第六回 探幽烛微 物理学家呕心沥血执因索果 电磁现象原形毕露

富兰克林用特制的风筝“捉天电”。利赫曼用自己制做好的“检雷器” 验电，被巨雷打死。伽伐尼通过蛙腿神经痉挛，发现了电位差。法拉第发现了电磁感应，完成了电和磁的统一。

且说上回书讲到 18 世纪末以英国为首的欧洲各国开展了工业革命，进而

蔓延到世界各地。从 19 世纪中叶到 20 世纪初，由工业革命带动，技术体系结构发生革命性变革，物理学的前沿一下子扩大了，电磁学体系就是在此期间完成的。下面我们就来叙述电学发展过程。

关于电和磁现象的系统研究开始于 18 世纪。毫无疑问，实验技术和理论研究方面的成就对此有一定的影响。但是最主要的原因还是当时社会生活的实际需要。尽管电学和磁学直接用于生产技术是 19 世纪中叶的事情，然而社会实践对于物理学科这一领域的发展，也是决定性的。

且说对“神秘”的电磁现象的全面探讨。

对于电和磁现象第一个系统地进行科学研究的是英国的吉尔伯特（1540

—1603）。

他的研究成果记载在 1600 年出版的《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》一书中。作为伽利略和培根的同代人，吉尔伯特跟他们一样，认为科学应建立在实验的基础上。

吉尔伯特对电和磁现象进行了实验研究并确定一些重要事实，他确立：

1. 只有磁性物体（磁铁矿、铁和钢）才具有磁的引力或斥力。

2. 磁体恒有南、北两极，而同名极相斥，异名极相吸。把一个磁体锯断时，不可能得到只有一个磁极的磁体。

3. 铁制物品在磁体的影响下也会磁化。

他在解释磁性罗盘的作用时，断定地球本身也是一个大磁体，它的磁极与地球上两极不重合。他还解释了磁倾角。

吉尔伯特对电现象也进行了研究。他从琥珀经摩擦后会吸引轻小物体的现象中受到启发，有意识地收集了金刚石、蓝宝石、水晶、硫磺等物质，经过摩擦后，发现它们都具有吸引轻小物质的能力，吉尔伯特把这种作用和磁作用加以区别，引入了“电的”作用。

他通过实验认识到电现象也是物质存在的一种普遍现象，从而破除了人们对电的迷信。他把电与磁作比较，发现了它们所具有的不同性质：

第一，自然界中只有磁体才有磁性，它是磁体本身具有的一种性质，而电是可以通过摩擦等手段产生的。

第二，磁性有两种：吸引和排斥；而电性仅仅有吸引作用。磁石只对可磁化的物质才有力的作用，而带电体可吸引任何轻小物体。

第三，电吸引比磁吸引弱。

第四，磁体间的作用不受中间的纸片、亚麻布等物体的影响，而带电体之间的作用要受中间这些纸或布的影响。当带电体浸在水中时，电力的作用就消失，而磁体的磁力不会消失。

吉尔伯特还制作了第一个实验用的验电器，他用一根极细的金属棒，中心固定在支座上，可以自由转动。由于金属细棒极轻，因此当摩擦后的带电物体靠近它时，金属棒会被吸引而转向带电体，由此可探测物体是否带电。

吉尔伯特着重强调电与磁本质上的不同，给整个电磁学的历史留下了深刻的痕迹。在很长一段时间内，人们都认为电与磁是相互无关的两种现象， 分别进行研究。后面我们将介绍直到法拉第和安培才找到了它们之间本质的联系。

吉尔伯特之后，电和磁现象方面的工作很少有进展，在此期间有葛立克利用他自己制成的一个起电球发现轻微物体不仅为带电体所吸引，而且也可以被它们排斥，从而纠正了吉尔伯特的看法。

从 18 世纪开始，电和磁的研究迅速发展起来了。英国科学家格雷（1670

—1736）在 1729 年研究了导电现象。

他注意到受过摩擦的玻璃管，可以把它的电力传递给其他物体。这一发现使人们知道除去摩擦之外，还有其他可以使物体带电的方法。格雷还发现不是所有的物体都具有这种性质，于是他把物体分为两类：导体和非导体。接着，法国科学家杜费（1698—1739）在 18 世纪 30 年代初发现存在两

种电，他称为“玻璃电”和“树脂电”。随后，在电现象研究中，有着重要影响的有：莱顿瓶的发明、大气电现象的研究。到 18 世纪中叶，在物理学家面前出现了电本性问题。

莱顿瓶的发明是电学发展中十分重要的一步。它是由荷兰物理学家马森布洛克（1692—1761）在 1745 年发明的。因马森布洛克是荷兰莱顿人，故这种发明称莱顿瓶。

在那时候常会出现这种现象：好不容易取得的电往往在空气中逐渐消失。因此，人们试图找一种保存电的方法。

马森布洛克想能否使电藏在装水的瓶中呢？他将一根铁棒用两根丝线悬挂在空中，用起电机与铁棒相连，再用一根铜线从铁棒引出，浸在一个盛有水的玻璃瓶中，然后开始实验。

他叫一助手一手握住玻璃瓶，马森布洛克在旁使劲摇动起电机。这时， 他的助手不小心另一只手碰到铁棒，猛然感到一阵强烈的打击，全身颤抖了一下，不禁喊叫起来。

马森布洛克注意到这种情况后，与助手交换了一下位置，让助手摇起电机，他自己用右手托住水瓶子，用另一只手去碰铁棒，这时他的手臂与身体也产生了一种恐怖感，“像受到一次雷击那样”。

