電磁學(xué)之發(fā)展與世界之電化

電磁學(xué)之發(fā)展與世界之電化

一、前言

現(xiàn)代人的生活，似乎離不開電。電燈、電話、電視、電影、計(jì)算機(jī)、電冰箱…，樣樣都是生活必須用品。一旦停電，日子不知怎么過(guò)。但世界上第一個(gè)有規(guī)模的發(fā)電廠（尼加拉水力發(fā)電廠，顯示了當(dāng)時(shí)電力的需求已漸普遍）開動(dòng)，不過(guò)是1896年的事，距今只有一百多年。(電視連續(xù)劇“大宅門”描寫清末民初電燈、電話初到北京城的情形，相當(dāng)有意思。)

一百多年間，這個(gè)世界上大部份的人的生活，從幾乎沒(méi)有電器用品，到充滿了電器用品，這變化不但是巨大得令人難以想象，并且深入到生活、思想、感情…，所有的人生面向。舉個(gè)有詩(shī)意的例子：愛情上受挫折是古今中外詩(shī)歌中最常見的題材。古詩(shī)中固然有怨恨情人變心的，但也很常見的是所愛之人遠(yuǎn)在他鄉(xiāng)，衷情難訴，以致相思甚苦。例如：古詩(shī)十九首“采之欲誰(shuí)遺，所思在遠(yuǎn)道”。李白長(zhǎng)相思“天長(zhǎng)路遠(yuǎn)魂飛苦”等等。如今的流行歌曲中，第二種越來(lái)越少，第一種卻很多。──今日的手機(jī)、e-mail等等，使距離不再成為談情說(shuō)愛的障礙，但卻防不了情人變心。──這也顯示了，要了解古人，就要從古人當(dāng)時(shí)的情境來(lái)看才能妥切。

也許，很多人有興趣知道最新奇的發(fā)明。但從物理概念的發(fā)展而言，更有趣的，也更重要的是；人們?cè)趺磿?huì)從不知道用電，一步一步，變成了有了用電的能力，終于到了離不開它的地步。這段歷史，也最能鮮明地描繪出：以理解大自然為目標(biāo)的科學(xué)研究，對(duì)全人類可能（但不必然）產(chǎn)生的巨大影響。

二、古代的電磁觀察與應(yīng)用

1936年，考古學(xué)家在巴格達(dá)附近挖出了一些銅罐，罐中鋪了瀝青，瀝青上插著鐵條。在大約同一地點(diǎn)，還發(fā)掘出了一些鍍金物品。有研究者便認(rèn)為這些銅罐就是巴比倫人發(fā)明的電池，而鍍金物（如果是電鍍）是這些東西確是電池之證據(jù)。而這些東西，其年代有早到公元前2000年以上的。

如果這是真的，巴比倫人領(lǐng)先了近代電池(伏特，1793)與電鍍(1800-35)，將近四千年。

別的文明在電磁方面就沒(méi)有這樣可驚的成績(jī)了。古希臘人發(fā)現(xiàn)了琥珀、毛皮等摩擦可以生電，至今英文Electricity的字根，尚是希臘文的琥珀。但對(duì)他們說(shuō)來(lái)，天上的雷電，仍然是宙斯大神的脫手武器。中國(guó)人很早就知道天然磁石會(huì)吸鐵，帶電物會(huì)吸小物體（東漢王充27-97“論衡”電磁力之記述：“頓牟拾介，慈石引針”），以及利用磁針導(dǎo)航，甚至對(duì)磁偏角有所記述(方以智，~1600)�！按裴槍�(dǎo)航”這技術(shù)，傳到西方，促成了西方的“大探險(xiǎn)時(shí)代”(15-16世紀(jì)。1492哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲，1498達(dá)伽馬繞過(guò)好望角到達(dá)印度，1519-22麥哲倫環(huán)繞世界一周，稱為“三大航�！薄Ｋ麄兌加么裴樍_盤。)也引起了十八世紀(jì)以后的殖民主義。

這些電磁的觀察與應(yīng)用，可以使我們感嘆古人之智能，特別是巴比倫電池。但巴比倫電池即使是事實(shí)，對(duì)日后電磁學(xué)發(fā)展，卻沒(méi)有什么影響。摩擦生電與磁性現(xiàn)象卻在停滯千余年之后，在十八世紀(jì)的西歐，成為電磁學(xué)發(fā)展的出發(fā)點(diǎn)。

三、電之捕捉與庫(kù)倫定律

十七世紀(jì)末(1684年)，牛頓出版其“自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理”。從此，研究自然界之力之種種，成為物理學(xué)之中心課題，一直到今天。但這本書太成功了，力學(xué)的現(xiàn)象，從天上行星之運(yùn)轉(zhuǎn)，到地面蘋果落地，似乎它都能精準(zhǔn)描述。然而，牛頓此書中只有一種力：萬(wàn)有引力。牛頓也知道自然界絕不止這一種力，例如，杯子打破了，碎片不可能湊起來(lái)就合而為一，可見原來(lái)把杯子各部份連合成一塊的力不是萬(wàn)有引力；萬(wàn)有引力太微弱，不足以使物體聚合成形。故牛頓以后，要做有挑戰(zhàn)性的研究，莫過(guò)于研究萬(wàn)有引力之外的力。

