电磁学的故事
台湾 《科学发展》2004年6月
台湾 《科学发展》2004年6月
回到电磁的源头
我们来到十六世纪的年代，寻找第一位对电磁进行系統研究的人，他叫做吉尔伯特（William Gilbert），是近代电磁学的先驱。有一天他在家里闲着闲着没事，就把磁石磨成球状，然后把一个小磁针放在磁球上，发现磁针会转动。他还发现把不同的物体互相磨擦后竟会吸引其它较小的物体。最后他提出电与磁是不相关的看法，然而他的结论真是对的吗？
在一七四五年，有一位荷兰莱顿大学教授马森布洛克（Petrus van Musschenbrock），他发明了“莱顿瓶”，实际上就是一个普通的电容器，也是人类第一个储儲电裝置。为什么要提到他呢？因为沒有他的发明就沒有现在的电容器，在电学的发展过程中，这项发明是一个相当重要的关键。
一七○六年美国波士顿城诞生了一位伟人富兰克林（Benjamin Franklin），也是我们耳熟能详的用风筝做实验的奇人，他用莱顿瓶做的第一个重要实验是发现了正电和负电。在一七五二年七月的某一天，費城下着倾盆大雨，富兰克林与儿子做了举世闻名的电风筝实验，证明了天上的电与与摩擦出来的电是一样的。隨后他发明了避雷针，让我们避免被雷电击中。（据说此后有多位科学家为了重复他的实验，都不幸被电死。）
看到这儿，也许你会觉好像和电沒有很直接的关系，不要急，慢慢来，现在要介紹的这个人，不论是在数学、工程、物理等方面都有很好的成就，只要读过中学的人一定听过他的名字，他就是库伦（Charles Augustus Coulomb）。一七八五年他用自己设计制造的灵敏扭秤，证实了同性电荷间的斥力与它们之间的距离具有平方反比关系，并把电荷间作用力的关系称为“库伦定律”。
两个男人的战争
前面提到的这些研究成果都属靜电领域，由于莱顿瓶不能稳定且长时间地供电，为了改善这种现象，伏打电池便应运而生，有趣的是，这一重大的科学发现，却是在一个偶然的事件中所引发的，且让我们来看看吧！
有一位意大利生理学家伽伐尼（Luigi Galvani） 从事解剖学的研究，有一天在偶然中发现，放在起电机旁的一只已解剖的青蛙，当用外科手术刀触及蛙脚上外露的神经时，蛙脚就剧烈地抽搐，他对这一现象十分惊讶，经过十年的研究，他认为这是一种由动物本身生理现象所产生的电，称为“动物电”。因此产生了一支新的科学── 电生理学的研究，同时也开始帶动电流的研究，促使电池的发明。
伽伐尼的发现，引起了一阵研究旋风和讨论，但有一位名叫伏打（Alessandro Volta）的物理学家却不认同他的观点，他在自己身上做了一个实验，他用舌头舔着一枚金币和一枚银币，然后用导线把硬币连接起来，就在连接的瞬间舌头有发麻的感覺。这个实验说明了，两种不同的金属接触时会产生电，于是伏打把这种电称为“接触电”，从而引起了“动物电”和“接触电”长达十年的争论，被称为“蛙腿论争”，最后因为伏打做了一个只用金属不用肌肉组织的实验，照样也能产生电流，使得“接触电”的观点占了上风。
后来伏打又制成了能产生持续电流的电源，并称它是“人造发电器”。这就是最早的电池，史称“伏打电堆”，也叫“伏打电池”。在伏打之前，人们只能应用摩擦发电机利用旋转来发电，再将电存放在莱顿瓶中以供使用，这种方式相当麻烦，所得的电量也受限制。伏打电池的发明改进了这些缺点，使得电的取得变得非常方便。
还记得文章最前面提到吉尔伯特发表电磁不相关的论点吧？真的是这样吗？
电与磁的亲密关系
一七七七年，一位名叫奧斯特（H.C. Oersted）的人，出生于一个药剂师家庭，后来到德国和法国游学时，在上天造万物必有其关系的哲学洗礼下，他坚信电现象和磁现象有着共同的根源。一八二○年，奧斯特主持一个电磁的讲座，当天晚上他正在讲课时突然灵感一来：“如果将通电导线与磁针平行排列，磁针会有怎样的反应？”结果小磁针会摆动，当改变电流方向时，发现小磁针会向相反方向偏转，此一现象说明了电流方向与磁针转动之间有某种关联，于是在一八二○年七月二十一日向科学界宣布了电流的磁效应。他证明了电与磁之间是有关系的，也揭开了电磁学的序幕。后来人们为了纪念他，就把磁场强度的單位以“奧斯特”命名。
于是包括安培（Andre Marie Ampere）在內的法国科学家们如梦方醒，才知道他们错误地信奉了吉尔伯特关于电、磁之间沒有关系的教条。在听到奧斯特的实验结果之后，这些科学家开始重复奧斯特的实验，并提出了磁针转动方向和电流方向的关系遵从右手定则，这个定则后来被命名为“安培定则”。此后，安培又做了许多实验，描述两电流元之间的相互作用和两电流元的大小、距离以及方向之间的关系。后来人们把这个定律称为”安培定律」。目前所用的电流强度單位──安培就是以他的名字来命名的。奧斯特和安培的研究工作，揭示了长期以来被认为性质截然不同的电现象和磁现象，二者之间的关联性，在很短的时间內，电磁学便进入了一个崭新的发展时期。