他由此得出结论，把带电体放在玻璃瓶内可以使电保存下来。但是他搞不清楚保持电荷作用的是瓶子还是水。

不久，马森布洛克对莱顿瓶进行了改进，把玻璃瓶的内壁与外壁都用金属箔贴上，在莱顿瓶顶盖上插一根金属棒，它的上端连接一个金属球，下端通过金属链与内壁相连。

实际上莱顿瓶是一个普通的电容器。若把它的外壁接地，而金属球连接到电荷源上，则在莱顿瓶的内壁和外壁之间会积聚起相当多的电荷，当莱顿瓶放电时可以通过相当大的瞬间电流。

莱顿瓶的发明，为科学界提供了一种贮存电的方法，为进一步研究电学提供了依据，对电知识的发展起了重要作用。

莱顿瓶发明以后，英国的物理学家考林森邮寄了一只莱顿瓶给美国费城的物理学家富兰克林（1706—1790），并在信中向他介绍了使用方法。这样莱顿瓶很快传播到了北美。

富兰克林对此极有兴趣，并且他利用莱顿瓶作了一系列实验，对莱顿瓶

的功效进行了深入的分析。

富兰克林用莱顿瓶做的第一个重要实验是发现了正电和负电，以及电荷守恒定律。

他让两人分别站在绝缘的箱子上，第一个人摩擦一支玻璃棒，然后让第二人用肘部接触这根玻璃棒；并让两人分别与站在地上的第三人相互接触。结果发现第一、第三人，第二、第三人之间都有火花。这说明第一、第二人都带电。

他又做了这个实验，先让第一、第二人摩擦带电，相互接触，再让第三人分别接触，结果都没有火花。这说明第一、第二人接触后都不带电。

富兰克林解释了这一现象，他提出了单元电液理论，即平衡时电液以一定的比例存在于物质中。

在上面实验中，摩擦的作用使得第一人身上的某些电液转移到玻璃棒上，第二人与玻璃棒摩擦后又转移到第二人身上。因此第一人缺少的电液， 正是第二人多余的电液；第一、二人接触后，又使多余电液回到第一人身上， 从而使第一、第二人都带有正常数量的电液，即不多也不少，故不显电性。

在此基础上，富兰克林提出了正电和负电的概念，认为缺少电液就带负电，用“－”号表示；多余电液就带正电，用“＋”号表示。而且正、负电荷可以相互抵消。

富兰克林认为摩擦之所以带电，只是使电液从一个物体转移到另一个物体上。“电不因摩擦而生，只是从摩擦者转移到玻璃棒，摩擦者失去的电与玻璃棒得到的电完全相同”。这就是电荷守恒定律。

富兰克林又做了另一项重大实验，证明了雷电与摩擦电本质是一致的， 破除了人们对雷电的迷信。

长期以来，由于雷电的破坏性太大，人们都有一种恐惧心理。再因为当时技术知识落后，无法解释这一现象。宗教为愚弄人们，借机说“雷电”是“上帝之火”，是天神发怒的结果。

富兰克林不信这种说法，他一直在思考雷电与摩擦起电是否一致，如果不同又有什么区别。

有一天他加大容量，将几只莱顿瓶连起来做实验。当实验正在进行时， 他的夫人丽达进来观看，一不小心碰倒了莱顿瓶，突然闪过一团电火，随着一声轰响，丽达被电击倒在地，不省人事，经抢救才脱险。

这件事给富兰克林留下了深刻的印象，唤起了他的联想，尤其是那伴随轰鸣声的电火，也是电光闪闪，轰声隆隆。因此他觉得有必要将雷电捉下来研究。

他在 1752 年 7 月的一个雷雨天作了一个实验，企图把天电捉下来看看。实验时富兰克林用绸子作了一个大风筝，风筝顶上安上一根尖细的铁

丝，用它来捉天电，并用绳子与这铁丝连起来，麻绳的末端拴一根铜钥匙， 钥匙塞在莱顿瓶中间。

他和他的儿子一起将风筝放到天空中，这时一阵雷打下来，富兰克林顿时感到一阵麻木，于是他赶紧用丝绸把绳子包起来，继续捉天电。当他用另一支手去靠近钥匙时，蓝白色的火花向他手上击来，天电终于捉下来了。