電與磁都會(huì)產(chǎn)生力，而且比萬(wàn)有引力大很多。（如果兩塊磁鐵，吸在一起，使其相聚之力是磁力，就可以分分合合。）因此，十八世紀(jì)的歐洲，很多人在研究電與磁。特別是電，更富挑戰(zhàn)性。因?yàn)殡娺@個(gè)東西，雖然摩擦兩個(gè)適當(dāng)?shù)奈矬w，就能產(chǎn)生。帶電物體會(huì)吸小紙片，有時(shí)還會(huì)在黑暗處冒火花，好玩得很。(當(dāng)時(shí)，還有人發(fā)明了摩電器。)但是，卻不容易駕馭，一不小心就被它溜掉。

1734年，法國(guó)人杜菲（Charles-Francois du Fay，1696-1739），玩來(lái)玩去，玩出心得。他發(fā)覺不管是用什么東西摩出來(lái)的，電只有兩種。他命名之為“玻璃電”與“樹脂電”。只有不同類的電，相互靠近時(shí)才會(huì)相吸或冒火花，同類的不但不冒火花，還會(huì)相斥。他又發(fā)明了一個(gè)器具：密封的玻璃瓶中，插入一根金屬棒，瓶?jī)?nèi)的一端，掛上兩片金箔；瓶外的一端，做成一個(gè)小球。帶電的物體靠近小球時(shí)，金箔就會(huì)張開。──這些，今日看來(lái)都沒(méi)有什么了不起，但在電還是“神出鬼沒(méi)”的時(shí)候，這是不簡(jiǎn)單的成就。

然而，每次玩電，都要從頭摩起，相當(dāng)煩人。1745年，荷蘭萊頓大學(xué)教授穆森布洛克(Petrus van Musschenbrock，1692-1761)，根據(jù)克萊斯特(E. G. Kleist, 1700-48)發(fā)明的儲(chǔ)電器，發(fā)表了“萊頓瓶”。這也是一個(gè)玻璃瓶，內(nèi)外壁上各貼一圈錫箔紙。內(nèi)壁可以“充電”（把摩擦來(lái)的電碰觸而輸進(jìn)去），這些電很久都不會(huì)跑掉。如果用兩根金屬線，把內(nèi)外相連，兩金屬線的縫隙中就可以產(chǎn)生火花。

今日來(lái)看，“萊頓瓶”不過(guò)是個(gè)簡(jiǎn)單的電容器，但當(dāng)時(shí)極受歡迎。瓶子越做越大，火花也更壯觀�？墒�，電到一下可不是好玩的(也有人特意去嘗一下被電的滋味)。這可以說(shuō)這是人類馴服電的開始（姑且不算巴比倫），但也開始領(lǐng)教了電的威力。

十八世紀(jì)初，美國(guó)還是歐洲的化外之地，文化落后，更無(wú)所謂科學(xué)。波士頓的一個(gè)做肥皂與蠟燭的工匠，十七個(gè)子女中的第十個(gè)，自學(xué)有成，文采斐然。與歐洲，特別是英國(guó)的科學(xué)家，保持通信。他從英國(guó)進(jìn)口儀器開始，研究電學(xué)而成名，到后來(lái)被英國(guó)皇家學(xué)院選為院士。在美國(guó)的獨(dú)立革命中，他以著名科學(xué)家的身份，出使法國(guó)，立下大功。也在獨(dú)立宣言(1776)上簽名，成為美國(guó)的開國(guó)元?jiǎng)字�一。他就是鼎鼎大名的富蘭克林(Benjamin Franklin，1709-1790)。

1752年，他在大雷雨中放風(fēng)箏，把天上的電，收到萊頓瓶中。從此證明了天上的電，與摩擦出來(lái)的電是一樣的；一般人所怕的雷，聲勢(shì)嚇人，其實(shí)并不可怕，傷人破屋的是電。進(jìn)一步，他就發(fā)明了避雷針：建筑物上裝一根金屬針，通到地下，屋中的人就不怕雷了，因?yàn)殡娋蜁?huì)被導(dǎo)入地下。（新英格蘭有一教堂中的牧師，認(rèn)為避雷針保護(hù)好人，也保護(hù)壞人，有礙上帝的意旨，故在講道中大加譴責(zé)。不料沒(méi)幾天，教堂受到雷擊，塌了一角，只好也裝上避雷針。）此外，他注意到了兩種電有相互扺消的現(xiàn)象，所以他建議把“玻璃電”與“樹脂電”改名為“正電”與“負(fù)電”（模擬于正數(shù)與負(fù)數(shù)之相互扺消）。

富蘭克林的正負(fù)電命名，沿用至今，但是卻有些不幸。因?yàn)槌Ｓ玫慕饘賹?dǎo)線中流動(dòng)的都是電子，而電子上所帶的電，卻被命名為負(fù)電。以致電線中的電流若是向左，其中電子其實(shí)是向右跑。

“正數(shù)與負(fù)數(shù)之相互扺消”這事中，含有量的關(guān)系（+3,-3可以相消，+3,-2就消不干凈。）“電荷量”之測(cè)定，卻要?dú)w功于法國(guó)人庫(kù)倫(Charles Augustin Coulomb, 1736- 1806)。(也有人得到類似的結(jié)果，但以他的發(fā)表最早，影響也最大。)