从最早吉尔伯特提出电与磁不相关的理论，一直到奧斯特证明它们之间的息息相关；电既然可以生磁，那就有人想，磁是否也能生电呢？这个问題首先被一个人提出同时也证明了，他就是伟大的科学家法拉第（Michael Faraday）。接下来就让我们来了解一下这个伟大的人物吧！法拉第，一七九一年出生在一个铁匠的家中，由于家境贫穷，他幼年并沒有受到完整的初等教育，在因缘际会之下进入了皇家学院实验室，法拉第的科学生涯也随之展开。
奧斯特的电磁效应论文发表后，法拉第的心中一直存着一个疑问，既然电与磁有密切联系，电能产生磁，那么它的逆效应”磁能产生电”吗？一八三一年的某一天，他在公园散步时突然想到，是否反过来利用磁的运动也可以产生电流，于是他急忙回到实验室进行试验，结果试验成功。把一块磁铁放入金属线圈中时，会使电流流入线圈，拿出磁铁时，电流则反方向流动。这一现象肯定了一个事实，电流不能无中生有，必需作功才能产生，于是他发现了电磁感应现象，这个现象的发现，奠定了日后电力工业发展的基础。
后来法拉第提出一种全新的概念和物理图像，”力线”及”场”，还提出了电磁波的臆测：电磁作用可以波的形式传播，而光可能是一种电磁波，这些猜测后来被麦克斯韦和赫兹所证实。后人对法拉第的评价极高，认为他是十九世纪最伟大的实验科学家。可見电磁波的概念最早是由法拉第所提出，此一概念造就了日后通讯的蓬勃发展。从电生磁一直到磁生电的实验都一个个得到了证明，但是这些看似独立的电磁现象，需要有人做个有系统地整理和综合，这个伟人就是麦克斯韦（James Clerk Maxwell）。
电磁理论大廈的整合
麦克斯韦是电磁学的集大成者，他总结法拉第等人的科学成果，建立了完整的电磁理论体系，在物理学的电磁领域上是一次伟大的整合。
麦克斯韦是十九世纪著名的理论物理学家，一八三一年十一月十三日出生于英格兰的愛丁堡，十九岁考进著名的剑桥大学三一学院。在这里麦克斯韦受到数学家霍普金斯和斯托克斯的悉心指导，打下了扎实的数学基础。
麦克斯韦在一八五四年自剑桥毕业后就开始了电磁学的研究，他详细研究了法拉第的著作，对法拉第的实验报告和笔记都十分熟悉。由于法拉第基本上是一位纯粹的实验物理学大师，不懂数学，无法用精确的数学语言表述他的物理思想，而数学恰好是麦克斯韦的专长，于是麦克斯韦选择用数学当作翻译的工具，来表达法拉第的物理思想。他细心研究了法拉第提出的”力线”概念，在一八五五年发表了第一篇论文《法拉第的力线》，这篇论文用严格的数学方式说明了法拉第的力线，受到当时即将退休的法拉第极大的鼓励。
一八六二年麦克斯韦又发表了第二篇电磁研究的论文《物理力线》，不但进一步论述了法拉第的思想，而且得出了新的结论：电场变化时，也会感应出磁场。这与法拉第的电感定律相辅相成，合称”电磁交感”。他并且运用数学上的向量分析方法，写下了著名的”麦克斯韦方程组”，不但完整且精确地描述了所有已知的电磁场现象，而且还有一些新的”预言”，其中最为重要的就是”电磁波”。日后只要是有关电磁学或电磁波的领域，一定会提到”麦克斯韦方程组”。足见他在这一方面的贡献，可惜英年早逝，享年仅48岁。
无线通讯的诞生
一八八七年，麦克斯韦逝世后八年，他所预言的电磁波被德国物理学家赫兹（Heinrich R. Hertz）证实。
赫兹是一位基督徒，生于一八五七年二月二十二日，父亲是犹太人。他在一八八六∼一八八八年间，做了一系列的实验，不但证明电磁波的存在，发现它与光有相同的速度，同时有反射、折射等现象，而且对电磁波的波长、频率做了定量的测定。此外，他也同时发展出电磁波发射、接收的方法，可以称得上是无线通讯的始祖。他一生对电磁波物理学的发展作出了不少重要的贡献，在当今的生活中，我们绝对离不开广播与电视，而广播与电视只是无线电波应用在日常生活中的诸多实例之一而已，后人为了纪念这位伟大的科学家，把频率单位命名为”赫兹”。说到这里，相信大家对整个电磁学的发展及电磁波帶来无线通讯的便利，所扮演的重要角色，有一个基本的概念了吧，每一个理论的发展历程都是彼此紧密相扣不可分割的，这些理论或实验的结果绝对不是凭空掉下来的，而是一群分布在世界各个角落默默努力付出的科学家，用其一生的精力与聪明才智，才能为世界帶来奇迹和光明，更帶给全人类一分对未来的希望。我们除了珍惜身边已拥有的一切，也更能深深体会”人因梦想而伟大”这句话的含义！