富兰克林用这种方法使莱顿瓶充电，发现这种天电同样可以点燃酒精灯，也可以用做充电机产生的电来做许多电的实验，从而证明天电和地电是一回事。

富兰克林的实验有很大的危险性，雷电的伤害性时有发生，富兰克林为了实验而把生命置之度外的精神是值得学习的。他所以未出事故，也是一种侥幸。

当富兰克林的实验传到俄国后，俄国科学院院士利赫曼教授和他的学生罗蒙诺索夫也研究了这个实验，并对雷电现象作了大量的研究。他们自己设计了一个“检雷器”，想断定云中是否有电。

1753 年夏天，利赫曼正在实验室作实验，突然电闪雷鸣，下起了雷雨。他便匆匆赶回家，准备观察“检雷器”的仪器指针有什么变化，不料一个巨雷打来，击倒了利赫曼，待其他人赶到，利赫曼已贡献了自己的生命。从这里可以看出，人类在攀登科学高峰时，需付出艰辛的劳动，甚至生命。

弄清了雷电的本质后，富兰克林提出了用避雷针来保护建筑的建议，即在屋顶上安装尖端铁丝，通往地下。1754 年首先在普兰梯兹城安装了避雷针。

有人问，尖端为何能削弱雷电？富兰克林回答：雷电酷似静电放电，如它的颜色、扭扭曲曲的放电路径、声音、危害性等。因此用一个矗立的尖端能吸引雷电到地上。

避雷针的发明是电学史上第一个实际应用，至今我们还在利用。

到了 18 世纪，人们已在静电学和静磁学的领域中，确立了一系列基本概念，确立了一些个别规律，也形成了关于电现象和磁现象的一些学说。但电学和磁学仍是相互独立的学科，本身没有大的进展。从 1780 年伽伐尼发现生物电开始，人们更深一步研究电学和磁学，并把它们统一为一体，开辟了电磁学新领域。

从很早的时候，人们就知道水生动物有引起电震的能力。在莱顿瓶发明以后，人们开始考虑莱顿瓶放电生理效应与动物引起电震的相似性。

在对动物电有兴趣的人中，有一位意大利动物学家和医生伽伐尼（1737

—1798），他在偶然的机会发现了一种动物电，后人称为“伽伐尼电流”： 有一次，他妻子身体不好，要吃蛙腿肉。伽伐尼亲自去宰青蛙，当他把

青蛙剥了皮后，就把青蛙放在靠近起电机的桌子上，然后离开了房间。他妻子偶然拿起外科用的手术刀，刀尖碰到了蛙腿外露的小腿神经，结果打出了电火花，蛙腿激烈地痉挛起来。

她把此事告诉了丈夫，伽伐尼觉得有意思，自己也做了这个实验，结果看到同样的现象。出于对科学的责任感，伽伐尼决定探索其原因。他选择了不同的条件、不同的时间重复这个实验。

开始时，伽伐尼用铜丝与铁窗连着，在晴雨天做实验，青蛙腿都发生痉挛。接着，他只用铜丝去接触蛙腿，结果不发生痉挛。

后来他找了一间封闭的房间，将青蛙放在铁板上，用铜丝去触它，结果一样，蛙腿发生了痉挛。这样就排除了外来电的可能。

以后，他又用其他动物做这个实验，用玻璃、橡胶、松香、石头等代替金属本身，结果都不发生这样的现象。他根据以上情况总结这个电是动物本身所有的，只要用一种以上的不同金属与之接触，电就能激发出来。

伽伐尼的青蛙实验在学术界引起了很大反响，尤其是“动物电”的观点， 得到了很多人的支持。因为人们知道海洋中有许多带电的鱼，如电鳗、电鯆等，除青蛙以外，还有其他动物体内也贮存“动物电”。

也有一些科学家不赞成这种说法，意大利的物理学家伏打（1745—1827）

就是其中的一位。他打算深入地研究这个问题，又做了伽伐尼实验。

他推算一下，如果不是“动物电”，用其他已知电通过青蛙的肌肉，会有什么反应呢？结果发现，像伽伐尼所做的实验，青蛙的肌肉也会发生抽搐。由此他得出结论，青蛙的神经反应是被动的，它像“仪器”一样，记录了电荷的通过，不存在什么“动物电”。

在伽伐尼实验中看到的电荷现象，电来自于何处？他研究这种实验，以及两种不同金属接触情况。伏打猜想，可能是两种不同金属接触时产生的电。

伏打认为，每种金属都含有电液，当金属不带电时，电液处于平衡状态， 并不显示电的存在。如果把两种不同的金属连接起来，金属内的电平衡被打破，电液移动，从一种金属移到另一种金属，在这种情况下，两种金属都带电了，一正一负。

从 1792 年起，伏打花了 3 年时间，用各种不同金属搭成一对一对的，做了许多实验，在实验中他把金属排成一列：锌、锡、铅、铜、银、金⋯⋯等， 他发现按这个序列，将前面的金属和后一个金属连接起来，前者带正电，后者带负电。伏打就这样发现了“接触电位差”，这是伏打引进的新概念。

但是利用上面发现的不同金属材料之间的接触电位差，不能解释伽伐尼的青蛙实验。因为用不同的金属材料制成的导线连成闭合电路，在这些金属之间也会产生电位差，但并不形成恒定的电荷流。