庫(kù)倫出身兵工軍官，早年在中美洲駐扎時(shí)，把身體搞壞，回國(guó)做研究。法國(guó)大革命(1789)后退隱家園。他發(fā)現(xiàn)了用細(xì)長(zhǎng)繩索吊掛一根細(xì)棍，細(xì)棍兩端對(duì)稱以維持水平。兩端若受水平方向之微力，則以的繩索之扭曲以平衡之。這“扭稱”(torsion balance)可以做很精準(zhǔn)的力的測(cè)量(至今尚是的測(cè)量微小力的最精準(zhǔn)工具，但這種實(shí)驗(yàn)都是很難做的)。在1785-91年間，他用這工具，反復(fù)測(cè)量，終于發(fā)現(xiàn)了庫(kù)倫定律:

電荷與電荷之間，同性相斥，異性相吸。其力之方向在兩電荷間之聯(lián)機(jī)上。其大小與電荷間之距離之平方成反比，而與兩電荷量之大小成正比。

這是電學(xué)以數(shù)學(xué)來(lái)描述的第一步。請(qǐng)注意：

(1)  此定律用到了牛頓之力之觀念。(若無(wú)牛頓對(duì)力之闡述，很難想象此定律是何形式)。這成了牛頓力學(xué)中一種新的力。其與牛頓萬(wàn)有引力有相同之處，如：與距離之平方成反比；亦有不同，如：可以相吸，亦可以相斥。

(2)  這定律成了“靜電學(xué)”(即電荷靜止時(shí)之各種現(xiàn)象)之基礎(chǔ)。如今所有電磁學(xué)，第一個(gè)課題必然是它。

(3)  這也是電荷單位的來(lái)源。例如：兩個(gè)相同之電荷，相距一公尺，若其相斥之力為“若干”時(shí)，稱之為一單位。原理上，這“若干”可以任意選定，所以電荷單位有好幾種。但今日“公制”(MKSA)的做法，卻是先決定電流單位“安培”(理由見后)，再以一安培之電流一秒中的累計(jì)量為一“庫(kù)倫”，再間接決定這“若干”=9×109牛頓。

(4)  這9×109牛頓，相當(dāng)于九十萬(wàn)公噸的重力──靜電力強(qiáng)大的可怕。雖然也可以說(shuō)一庫(kù)倫的電荷太大，但無(wú)論如何，正負(fù)電相消的趨勢(shì)是很強(qiáng)的。日常的物體中，雖然電荷很多，但幾乎都抵消的干干凈凈，呈現(xiàn)電中性的狀態(tài)。必須花功夫（如摩擦）才能使其呈現(xiàn)帶電狀。而且，一不小必就又跑去中和掉，所以難以駕馭。

因此，雖然庫(kù)倫定律描述電荷靜止時(shí)的狀能十分精準(zhǔn)，單獨(dú)的庫(kù)倫定律的應(yīng)用卻不容易。以靜電效應(yīng)為主的復(fù)印機(jī)，靜電除塵、靜電喇叭等，發(fā)明年代也在1960以后，距庫(kù)倫定律之發(fā)現(xiàn)幾乎近兩百年。我們現(xiàn)在用的電器，絕大部份都靠電流，而沒(méi)有電荷(甚至接地以免產(chǎn)生多余電荷)。也就是說(shuō)，正負(fù)電仍是抵消，但相互移動(dòng)。──河中沒(méi)水，不可能有水流；但電線中電荷為零，卻仍然可以有電流！

四、從伏特電池、安培定律到電報(bào)、電話：

雷雨時(shí)的閃電，或萊頓瓶的火花放電，都是瞬間的事。電雖然在動(dòng)，但是太快了，很難去研究電流的效果。電池可以供應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間的電流（直流電）。因此，電池的發(fā)明是電磁學(xué)上的大事。──這也就是為什么巴比倫電池這樣令人驚訝。

十八世紀(jì)歐洲人到處掠奪殖民地。當(dāng)時(shí)也沒(méi)有什么保護(hù)生態(tài)觀念，殖民地出產(chǎn)的珍禽異獸，一股腦捉回家去。亞馬遜河出產(chǎn)一種電魚，能發(fā)出瞬間強(qiáng)電，電暈小動(dòng)物。當(dāng)然，電魚也被捉回了歐洲。這引起了不少人研究“動(dòng)物電”的興趣，也就是動(dòng)物的身體如何發(fā)電。1780年，意大利波隆大學(xué)教授加凡尼（Luigi Galvani, 1737 - 1789 ）發(fā)現(xiàn)了用電擊死蛙之腿，可引起抽動(dòng)。而蛙腿夾在不同金屬（如銅、鋅）間則可發(fā)出電來(lái)。與他認(rèn)為這是“動(dòng)物電”效果。

