛙，用兩種不同金屬構成的弧叉跨接在青蛙身上，一端觸青蛙的腿，一端觸青蛙的脊背，青蛙就會抽搐；用萊頓瓶經(jīng)青蛙的身體放電，青蛙也會抽搐，說明兩種不同金屬構成的弧叉和萊頓瓶的作用是一樣的?？梢哉f，這些現(xiàn)象是外部電流作用的結果。后來，在伏打的外部電（金屬接觸說）和伽伐尼的內(nèi)部電（神經(jīng)電流說）之間出現(xiàn)了長期的爭論。為了闡明自己的觀點，伏打繼續(xù)進行了大量實驗。他比較了各種金屬，按金屬相互間的接觸電動勢把各種金屬排列成表，其中有一部分是：鋅一鉛一錫一鐵一銅一銀一金（一石墨）。只要將表中任意兩種金屬接觸，排在前面的金屬必帶正電，排在后面的必帶負電。這樣，伏打一舉就全面地解釋了伽伐尼和其他人做過的各種動物電實驗。1800年，伏打進一步把鋅片和銅片夾在用鹽水浸濕的紙片中，重復地疊成一堆，形成了很強的電源，這就是著名的伏打電堆。把鋅片和銅片插入鹽水或稀酸杯中，也可以形成電源，叫做伏打電池。伏打電堆（電池）的發(fā)明，提供了產(chǎn)生恒定電流的電源，使人們有可能從各方面研究電流的各種效應。1821年塞貝克發(fā)明溫差電偶，電源性能更加穩(wěn)定了。從此，電學進人了一個飛速發(fā)展的時期——研究電流和電磁效應的新時期。

電和磁的聯(lián)系

1731年有一名英國商人描述，雷閃過后，他的一箱新刀叉竟帶上了磁性。1751年富蘭克林發(fā)現(xiàn)在萊頓瓶放電后，針被磁化了。電真的會產(chǎn)生磁嗎？1774年，這個疑問促使德國一家研究機構懸獎征解，題目是：“電力和磁力是否存在實際和物理的相似性？”

丹麥物理學家奧斯特信奉康德的哲學，認為自然界各種基本力是可以相互轉(zhuǎn)化的。他深信電和磁有著某種聯(lián)系。1820年4月，奧斯特在作有關電和磁的演講時，嘗試將磁針放在導線的側面，正當他接通電源時，發(fā)現(xiàn)磁針輕微地晃動了一下，他立即意識到這正是他多年盼望的效應。經(jīng)過反復實驗，奧斯特終于查明電流的磁效應沿著圍繞導線的螺旋方向。

1820年7月21日，他以拉丁文簡潔地報道了60多次實驗的結果。隨后，畢奧薩伐爾更仔細地研究了直線載流導線對磁針的作用，確定這個作用力正比于電流強度，反比于電流與磁極的距離，力的方向垂直于這一距離。安培則從電流與電流之間的相互作用進行探討，他把磁性歸結為電流之間的相互作用，提出了“分子電流假說”。為了定量研究電流之間的相互作用，安培設計了4個極其精巧的實驗，并在這些實驗的基礎上進行數(shù)學推導，得到了普遍的電動力公式，為電動力學奠定了基礎。

1820年起，電磁熱席卷歐洲，法拉第相信自然力的統(tǒng)一性，認為“磁生電”是必然存在的。從1824年到1828年，法拉第多次進行電磁學實驗。1831年8月29日，法拉第終于取得突破性進展。這次他是用一個軟鐵圓環(huán)，環(huán)上繞兩個互相絕緣的線圈A和B，法拉第對各項實驗作了總結，將產(chǎn)生感應電流的情況分為5類：變化中的電流，變化中的磁場，運動的穩(wěn)恒電流，運動中的磁鐵，運動中的導線。法拉第只是定性地用文字表述了電磁感應現(xiàn)象。1833年楞次用楞次定則來說明感應電流的方向。1845年紐曼以定律的形式提出電磁感應的定量規(guī)律。

1847年，W·湯姆孫進一步研究了電磁現(xiàn)象與彈性現(xiàn)象的相似性，在題為“論電力、磁力和伽伐尼力的力學表征”一文中，以不可壓縮流體的流線連續(xù)性為基礎，論述了電磁現(xiàn)象和流體力學現(xiàn)象的共性。W·湯姆孫運用類比方法，把法拉第的力線思想轉(zhuǎn)變?yōu)槎康谋硎?，為麥克斯韋的工作提供了十分有益的經(jīng)驗。

1856年，麥克斯韋發(fā)表了第一篇關于電磁理論的論文，題為《論法拉第力線》。在這篇論文中，他發(fā)展了W·湯姆孫的類比方法，用不可壓縮的流體的流線類比于法拉第的力線，把流線的數(shù)學表達式用到靜電理論中。流線不會中斷，力線也不會中斷，只能發(fā)源于電荷或磁極，或者形成閉合曲線。麥克斯韋通過類比，明確了兩類不同的概念：一類相當于流體中的力，電場強度E和磁場強度H屬于這一類；另一類相當于流體的流量，電位移矢量D和磁感應強度B屬于這一類。麥克斯韋進一步討論了這兩類量的性質(zhì)。流量遵從連續(xù)性方程，可以沿曲面積分，而力則沿線段積分。

麥克斯韋推出了6個定律，他寫道：“在這6個定律中，我要表達的思想，我相信是（法拉第的）《電學實驗研究》中所提示的思想模式的數(shù)學基礎?！?/p>

1861年麥克斯韋寫了第二篇論文《論物理力線》，內(nèi)容分4個部分，分別載于1861年和1862年的《哲學》雜志上?！澳康氖茄芯拷橘|(zhì)中的應力和運動的某些狀態(tài)的力學效果，并將它們與觀察到的電磁現(xiàn)象加以比較，從而為了解力線的實質(zhì)作準備。”麥克斯韋為此創(chuàng)建了“位移電流”?！拔灰齐娏鳌钡募僭O在電磁場理論中具有非常重要的地位。1865年麥克斯韋發(fā)表了關于電磁場理論的第三篇論文《電磁場的動力學理論》，全面地論述了電磁場理論。

對麥克斯韋的功績，愛因斯坦作了很高的評價，他在紀念麥克斯韋逝世100周年的文集中寫道：“自從牛頓奠定理論物理學的基礎以來，物理學的公理基礎的最偉大的變革是由法拉第和麥克斯韋在電磁現(xiàn)象方面的工作所引起的?！薄斑@樣一次偉大的變革是同法拉第、麥克斯韋和赫茲的名字永遠連在一起的。這次革命的最大部分出自麥克斯韋?！?/p>

洛倫茲在1892年發(fā)表了《麥克斯韋電磁學理論及其對運動物體的應用》，在對麥克斯韋電磁場理論修訂的基礎上提出了著名的經(jīng)典電子論。他將電磁波（包括可見光）經(jīng)過物質(zhì)時呈現(xiàn)的各種宏觀電磁現(xiàn)象，都歸結為電磁波與物質(zhì)中在準彈性力作用下電子的相互作用的結果。從這一簡單的假設出發(fā)，洛倫茲成功地解釋了物質(zhì)中一系列的電磁現(xiàn)象，以及物質(zhì)在電磁場中運動的一些效應。洛倫茲的電子論為塞曼效應提供了理論依據(jù)和科學解釋。在洛倫茲的電子論中，電子的運動是一切電磁場的根源。