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实验时取铜和锌各一根，并把它们的一端连接起来。此时铜带正电，锌带负电；如果再把它们另一端也连接起来，则铜的第二个端点也带正电，锌导线的第二个端点也带负电（见上图）。因而在这个回路中不会得到恒定的电荷流。

伏打进一步分析了伽伐尼实验，指出，不仅两种金属接触时会产生电流效应，而且金属浸在液体中时，也会有同样的效应。

1795 年伏打还把导体分为两类：一类是金属和其他固体（如石墨）；另一类是导电液和纤维物。这样就可以解释伽伐尼实验。

他解释说：由两种不同金属的接触，使其中电的平衡遭到破坏；又因为金属通过青蛙肌肉连接在一起，使电的平衡得以恢复。这样电的平衡不断破坏，又不断地恢复，这种情况下电始终在运动。

从现在观点看，伏打对伽伐尼实验的这种解释是错误的，但这种情况也促使伏打产生了发明直流电源的想法。

开始时伏打用几只碗盛了盐水，把几对黄铜与锌做成的电极连结起来， 发现会有电流产生，这样伏打于 1800 年制成了“伏打电堆”。

电堆是由数十个银与锌的圆板相互迭加而成，在这些圆板之间放上一张浸液片，这样就成了一个电堆，它能产生相当多的电荷。

伏打不仅用这个电堆产生了同莱顿瓶一样的电，而且还具有明显的反复产生的性能。把电堆两端用金属导线连结起来就可以获得持续的电流。

如果用手指接触上下两端，就感到强烈的电击。这种作用与莱顿瓶相似， 但不像莱顿瓶一次放完电。

伏打把“伏打电堆”叫做电池组。他又把接在电池组两端的金属丝触及皮肤的两个地方，他亲自实验，一动不动地忍受着。在接触的瞬间，他感到电击，不一会儿他觉得金属接触之处疼得厉害。

在回路闭合期间，这种疼痛一直继续着，断开时就消失了。伏打从这种

实验中得出结论：电池组的作用能使电流体持续不断地循环流动，直到断开回路。

伏打电池组的发明，使人们第一次可以获得稳定而持续的电流，这为科学家们从研究静电现象跃到动电现象提供了技术基础。

有了电池组，不仅使人们进一步对电池组产生电荷现象的原因进行了研究，而且使人们在电化学、化学电源等方面的研究更进一步。更重要的是使人们对有了电流以后有什么新现象，电流对人类有何新用途等问题进行了广泛的研究。

伏打是电学的奠基人，他发现了电位实验定律，对电流的回路进行了正确的描述，这无疑为电磁学研究的高潮到来创造了条件。

1801 年伏打到巴黎进行学术访问，法国皇帝拿破仑一世召见了他，并且亲自观看了伏打的实验表演。拿破仑看到了伏打电池对科学与社会的潜在影响，认为化学电源“是通向伟大发现的道路”。

拿破仑还提议设立“伽伐尼电”奖金，每年奖给一位做出巨大贡献的电学家。为了纪念伏打的贡献，以他的名字命名了电源的电动势和电路中电势差的单位，即伏特。

1800 年 3 月 20 日，伏打把伏打电堆的发现告知皇家学会，该学会会刊马上登载了伏打的报告。尼科尔森（1753—1815）从皇家学会主席班克斯那里获悉这个消息后，立即和朋友卡莱尔（1768—1840）一起着手实验，他们于 4 月 30 日在英国成功地组装了最早的电池组。

他们还在 5 月 2 日发现了电解这一重大成果。

这个发现源于下述事实：他们为了使金属丝和极板良好接触，便在接点处滴上一滴水，结果产生了小气泡。

他们由此想到，把浸在电池组两端的金属丝浸在装满水的管里，结果从一个金属丝处产生可燃气体，而另一个金属丝被氧化。如果使用铂丝，则不是氧化，而产生氧气泡，可燃气体为氢气。同一年，李特利利用电池组成功地使水分解。

电解的发现使人们对电具有的能力抱有更大的希望。电池组可以使电流持续不断地流动，人们以为这显示电的异常能力，电池具有无限的能力。

有人期待，用它可以造出永动机。可是，不久人们便了解到，电池使电流持续流动时，本身也受到操作，能力显著减低。最后人们也弄清楚了，电流流动时，在电池内的溶液发生电解，由于生成的离子附在电极的周围，在电极处产生了相反的电势差，从而使电动势显著下降。

人们为了防止电解极化，开始努力排除电池作用的变化。物理学家丹聂有（1790—1845）于 1836 年首次制成了稳定的电池。

其后，许多人在早期电池改进方面做出了贡献。1859 年，普朗忒（1834

—1899）发明了反过来利用极化而能够反复充电多次使用的蓄电池。

自古以来，人们就注意到电现象和磁现象的类似。而且库仑在电磁学研究中也指出：电力和磁力都遵守反平方定律，这使人们想到，这两者之间存在着某种联系。

电池的发明，更使人们想知道这种联系。有人猜想电与磁之间存在化学现象，也做了大量的实验。到 1805 年，一些人不间断地做同样的实验，结果没有看到预期的现象，从此物理学家不再关心这个问题了。