1793年，加凡尼的朋友，比薩大學(xué)教授伏特(Alexandro G.A.A. Volta, 1745 -1827)把一塊鋅板，一塊銅板放到舌頭上下，而用銅絲將兩板連結(jié)，他發(fā)覺舌頭會(huì)感到咸味，而銅絲中有電流現(xiàn)象（如: 可使蛙腿抽動(dòng)）。但不久他發(fā)覺這與“動(dòng)物電”無(wú)干，因?yàn)槿舨挥蒙囝^，而用一片浸過(guò)堿水的紙板夾在銅、鋅之間，也可生電流。而且，如果用多重的鋅、紙、銅、鋅、紙、銅、…，會(huì)得到更明顯的電流(蛙腿抽動(dòng)不止)。──這就是最早（如果不算巴比倫）的電池(堿性電池)。有了穩(wěn)定的電源，電流的研究與應(yīng)用才能展開。電壓?jiǎn)挝环��?volt) 就是因紀(jì)念他的功勞而命名的。

這種“伏特堆”(Voltaic pile)，很快被人仿效，越做越大(可以表演連續(xù)火花)，以后又有人加以改良，越做越精致。──直到現(xiàn)在，改良電池還是一門專業(yè)的學(xué)問(wèn)。

在伏特電池發(fā)明后沒(méi)多久，就有人發(fā)現(xiàn)電流可以從溶液中通過(guò)。1800年，英國(guó)William Nicholson (1753-1815) 與Anthony Carlisle (1768-1840)，發(fā)現(xiàn)了電解現(xiàn)象，例如水可以被通過(guò)的電流被分解為氫與氧。此為電在化合中作用之線索，亦為電解、電鍍之原理。但是把電鍍技術(shù)改善到可以應(yīng)用，則要到1835年的德國(guó)人西門子（Ernst W. Siemens，1816-1892，其弟William, 后來(lái)成為英國(guó)爵士，兄弟創(chuàng)辦“西門子”公司，至今尚存。）──巴比倫的鍍金物如果真是四千年前的電鍍做成的，實(shí)在令人驚嘆。

然而，怎樣“定量”(測(cè)定電流的大小)，還是不容易，當(dāng)時(shí)有人想了各種方法（如利用電線之發(fā)熱），又難又不準(zhǔn)。

電與磁之間，很早便被認(rèn)為有些關(guān)連。記載中，有一間鐵鋪被雷電擊中，鋪中鐵器都生了磁性。十八世紀(jì)以后，很多人在研究放電現(xiàn)象時(shí)，都注意到附近的磁針會(huì)動(dòng)。1820年，丹麥哥本哈根大學(xué)教授奧斯特(H. C. Oersted, 1777-1851) 在演講時(shí)表演電流生熱，發(fā)現(xiàn)一根導(dǎo)線中的電流，會(huì)使附近的磁針偏向垂直方向，也就是電流可以產(chǎn)生“磁力”；越大的電流，這種現(xiàn)象越明顯，而且，這種現(xiàn)象，不受紙板間隔的影響。這發(fā)現(xiàn)立時(shí)引起了很多人的興趣。不久，便有人把導(dǎo)線繞成很多重的“線圈”，只要很小的電流，就能產(chǎn)生很大的磁力。線圈電流固可使小磁針轉(zhuǎn)動(dòng)，但如果是一個(gè)固定的大磁鐵，線圈也會(huì)反向而動(dòng)。──同年，德國(guó)人Christoph Schweigger(1779-1850)與Johann C. Poggendorff，就用這方法制成電流計(jì)。從此，電流成為物理（或工業(yè)）中測(cè)定最方便的量之一。這也就是為什么在公制中，先訂電流單位“安培”，再訂電量單位“庫(kù)倫”之原因。

法國(guó)物理學(xué)家安培(Andre Marie Ampere, 1775-1836) 立刻想到：所有磁性的來(lái)源，或許都是電流。他在1820年，聽到奧斯特實(shí)驗(yàn)結(jié)果之后，兩個(gè)星期之內(nèi)，便開始實(shí)驗(yàn)。五個(gè)月內(nèi)，便證明了兩根通電的導(dǎo)線之間也有吸力或斥力。這就是電磁學(xué)中第二個(gè)最重要的定理“安培定律”：

兩根平行的長(zhǎng)直導(dǎo)線中皆有電流，若電流方向相同，則相吸引。反之，則相斥。力之大小與兩線之間距離成反比，與電流之大小成正比。

（安培也寫下了兩小段電流作用力之量化描述，可以計(jì)算各種形狀的電流間之力。如今這稱為比奧─沙伐定律。Jean-Baptiste Biot, 1774-1862, Felix Savart 1791- 1841兩人與安培幾乎同時(shí)進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)）。

公制中，用安培定律以定義電流單位“安培”：兩個(gè)平行之同向同大小之電流，相距一公尺，若其相吸之力為2×10-7牛頓/公尺時(shí)，稱之為一安培。這電流單位在使用上有其方便，例如一百瓦的電燈中的電流大約一安培。這2×10-7牛頓/公尺是很小的，故平常在兩根電線中，相互之力不太容易察覺。──但做成線圈后，可以產(chǎn)生很大的力。

以后，安培又證實(shí)了通了電流的筒狀線圈之磁性，與磁鐵棒完全一樣。故他提出假說(shuō)：物質(zhì)之磁性，皆是由物質(zhì)內(nèi)的電流而引起的。這使“磁性”成為“電流”的生成物。（這也解釋了為什么磁鐵沒(méi)有單極的）。──他后來(lái)被譽(yù)為“電磁學(xué)”的始祖(電與磁從此在物理中是分不開的)。他的名字，也成了電流的單位。

