【解讀】電磁學(xué)理論是如何建立的？

“Electricity”（電）這個(gè)單詞起源于希臘文的“琥珀”。中國(guó)西晉時(shí)期，《博物志》中也有摩擦起電的記載。電和磁的利用跟人類(lèi)生產(chǎn)和生活的聯(lián)系非常緊密，電學(xué)和磁學(xué)的研究促進(jìn)了世界科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電磁學(xué)直接推動(dòng)著社會(huì)的進(jìn)步。

靜電學(xué)的發(fā)展

自1660年蓋里克發(fā)明摩擦起電機(jī)后，電現(xiàn)象的研究變得可行了。1720年，格雷發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體與絕緣體，發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體的靜電感應(yīng)現(xiàn)象。1733年，杜菲經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)區(qū)分出兩種電荷，他分別稱(chēng)之為松脂電（即負(fù)電）和玻璃電（即正電），并由此總結(jié)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(lái)康頓在1734年用電流體假說(shuō)解釋了靜電感應(yīng)現(xiàn)象。至此，靜電力基本特性、電荷守恒和靜電感應(yīng)這三條靜電學(xué)基本原理已經(jīng)建立。

1760年，D·伯努利首先猜測(cè)：電力會(huì)不會(huì)也跟萬(wàn)有引力一樣，服從平方反比定律？1767年普利斯特利猜測(cè)電荷間的相互作用應(yīng)該與引力規(guī)律有相似的特點(diǎn)。1785年，庫(kù)侖利用扭秤試驗(yàn)總結(jié)出：真空中兩個(gè)靜止的點(diǎn)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(kù)侖定律不斷經(jīng)受著實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，目前已經(jīng)成為精確的實(shí)驗(yàn)規(guī)律之一。

穩(wěn)恒電流的研究

18世紀(jì)末，意大利學(xué)者伽伐尼和伏打的研究使得電學(xué)從靜電領(lǐng)域邁向電流領(lǐng)域。伽伐尼是一位解剖學(xué)教授，1780年9月的一天，他在解剖青蛙時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)電效應(yīng)。伽伐尼的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了歐洲各國(guó)研究動(dòng)物電的熱潮，意大利的自然哲學(xué)教授伏打重復(fù)了伽伐尼的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)伽伐尼的神經(jīng)電流說(shuō)并不正確。他拿來(lái)一只活青蛙，用兩種不同金屬構(gòu)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(huì)抽搐；用萊頓瓶經(jīng)青蛙的身體放電，青蛙也會(huì)抽搐，說(shuō)明兩種不同金屬構(gòu)成的弧叉和萊頓瓶的作用是一樣的。可以說(shuō)，這些現(xiàn)象是外部電流作用的結(jié)果。后來(lái)，在伏打的外部電（金屬接觸說(shuō)）和伽伐尼的內(nèi)部電（神經(jīng)電流說(shuō)）之間出現(xiàn)了長(zhǎng)期的爭(zhēng)論。為了闡明自己的觀點(diǎn)，伏打繼續(xù)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。他比較了各種金屬，按金屬相互間的接觸電動(dòng)勢(shì)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(fù)電。這樣，伏打一舉就全面地解釋了伽伐尼和其他人做過(guò)的各種動(dòng)物電實(shí)驗(yàn)。1800年，伏打進(jìn)一步把鋅片和銅片夾在用鹽水浸濕的紙片中，重復(fù)地疊成一堆，形成了很強(qiáng)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(yīng)。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(xué)進(jìn)人了一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期——研究電流和電磁效應(yīng)的新時(shí)期。

電和磁的聯(lián)系

1731年有一名英國(guó)商人描述，雷閃過(guò)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(huì)產(chǎn)生磁嗎？1774年，這個(gè)疑問(wèn)促使德國(guó)一家研究機(jī)構(gòu)懸獎(jiǎng)?wù)鹘?，題目是：“電力和磁力是否存在實(shí)際和物理的相似性？”

丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特信奉康德的哲學(xué)，認(rèn)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(guān)電和磁的演講時(shí)，嘗試將磁針?lè)旁趯?dǎo)線的側(cè)面，正當(dāng)他接通電源時(shí)，發(fā)現(xiàn)磁針輕微地晃動(dòng)了一下，他立即意識(shí)到這正是他多年盼望的效應(yīng)。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，奧斯特終于查明電流的磁效應(yīng)沿著圍繞導(dǎo)線的螺旋方向。