在上述早期实验中，1802 年意大利法律学家、哲学家罗马诺西所做的实

验接近电磁现象的边缘，引起了人们的注意。因为罗马诺西在寻找电池组对磁针的影响时，无意识地观察到磁针和电流的磁作用。

但是，人们在寻求电池组的两极和磁铁两极之间的类似性时，仅仅预料到电池组和磁铁之间存在着静力作用。罗马诺西没有意识到自己所观察到的事实的意义，也不打算进一步深入研究它。

罗马诺西电流磁作用的发现就这样半途而废了。经过近 20 年以后，由奥

斯特（1777—1841）于 1820 年初完成了这一发现。

奥斯特是丹麦物理学家、化学家。奥斯特在物理学和化学等方面都有重大发现，特别是在电学实验和研究中，有突破性的重大发现：电流的磁效应。

长期以来，磁现象与电现象是被分别研究的，特别是吉尔伯特对磁现象和电现象进行深入分析对比后断言电与磁是两种截然不同的现象，没有一致性。

以后，许多科学家也断言电与磁没有什么联系。连伟大的物理学家库仑也认为：电与磁是两种不同的实体，它们不可能相互作用或转化。

电与磁是否有一定的联系的疑问还存在于一些科学家头脑中，包括丹麦物理学家奥斯特。奥斯特坚信客观世界的各种力具有统一性，并开始对电、磁的统一性进行了研究。

1751 年富兰克林用莱顿瓶放电的办法使钢针磁化，对奥斯特启发很大， 他认为电转化为磁是完全有可能的，问题是如何来实现。电与磁转化的条件才是关键。

开始时，奥斯特根据电流通过直径较小的导线会发热的现象推测：如果通电导线的直径进一步缩小，那么导线就会发光，如果直径缩小到一定程度， 就会产生磁效应。

奥斯特按照这种方法实验并未发现电向磁转化现象。他并没有灰心，仍在不断实验，不断思索。他分析以上实验都是在电流方向上寻找电流的磁效应，结果都不行，是否是电流对磁体的作用根本不是纵向的，而是一种横向的力，于是奥斯特继续探索。

1820 年 4 月的一天晚上，奥斯特正在讲课，突然来了“灵感”，在讲课结束时说：“让我把通电导线与磁针平行放置来试试看。”于是他在一个小伽伐尼电池的两极之间接上一根很细的铂丝，在铂丝正下方放置一枚磁针， 然后接通电源，小磁针微微地跳动，转到与铂丝垂直的方向。小磁针的摆动， 对听课的听众来说并没什么。但对奥斯特来说实在太重要了。多年盼望出现的现象，终于出现了。他又改变电流方向，发现小磁针向相反方向偏转，说明电流方向与磁针转动之间有着某种联系。

奥斯特为了弄清楚电流对磁针的作用，于 1820 年，花了几个月时间，做

了 60 多个实验。他把磁针分别放在导线的上方、下方，考察了电流对磁针作用的方向；把磁针放在距导线不同的距离，考察了电流对磁针作用的强弱； 把玻璃、金属、木头、石头、松脂等放在磁针和导线之间，考察电流对磁针的影响；

1820 年 7 月 21 日他发表了题为《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文，

这篇论文仅用 4 页纸，简洁地报告了他的实验，向科学界宣布了电流的磁效应。

奥斯特当时把电流对磁体的作用称为“电流磁撞”，他总结出了两个特点：一是电流碰撞存在于载流导线的周围；二是电流碰撞沿着螺纹方向垂直

于导线的螺纹线传播。

1820 年 7 月 21 日作为一个划时代的日子载入史册，它揭开了电磁学的序幕，标志着电磁学时代的到来。

奥斯特的发现轰动了整个欧洲，对法国学术界震动很大。法国物理学家阿拉果听到了奥斯特发现电流磁效应的消息，感到这一成果的重要性，立即于 1820 年 9 月初从瑞士赶回法国。

阿拉果回国后即向法国科学院报告了奥斯特的这一发现，他详细地向其他学者们描述了电流磁效应的实验。阿拉果的报告，在法国科学家中引起了很大反响。

当时，法国物理学家安培（1775—1836）对此作出了异乎寻常的反应。他于第二天就重复了奥斯特实验，并加以发展。在同一周内他向法国科学院报告了第一篇论文，阐述了他重复做的电流对磁针的实验，并提出了圆形电流产生磁性的可能性。

安培在他做的实验中发现磁针转动方向与电流方向的关系服从右手定则，即是后人称呼的“安培右手定则”。

安培在此基础上又发展了实验内容，研究了电流对电流的作用，这比奥斯特实验大大前进了一步。

8 月 25 日他又向科学院递交了第二篇论文，阐述了他用实验证明了两平行载流导线：当电流方向相同时互相吸引，当电流方向相反时互相排斥。

安培又用各种形状的曲线载流导线实验，研究了它们之间的相互作用， 并于 10 月 9 日递交了第三篇论文。

之后安培又花了两三个月时间集中力量研究电流之间的相互作用。安培用精巧的实验和丰富的数学知识结合起来，做了 4 个实验：

第一个实验，安培用一无定向秤检验对折通电导线有没有作用力，结果是否定的，从而证明当电流反向时，它产生的作用也相反。

第二个实验，安培仍用一无定向秤检验一对折通电导线，只是这时对折导线另一端绕成螺旋线，结果也是否定的。从而证明，电流元具有矢量作用， 即许多电流元的合作用等于单个电流元所产生的作用的矢量和。