安培早慧，但一生不幸。（童時(shí)親見其父在法國(guó)大革命時(shí)上斷頭臺(tái)，娶妻甚賢，但又早逝）。在聽到Oersted 之發(fā)現(xiàn)后，立刻意識(shí)到電流與電流之間必有力在，洞察力驚人。

安培這個(gè)發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用上極為重要。它提出了用電流而發(fā)出動(dòng)力，使物體動(dòng)起來(lái)的方法，準(zhǔn)確而可靠。因此，它是電流計(jì)(以及各種電表)、電馬達(dá)、電報(bào)，電話之原理。特別是電報(bào)，在1835年以后就成了新興事業(yè)，大賺其錢。然而，在開始時(shí)，也有人對(duì)這些新玩意感到恐懼而抗拒。（例如：對(duì)電磁學(xué)也有貢獻(xiàn)的大數(shù)學(xué)家高斯Karl F. Gauss, 1777 - 1855。）──電報(bào)業(yè)風(fēng)光了一百多年。時(shí)至今日，衛(wèi)星通訊發(fā)達(dá)以后，電報(bào)業(yè)就沒(méi)落了。

安培定律之后，電磁學(xué)理論與應(yīng)用之發(fā)展可以說(shuō)“風(fēng)起云涌”。1825年，英William Strugeon (1783-1850)發(fā)明電磁鐵，使這種作用力更方便有效。1826年，德University of Cologne的數(shù)學(xué)教授歐姆(George S. Ohm, 1789- 1854)，發(fā)表了歐姆定律，厘清了電壓、電流、電阻間的關(guān)系(V=iR)。這個(gè)定律是以后所有電路理論的開端。但他發(fā)現(xiàn)了歐姆定律后，反而被攻擊而辭職，失業(yè)了好幾年后他才另外找到工作。電流消耗能量的關(guān)系式，則要到1839 年，才被英國(guó)的焦耳(James Prescott Joule, 1818-69)確定（焦耳定律P=i2R）。這成為以后電力買賣的計(jì)價(jià)基礎(chǔ)。

十九世紀(jì)的美國(guó)，挾其地大物博之優(yōu)勢(shì)，發(fā)展極快。美國(guó)人好新奇，敢冒險(xiǎn)，在電器的發(fā)明上，領(lǐng)先全世界。美國(guó)人亨利(Joseph Henry, 1799-1878)，原在一個(gè)鄉(xiāng)下學(xué)校教書，并做研究（當(dāng)時(shí)在美國(guó)這是少見的）。1829年，他改良電磁鐵，發(fā)明電報(bào)的原理。(據(jù)說(shuō)他比法拉第更早一年發(fā)現(xiàn)電感現(xiàn)象，但未發(fā)表)。后來(lái)他轉(zhuǎn)往New Jersey College(以后的Princeton University)任教。1835年，美國(guó)畫家摩斯(Samuel F.B. Morse, 1791-1872)，發(fā)明了摩斯電碼（Morse Code），制成了電報(bào)的第一個(gè)原型。從此，電報(bào)開始發(fā)展成新興工業(yè)。1854-58 年，英國(guó)Univ. of Glasgow的凱爾文（William Thomson，后來(lái)封爵Lord Kelvin, 1824-1907），研究越洋電纜理論，促成大西洋兩岸之電訊。他也因此發(fā)財(cái)。1876年，美國(guó)人貝爾(Alexander G. Bell,1874-1922 )發(fā)明電話。貝爾的家傳技藝是audiology(幫助聾啞的技術(shù))。他發(fā)明電話后成為巨富，熱心公益。他的公司，至今尚存。晚年他宣稱討厭電話，隱居加拿大東北極寒之地紐芬蘭。

焦耳、凱爾文現(xiàn)在的名氣，多因其熱學(xué)上的成就，(焦耳之熱功當(dāng)量，凱爾文之絕對(duì)溫標(biāo))。而且，他們合作，發(fā)現(xiàn)了氣體膨脹時(shí)，溫度下降（Joule- Thomson Effect），這是冷凍機(jī)原理。但這發(fā)明當(dāng)時(shí)英國(guó)的工業(yè)界不感興趣。焦耳去世較早。凱爾文1892之封爵，也是因越洋電纜。

為什么冷凍機(jī)原理當(dāng)時(shí)引不起英國(guó)工業(yè)界的興趣？為什么用途廣泛的電馬達(dá)（其原理只是安培定律）沒(méi)有很早的發(fā)展？其中重要原因之一是這些都要大量的電力，而當(dāng)時(shí)還沒(méi)有一個(gè)便宜的發(fā)電方法（電池發(fā)電太貴了）。因此，用電量較小的通訊器材（電報(bào)、電話），就率先發(fā)達(dá)。對(duì)當(dāng)時(shí)的一般民眾而言，生活中用電還是少見的事。電報(bào)是緊急時(shí)才用的，而電話也只有少數(shù)有錢人才裝得起。