1820年7月21日，他以拉丁文簡(jiǎn)潔地報(bào)道了60多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。隨后，畢奧薩伐爾更仔細(xì)地研究了直線載流導(dǎo)線對(duì)磁針的作用，確定這個(gè)作用力正比于電流強(qiáng)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(jìn)行探討，他把磁性歸結(jié)為電流之間的相互作用，提出了“分子電流假說(shuō)”。為了定量研究電流之間的相互作用，安培設(shè)計(jì)了4個(gè)極其精巧的實(shí)驗(yàn)，并在這些實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到了普遍的電動(dòng)力公式，為電動(dòng)力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

1820年起，電磁熱席卷歐洲，法拉第相信自然力的統(tǒng)一性，認(rèn)為“磁生電”是必然存在的。從1824年到1828年，法拉第多次進(jìn)行電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)。1831年8月29日，法拉第終于取得突破性進(jìn)展。這次他是用一個(gè)軟鐵圓環(huán)，環(huán)上繞兩個(gè)互相絕緣的線圈A和B，法拉第對(duì)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)作了總結(jié)，將產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況分為5類(lèi)：變化中的電流，變化中的磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流，運(yùn)動(dòng)中的磁鐵，運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)線。法拉第只是定性地用文字表述了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1833年楞次用楞次定則來(lái)說(shuō)明感應(yīng)電流的方向。1845年紐曼以定律的形式提出電磁感應(yīng)的定量規(guī)律。

1847年，W·湯姆孫進(jìn)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(xué)表征”一文中，以不可壓縮流體的流線連續(xù)性為基礎(chǔ)，論述了電磁現(xiàn)象和流體力學(xué)現(xiàn)象的共性。W·湯姆孫運(yùn)用類(lèi)比方法，把法拉第的力線思想轉(zhuǎn)變?yōu)槎康谋硎觯瑸辂溈怂鬼f的工作提供了十分有益的經(jīng)驗(yàn)。

1856年，麥克斯韋發(fā)表了第一篇關(guān)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(lèi)比方法，用不可壓縮的流體的流線類(lèi)比于法拉第的力線，把流線的數(shù)學(xué)表達(dá)式用到靜電理論中。流線不會(huì)中斷，力線也不會(huì)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(guò)類(lèi)比，明確了兩類(lèi)不同的概念：一類(lèi)相當(dāng)于流體中的力，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H屬于這一類(lèi)；另一類(lèi)相當(dāng)于流體的流量，電位移矢量D和磁感應(yīng)強(qiáng)度B屬于這一類(lèi)。麥克斯韋進(jìn)一步討論了這兩類(lèi)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(gè)定律，他寫(xiě)道：“在這6個(gè)定律中，我要表達(dá)的思想，我相信是（法拉第的）《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》中所提示的思想模式的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)?！?/p>

1861年麥克斯韋寫(xiě)了第二篇論文《論物理力線》，內(nèi)容分4個(gè)部分，分別載于1861年和1862年的《哲學(xué)》雜志上?！澳康氖茄芯拷橘|(zhì)中的應(yīng)力和運(yùn)動(dòng)的某些狀態(tài)的力學(xué)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(shí)質(zhì)作準(zhǔn)備。”麥克斯韋為此創(chuàng)建了“位移電流”。“位移電流”的假設(shè)在電磁場(chǎng)理論中具有非常重要的地位。1865年麥克斯韋發(fā)表了關(guān)于電磁場(chǎng)理論的第三篇論文《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》，全面地論述了電磁場(chǎng)理論。

對(duì)麥克斯韋的功績(jī)，愛(ài)因斯坦作了很高的評(píng)價(jià)，他在紀(jì)念麥克斯韋逝世100周年的文集中寫(xiě)道：“自從牛頓奠定理論物理學(xué)的基礎(chǔ)以來(lái)，物理學(xué)的公理基礎(chǔ)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(yuǎn)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(xué)理論及其對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的應(yīng)用》，在對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論修訂的基礎(chǔ)上提出了著名的經(jīng)典電子論。他將電磁波（包括可見(jiàn)光）經(jīng)過(guò)物質(zhì)時(shí)呈現(xiàn)的各種宏觀電磁現(xiàn)象，都?xì)w結(jié)為電磁波與物質(zhì)中在準(zhǔn)彈性力作用下電子的相互作用的結(jié)果。從這一簡(jiǎn)單的假設(shè)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的一些效應(yīng)。洛倫茲的電子論為塞曼效應(yīng)提供了理論依據(jù)和科學(xué)解釋。在洛倫茲的電子論中，電子的運(yùn)動(dòng)是一切電磁場(chǎng)的根源。