第三个实验，安培设计了一个装置，用一端定于圆心的绝缘柄固连一圆弧形导体，再将圆弧形导体架在两个通电的水银槽上，然后用各种通电线圈对它作用，结果却不能使圆弧形导体沿其电流方向运动。从而证明，作用在电流元上的力是与它垂直的。

第四个实验，安培用 A、B、C 三个相同的线圈，这三个线圈的长度之比与三线圈间距之比一致，通电后发现：A、C 线圈对 B 线圈的合作用为零。从而证明，各电流强度和相互作用距离增加同样倍数时，作用力不变。

安培在实验的基础上，总结得出了两电流元之间的作用力与距离平方成反比的公式，这就是安培定律。安培于同年 12 月 4 日法国科学院报告了这个极其重要的成果。

为了解释奥斯特效应，安培把磁的本质简化为电流，认为磁体有一种绕磁轴旋进的电流，磁体中的电流与导体中的电流相互作用便导致了磁体的转动。

安培认为，闭合回路具有和磁铁一样的行为，反过来说，磁铁的各种性质就是闭合电流的效应。

安培还想到，在磁铁的所有部分都存在着球形电流。安培把磁铁视为内

部具有微小圆电流的分子的集合，他的分子电流说诞生了。

1827 年安培发表了《电动力学现象的理论》，认为在磁性物质中，电流沿着磁轴方向规律地排列，从而显现一种绕磁轴旋转的电流，如同螺线管电流一样。

后来法国数学家拉普拉斯（1749—1827）用绝妙的数学分析，把实验结果提高到理论高度，给出了电流元所产生的磁场强度公式，阐明电流元在空间某点所产生的磁场强度的大小正比于电流元的大小，反比于电流元到该点距离的平方，磁场强度的方向按右手螺旋法则确定，垂直于电流元到场点的距离。

奥斯特的发现揭示了长期以来认为性质不同的电现象和磁现象之间的联系，电磁学进入了一个崭新发展时期。为了纪念这位科学家，人们从 1934 年起用“奥斯特”的名字命名磁场强度的单位。

从 1820 年 7 月奥斯特发表电磁效应到 12 月安培提出安培定律，仅经历

了 4 个多月时间，电磁学产生了飞跃，开创了电动力学理论。

奥斯特的重要发现是电流的磁化作用。1820 年秋，英国的发明家阿拉哥和戴维各自独立地发现了这一现象。在德国，物理学家施魏格乐（1779— 1857）和波根多夫也在这一年利用奥斯特的发现分别制成了检流计。

检流计的构造是这样的：把小磁针放在几层导线绕成的环的中心上。后来在相当长时间内被称为倍增器。

再说，戴维是英国的著名化学家，他对物理学也有重要贡献。

戴维的重要贡献是发明了弧光灯、矿灯等。1809 年，戴维在进行电学实验时，发现了电弧的强烈光芒，经过反复实验制成了弧光灯，这是历史上最早利用电光源。

他对白炽灯的研究也作过很大努力，实验时他发现电流通过白金丝时会发出微弱的光，这为后来爱迪生和斯万（1828—1914）发明白炽灯，提供了实验依据。

1815 年戴维受一位煤矿主的请求，开始研究安全灯。他发现，用金属网把灯罩起来，罩内的火焰便不会烧到外面，因此可以避免瓦斯爆炸。

根据以上观察，戴维发明了矿井使用的安全灯，并在皇家学会上发表了论文。同年，史蒂芬森也发明了安全灯，他们曾在安全灯发明权上进行激烈的争论。

1817 年以皇家学会为名的调查组经过调查宣布戴维是安全灯的发明者。事实上，史蒂芬森发明的时间要早些，只不过戴维的名望大些而已。

戴维的另一功劳是发现了法拉第（后面将作介绍）这个伟大物理学家。1817 年，在圣诞节前夕法拉第曾写信给戴维。1813 年 1 月戴维接见了出

身低微的法拉第，并把他安排在自己手下工作。因为戴维出身也贫苦，1789 年以前曾在一家药店当药剂师的徒弟。

法拉第在戴维的培养下，迅速成长为著名的物理学家。后来戴维忌妒法拉第的成就，两人矛盾日益尖锐。1824 年法拉第被选为皇家学会会员时，作为会长的戴维却投了反对票。

在奥斯特的电磁效应论文发表后，欧洲的科学家产生了极大的兴趣，他们投入了大量的人力、物力对电磁现象进行研究。他们想，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？