要等發(fā)電機(jī)成功之后，用電量大的器材，才能發(fā)展。而電器之普及，也才能實(shí)現(xiàn)。

五、法拉第定律與發(fā)電機(jī)：

公認(rèn)的實(shí)驗(yàn)天才法拉第 (Michael Faraday, 1791-1867)是倫敦一位鐵匠之子。少年時(shí)在一家書店做學(xué)徒。當(dāng)時(shí)，皇家研究所（Royal Institute）的所長(zhǎng)達(dá)維(Sir Humphrey Davy, 1778-1829) 為了教育大眾(也為了爭(zhēng)取經(jīng)費(fèi))，舉辦了一系列的通俗演講。法拉第去認(rèn)真聽講，并做了完整的筆記，裝訂成冊(cè)。以后他便以這一套筆記，受到達(dá)維賞識(shí)，被聘為皇家研究所的助理(1812)。不久，他在實(shí)驗(yàn)方面的才能，便顯露出來(lái)，成為達(dá)維的得力助手。達(dá)維退休以后，他被任命為所長(zhǎng)(1821)。

達(dá)維是電解專家(1807年發(fā)現(xiàn)了鈉與鉀)。法拉第早年是達(dá)維的助手，他對(duì)電解有很周密的研究。他發(fā)現(xiàn)了通電量與分解量有一定的關(guān)系，并且與被分解的元素之原子量有一定的關(guān)系。由此，可以大致導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)論：(1) 每個(gè)原子中有一定的電含量（以今日而言，是一定的電子數(shù)）。（2）原子在化合時(shí)，這些電量起了作用，而通電可使化合物分解。因此，牛頓尋求的分子中的化合之“力”，必與電有關(guān)。（此想法在1807年由達(dá)維提出，法拉第進(jìn)一步加以驗(yàn)證，至今尚是正確的。）

法拉第少年失學(xué)，缺少科學(xué)方面的正式訓(xùn)練，這是他的缺點(diǎn)，但也可能是他的優(yōu)點(diǎn)。他不長(zhǎng)于數(shù)學(xué)，但有極強(qiáng)的“直感”。他在電與磁的直感的基礎(chǔ)是“場(chǎng)”與“力線”概念。

牛頓的萬(wàn)有引力定律提出之初，受到很多質(zhì)疑。其中之一是：很多人認(rèn)為，兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的物體，無(wú)所媒介，而相互牽引，是不可置信的（連牛頓本人對(duì)此也有所猶疑）。但是由于萬(wàn)有引力之大獲成功，這種“超距力”的概念，不久便被普遍接受了。電磁學(xué)中的“庫(kù)倫”、“安培”等力之觀念，起始時(shí)亦是這種“超距力”。

在牛頓前一百年的英國(guó)人吉伯特(William Gilbert, 1540-1603)是伊利莎白一世的御醫(yī)。他的一本“論磁”(De Magnete,1600) 是有系統(tǒng)地研究電磁現(xiàn)象的第一本書（大部份說(shuō)磁，因其在當(dāng)時(shí)比較有用），其重要性是揚(yáng)棄了磁性之神秘色彩，以一種客觀的自然現(xiàn)象來(lái)描述之。吉伯特之“論磁”中曾提出“力線”之觀念。這就是說(shuō)：磁性物質(zhì)發(fā)出一種“力線”，其它磁性物質(zhì)遇到了這“力線”便受到力之作用。這樣就避過(guò)了“超距力”的“反直覺”。

(a)力線不斷、不裂、不交叉打結(jié)，但可以有起頭與終止。例如：電場(chǎng)之力線由正電荷發(fā)出，由負(fù)電荷接受。力線的數(shù)量與電荷之大小成正比。（磁場(chǎng)以“磁北極”為正，“磁南極”為負(fù)。）

(b)力線像有彈性的線，在空中互相排斥又盡量緊繃。其密度與施力之大小成正比。

(c)力線有方向性，電力線之方向是對(duì)正電荷之施力方向（負(fù)電受力方向相反），在磁力線是對(duì)“磁北極”之施力方向（“磁南極”受力方向相）。

法拉第則更進(jìn)一步，提出了“場(chǎng)”的概念：空中任意一點(diǎn)，雖然空無(wú)一物，但有電場(chǎng)或磁場(chǎng)之存在，這種“場(chǎng)”可使帶電或帶磁之物質(zhì)受力。而“力線”則是表現(xiàn)“場(chǎng)”的一種方式。但是，法拉第的“場(chǎng)”觀念，當(dāng)時(shí)也受到強(qiáng)烈的質(zhì)疑與反對(duì)。最重要的理由是這觀念不及“超距力”之精確。把“場(chǎng)”觀念精確化，數(shù)學(xué)化的是后來(lái)的麥克斯威。

他對(duì)電磁學(xué)最重要的貢獻(xiàn)是“電感”之發(fā)現(xiàn)。──有磁性的磁鐵，可以使附近的無(wú)磁性的鐵棒磁化。根據(jù)安培的發(fā)現(xiàn)，通了電流的筒狀線圈的磁性與磁鐵棒相同，實(shí)驗(yàn)上它也可以使其附近的無(wú)磁性的鐵棒磁化。法拉第就想：是否也可以用通了電流的筒狀線圈來(lái)引起其附近另一個(gè)筒狀線圈中的電流？

他1824年開始做實(shí)驗(yàn)，起初找不到什么結(jié)果。直到1831年，他用了四百多英尺的電線做了兩個(gè)互相套合的線圈，才在無(wú)意中發(fā)現(xiàn)：在第一線圈中的電流關(guān)掉的瞬間，第二線圈中有瞬間的電流產(chǎn)生，甚至冒火花。他繼續(xù)研究，發(fā)現(xiàn)第一線圈中的電流有變化時(shí)，第二線圈中才有電流。而第一線圈中的電流變化越快，第二線圈中的電流越大。法拉第接著又發(fā)現(xiàn)，一個(gè)移動(dòng)的磁鐵或通了電流的筒狀線圈，也可以使附近的線圈中，產(chǎn)生感應(yīng)電流。──這就是電磁學(xué)中第三個(gè)最重要的“法拉第定律”。

這個(gè)定律與庫(kù)倫、安培都不同；它是動(dòng)態(tài)的。第一線圈中的電流變化越快，第二線圈中的電流越大。（這是變壓器原理）�；虼盆F、有電流的筒狀線圈，移動(dòng)得越快，第二線圈中的電流也越大。這就是“發(fā)電機(jī)”(把動(dòng)能化成電能)的原理。

法拉第也知道他這發(fā)現(xiàn)的重要。發(fā)現(xiàn)之后，皇家研究所舉辦成果展覽。英國(guó)財(cái)政大臣也來(lái)參觀�？吹街�手們表演火花放電以?shī)蕚惗孛癖�，不太高興，便問(wèn)法拉第：你花了政府這么多錢，就為了表演？法拉第冷冷地回答了四個(gè)字：You will tax it!(你會(huì)有一天抽它的稅)。

法拉第做了一輩子研究，退休時(shí)(1855)兩袖清風(fēng)，不知何去何從(當(dāng)時(shí)沒(méi)有退休金制度)。英維多利亞女皇則早準(zhǔn)備了房子、終身俸及封爵，給他一個(gè)驚喜。法拉第接受了房子及終身俸，堅(jiān)辭封爵。

但是，實(shí)用的發(fā)電機(jī)卻不是那么簡(jiǎn)單，法拉第定律之后五十年才在美國(guó)做出來(lái)。

美國(guó)人愛迪生(Thomas A. Edison, 1847-1931)號(hào)稱“發(fā)明大王”，擁有（或共享）的專利，有1093項(xiàng)，至今無(wú)人打破紀(jì)錄。其中包括電燈、錄音、電影等等，對(duì)“電化世界”有決定性影響。1879發(fā)明的白熾電燈(以碳化纖維為燈絲)，造成轟動(dòng)，是第一個(gè)人人都感到非要不可的電器。但他在發(fā)電機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)上，卻輸給了對(duì)手�？赡艿脑�因是他太執(zhí)著于直流電（他甚至宣揚(yáng)交流電危害人類）。──以法拉第定律而言，交流發(fā)電機(jī)的制作比較順理成章，而且，交流電才能使用變壓器，利于長(zhǎng)途輸電。

他的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是西屋(George Westinghouse, 1846 -1914) 與特斯拉(Nicola Tesla, 1856 -1943, 也有700項(xiàng)專利，包括變壓器、日光燈，交流電馬達(dá))。特斯拉年輕時(shí)從匈牙利移民美國(guó)，先在愛迪生手下做事，但他熱心做交流電，與愛迪生不合，辭職后去挖溝。后來(lái)輾轉(zhuǎn)被西屋雇用。1882年，特斯拉制成第一部交流發(fā)電機(jī)。他們對(duì)交流電機(jī)之發(fā)展，使“西屋公司”成為電機(jī)工業(yè)之百年重鎮(zhèn)。

1896尼加拉瀑布水力發(fā)電開始。世界的電化，從此展開。但電磁學(xué)的故事，還沒(méi)有完。

六、麥克斯威與無(wú)線電

與法拉第之實(shí)驗(yàn)天才對(duì)比，麥克斯威（James Clerk Maxwell, 1831-1879）則是長(zhǎng)于數(shù)學(xué)的理論物理學(xué)家的典型。他生于蘇格蘭的一個(gè)小康之家。自幼便充份顯示了數(shù)學(xué)之才能。他先在阿伯丁(Aberdeen)大學(xué)任教，以后轉(zhuǎn)往劍橋。在物理中，今日麥克斯威之重要性，幾可與牛頓、愛因斯坦等量齊觀。但生前，麥克斯威并不受其故鄉(xiāng)蘇格蘭之歡迎（愛丁堡大學(xué)不要他，死時(shí)亦未有公開之表?yè)P(yáng)）。他在劍橋大學(xué)則受到重用，出任Cavendish Laboratory的首任所長(zhǎng)。

他在1855年，發(fā)表了“法拉第之力線”一文，受到將退休的法拉第的鼓勵(lì)。1862年，他由理論推導(dǎo)出：電場(chǎng)變化時(shí)，也會(huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)。這與法拉第的電感定律相對(duì)而相成，合稱“電磁交感”。此后他出版了“電磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)理論”（A Dynamic Theory of Electromagnetic Field, 1867），“電磁論”(Treatise on Electricity and Magnetism, 1873)，其重要性可以與牛頓的“自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理”相提并論。

通過(guò)了數(shù)學(xué)（主要是“向量分析”），麥克斯威寫下了著名的“麥克斯威方程式”，不但完整而精確地描述了所有的已知電磁場(chǎng)之現(xiàn)象，而且有新的“預(yù)言”。其中最重要的是“電磁波”：