科学家们进行了长期的这方面的实验探索。从 1820 年到 1831 年的 10

多年时间内，许多科学家，如欧姆、安培、菲涅耳、阿拉果等都投身于探求磁与电的关系中。

他们用各种很强的磁场试图产生电流，均无结果。其根源是他们抱着稳态条件，没有考虑动态效应，结果 10 年研究进展不大。

在此期间，法拉第在他老师戴维的推荐下，也开始了电磁学方面的研究， 取得了丰硕成果，并于 1831 年发现了电磁感应，开创了电磁学新里程。

法拉第（1791—1867）是英国物理学家、化学家。1791 年 9 月 22 日生于伦敦的一个贫苦铁匠家庭。由于生活困难，法拉第没有机会进入学校接受正规教育，仅仅读了两年半小学。也许这正是他成功的依据，法拉第的知识是完全靠自学的。

法拉第对电学和化学实验有较深的研究。1810 年，法拉第听了科学家塔特林的自然科学讲座，并在美术家玛斯克力那里学会了制图。

1812 年，法拉第开始听戴维的化学讲座，并自荐到皇家学会工作。戴维

是学会会长，很赏识法拉第，并于 1813 年 3 月接收他为自己的助手。

1812 年 10 月，法拉第到欧洲各国讲学和参观，使法拉第得到了很好的学习机会，并且结识了安培、吕萨克等人。1815 年 4 月回国后，才致力于电磁学研究，取得了一系列重要成果。

1821 年他提出了“用磁生电”的设想，同年担任了皇家学院实验室总监。法拉第的研究成果层出不穷，引起了戴维的嫉妒之心，以至反对法拉第加入皇家学会。

但在 1824 年的选举中，法拉第还是被除了戴维以外的全体皇家学会会员投票通过，加入皇家学会。1825 年法拉第接替了戴维的职务，担任了皇家学会实验室主任。

以后法拉第把全部精力转向电磁学的研究。他仔细分析了电流的磁效应等现象，认为电流与磁的作用应分几个方面：电流对磁、电流对电流、磁对电流等。

当时已发现了电流产生磁作用，电流对电流的作用。反过来，磁也应该能产生电。法拉第认为既然磁铁可以使近旁的铁块感应带磁，静电荷可以使近旁的导体感应出电荷，那么电流也应该在近旁的线圈中感应出电流。

开始时法拉第也简单地认为用强磁铁靠近导线，导线中会产生稳定电流，或者在一根导线里通以强大的电流，那么邻近的导线中也会产生稳定的电流。

法拉第就这样反复实验磁能转化为电、电流产生电流。1831 年他又做磁产生电流这一实验时，终于取得了实质性的进展。

1831 年 8 月 29 日法拉第发现了电磁感应的第一个效应，即以一个电流产生另一个电流。实验如下：

1. 用软铁作材料制成 7/8 英寸粗的圆铁棒，将它弯成一个外径为 6 英寸的圆环。在圆环的半边，用三股纱包铜线缠绕，每股 24 英寸长，每绕一股后用白布包裹隔开。使用时，既可以将三股铜线连成一股，也可分成三股单独使用。然后检查各股铜线相互间是否绝缘。我们称铁环的这半边为 A， 与这一边隔开一段空隙的另一边用铜线绕两股线圈，总长为 60 英寸，绕向与A 边线圈相同，我们称铁环另一边为 B。

2. 用由 10 对 4 英寸见方的金属片组成电池供电。用一根较长的铜导线将 B 边线圈的两端连接起来，铜线的一段置于离铁环 3 英尺远处的一个小

磁针的上方。将电池与 A 边线圈中的一股接通；接通时，小磁针立即产生了明显的效应。小磁针来回摆，最终稳定在原来的位置上。当切断 A 边与电池的连接时，小磁针又来回摆动。

1. 若将A 边上三股铜线接成一单股线圈，然后让来自电池的电流通过总的线圈，这时小磁针产生的效应比上述情况强得多。

2. 将简单的 B 边线圈改装一下，作成一个扁平的线框，线框沿磁子午线平面放在小磁针 S 极的西边，当有电流通过时，便显示最好的效应。实验时，线框与小磁针距铁环约 4 英尺，铁环与电池相距 1 英尺。

3. 当上述准备就绪后，将电池与 A 边线圈的两边接通，在接通的瞬间，线框强烈吸引小磁针，在几次振动之后便又回到它原来的自然位置；接着当切断电池的连线时，小磁针被强烈地排斥，几次振动后，又回到与前相同的位置，处于静止状态。

4. 开始接通电池时，小磁针的方向指向线框，好像 B 边线圈是 A 边线圈的一部分，即两者中的电流方向具有相同的方向；而当切断电池的连线时， 由小磁针的运动方向判断此瞬间 A、B 边的电流方向相反。