(1)由于“電磁交感”，故電磁場(chǎng)可以在真空中以“波”的形式傳遞。

(2)計(jì)算之結(jié)果，這波之速度與光速一致，故光是一種“可見的”電磁波。

(3)這種波亦攜帶能量、動(dòng)量等，并且遵從守恒律。(1884波亭定理，英John Henry Poynting ,1852-1814是麥克斯威的學(xué)生，他推導(dǎo)出電磁場(chǎng)中的能量的流動(dòng)關(guān)系式。)

“光是一種電磁波！”這句話現(xiàn)在是常識(shí)，在當(dāng)年則駭人聽聞。麥克斯威只靠紙上談兵（數(shù)學(xué)運(yùn)算），就做大膽宣言，也難怪當(dāng)年根本不信有電磁波的人居多。但他自己卻信心滿滿。有人告訴他有關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不完全成功，他毫不在意。他有信心他的理論一定是對(duì)的。──以后的理論物理學(xué)家很多人就學(xué)了他這種態(tài)度。有一個(gè)物理學(xué)者(Dirac)的一個(gè)理論被實(shí)驗(yàn)證明是錯(cuò)的。他就抱怨：這么美的理論，上帝為什么不用？

德國(guó)人赫茲(Heinrich R. Hertz ,1857-1894, Karlsruhe Polytechnic)是第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室中證明電磁波存在的人。他先把麥克斯威的電磁學(xué)改寫成今天常見的形式(1884)。然后在1886-88年，做了一系列的實(shí)驗(yàn)，不但證明電磁波存在，而且與光有相同波速，并有反射、折射等現(xiàn)象，也對(duì)電磁波性質(zhì)（波長(zhǎng)、頻率）定量測(cè)定。當(dāng)然，也同時(shí)發(fā)展出發(fā)射、接收電磁波的方法。──這是所有“無(wú)線通訊”的始祖。──此時(shí)麥克斯威墓木已拱。

一般人都說(shuō)無(wú)線電的發(fā)明人是意大利的馬可尼(Guglielmo Marconi 1874- 1937，獲1909年諾貝爾獎(jiǎng) )。俄國(guó)人則說(shuō)是波波夫(Aleksandr Popov, 1859-1906, Univ. St. Petersburg)。但在推廣實(shí)用上與影響力上，馬可尼似乎領(lǐng)先一步。(特斯拉也有無(wú)線電的專利，但時(shí)間更晚。)1901年，馬可尼實(shí)驗(yàn)越洋廣播成功，轟動(dòng)一時(shí)，從此開始了廣播工業(yè)。

七、結(jié)語(yǔ)

麥克斯威的電磁理論（經(jīng)赫茲改寫），成為現(xiàn)在理工科的學(xué)生都要修的電磁學(xué)。簡(jiǎn)單的說(shuō)來(lái)，電磁學(xué)核心只有四個(gè)部份：庫(kù)倫定律、安培定律、法拉第定律與麥克斯威方程式。并且順序也一定如此。這可以說(shuō)與電磁學(xué)的歷史發(fā)展平行。其原因也不難想見；沒(méi)有庫(kù)倫定律對(duì)電荷的觀念，安培定律中的電流就不容易說(shuō)清楚。不理解法拉第的磁感生電，也很難了解麥克斯威的電磁交感。

這套電磁理論，在物理學(xué)中，是與牛頓力學(xué)分庭抗禮的古典理論之一。如果以應(yīng)用之廣，經(jīng)濟(jì)價(jià)值之大而言，猶在牛頓力學(xué)之上。但也不能忘記，如果沒(méi)有牛頓力學(xué)中力之概念，電磁學(xué)也發(fā)生不了。電磁學(xué)中的各定律，也無(wú)法理解。因此，普通物理中，也必然先教力學(xué)再教電磁照度計(jì)| 濃度計(jì)| 液位差計(jì)| 風(fēng)速變送器| 環(huán)境檢測(cè)儀| 轉(zhuǎn)速變送器| 露點(diǎn)儀| 濕度計(jì)| 閃頻儀/頻閃儀| 。

力學(xué)與電磁學(xué)被稱為“古典理論”有兩層意思：(1)它可以自圓其說(shuō)，沒(méi)有內(nèi)在的矛盾。(2)但是到了廿世紀(jì)量子理論確立后，它們被修改了。力學(xué)后來(lái)被修改為量子力學(xué)，電磁學(xué)被修改為量子電動(dòng)力學(xué)。然而，在原子之外，這兩個(gè)古典理論仍是非常精確，故理工學(xué)生仍然不得不學(xué)它們。

回顧電磁學(xué)的歷史，是很有趣的。一直到十八世紀(jì)中，電磁似乎只是一種新奇的玩具。──科學(xué)與藝術(shù)一樣，起步時(shí)都有游戲性質(zhì)。──但到了后來(lái)，其產(chǎn)生的結(jié)果，竟然改造了世界。當(dāng)然，并不是所有科學(xué)工作都有這樣大的威力。也有些科學(xué)的成果令人不敢恭維（例如原子彈）。然而，科學(xué)有這樣的可能，卻是我們不得不重視科學(xué)研究的終極原因。