这是法拉第第一次成功地观察到电磁感应现象的生动记录。从法拉第的实验记载中可以看到，电磁感应现象（即由磁产生电）的发现是应该的，意外的是电磁感应竟是一种短暂效应。

在此之前奥斯特发现的电流磁效应是一种稳定效应，以此类推，电磁效应也应该是一种稳定效应。在实验中他发现电磁效应是短暂效应，他在实验记载中特别强调这一点。

法拉第做了圆环实验后，提出了两个很重要的问题：一是圆铁环能否不要，没有它能否仍有感应现象？二是不用 A 边线圈，若用磁铁相对于 B 边线圈运动，B 边线圈内是否会有感应效应产生？

针对这些问题，法拉第又做了许多实验。1831 年 9 月 24 日，法拉第在两条磁棒的 N、S 极中间放上一绕有线圈的圆铁棒，线圈与一电流计连接。他发现当圆铁棒脱离或接近两极的瞬间，电流计的指针就会偏转。

10 月 17 日法拉第又发现了另一种形式的电磁感应现象。他用一线圈与电流计相连接，然后将一永久磁铁迅速插入与拔出线圈，发现电流计指针也会偏转。

10 月 28 日法拉第进行了最早的发电机实验。通过实验，他发明了人类历史上第一台发电机——直流发电机。

法拉第在 1831 年前前后后一共做了几十个实验，最终认识到感应现象的暂时性，提出只有在变化时，静止导线中电流才能在另一根静止导线中感应出电流。而导线中的稳恒电流不可能在另一根静止导线中感应出电流。

1831 年 11 月 24 日，法拉第向英国皇家学会写了一篇论文，报告了整个实验情况，他把产生感应电流的情形概括为五种情况：一是变化的电流；二是变化的磁场；三是运动的稳恒电流；四是运动的磁铁；五是在磁场中运动的导体。

他在论文中正确地指出感应电流与原电流的变化有关，而与原电流本身无关。法拉第把上述现象正式命名为“电磁感应”。法拉第虽然发现了电磁感应现象，但电磁现象的规律，直到 1851 年才最后建立。

当时在电磁现象上作出贡献的不只是法拉第一人，在其他国家也有人在进行这方面的研究。瑞士的物理学家科拉顿曾企图用磁铁在线圈中获得电

流。

实验时他用一个线圈与一检流计连成一闭合回路，为了使磁铁不影响检流计中的小磁针，他把检流计放在隔壁房间。他把磁铁棒在线圈中不断插入或拔出，检流计的小指针都没能移动，他的实验没有结果。

美国的物理学家亨利（1797—1878）在 1827 年也进行了电磁感应的实验。他用纱包铜线在一铁芯上绕了两层，然后在铜线中通电，发现铁芯上仅3 公斤的铁片能吸引 300 公斤的物质。

亨利以此为起点，终于发现了自感现象，他把这一发现记在《螺旋状长导线内的电气自感》一文中。从书上看，亨利先于法拉第发现了电磁感应， 因他没能公开发表这一结果，使他十分后悔。

1832 年，俄国物理学家楞次（1804—1865）受法拉第的启发，也开始研究电磁学，并取得了成果。

1833 年楞次发表了《论动电感应引起的电流方向》，宣布了电磁感应现象的基本规律，指出感应电流的方向是使它所产生的磁场与引起感应的原磁场的变化方向相反，这就是楞次定律。

由此可见，在法拉第同代，不少物理学家对电磁现象花了较多时间研究， 也有成功的。但就其规模、时间及深度都不及法拉第。

电磁感应规律的发现，对人类有着重大贡献。正因为有电磁感应作指导， 才能在后来发明发电机、电动机和变压器等。今天，我们走入电气时代，与电磁感应的发现是不可分的。

早在 19 世纪 20 年代，英国的物理学家赫谢尔（1738—1822）就曾发现， 一些自然晶体具有使偏振光的偏振面发生旋转的现象。赫谢尔的发现引起了法拉第的极大兴趣，他决心找出电力与偏振光的关系。

多次实验都失败了，直到 1845 年他还在研究这个实验，同年 9 月他终于成功地观察到磁使偏振光旋转的现象。

他的实验是这样安排的：先用一对磁极夹住一根玻璃棒的两端，然后让一束偏振光沿磁力线的方向通过玻璃棒，他通过检偏器发现从玻璃棒出来的偏振面，的确与这束光刚入射时的偏振面形成一定夹角。

法拉第还考查了既然磁是电流的一种效应，磁能使偏振光旋转，电流也应能使偏振光旋转。通过实验，果不其然，通电螺旋管是使偏振光旋转了。法拉第的这一发现不仅是人类历史上首次发现磁对光的作用，而且还有

它的前景应用。它在光信息处理、激光、光纤通讯、计算机等方面都有应用。从上述所说，可以看到，进入 19 世纪以后，在电学和磁学方面已经取得

了一些初步的成就。特别是伽伐尼和伏打的发现，使得对于电现象的研究， 开始由静电转向动电领域。

19 世纪电磁学方面也健全起来了，特别是法拉第，堪称魁首，他做了大量电学、磁学、电化学、光学等方面实验，寻找电与磁、电与光、磁与光之间的关系，总结出一系列实验定律，为今后电磁学应用提供了理论依据。关于电磁学的发展，后面再作介绍。欲知后事如何，且听下回分解。