(三)力线概念的发展

在发现电磁感应现象后，为了解释这一现象，法拉第提出了电紧张态(electro-tonicstate)概念。他在 1831 年 10 月 24 日提交给皇家学会的论文中阐述了这一概念的含意。在《电学实验研究》60 节中，他写道：“导线在经受电流的或磁电的感应时似乎处于一种特殊的状态，如果在通常情况下要产生电流的话，这种状态抵抗导线内部电流的产生；当导线不受影响时，这种状态有引起电流的能力，而在通常环境中，这导线不具有这一能力。我把物质的这种状态称为电紧张状态。”[6]

法拉第依据物质的电紧张态假设提出了两个预测。其中之一是：一个环路中的电流在另一个环路的物质中感应出的电紧张态对原电流应该有一个反作用。他写道：“无论这个状态的张力(Tension)是大还是小，不对原电流施加一个反作用并且产生某种平衡是很难设想的，可以预期必定对原电流变化起阻碍作用。”他的第二个预测是：在邻近导线中感应出电紧张态的电流，在它自身的导线中也感应出这种状态。”从而预言了自感现象的存在。[6]

与此同时，他还用磁力线概念来解释电磁感应现象。1831 年 11 月， 他在《电学实验研究》中指出：“当导线与电源接通时，磁力线向四周扩张，在它横穿过的导线中产生感应电流；在断开电源时，磁力线向着减弱的电流收缩和返回，因此在相反方向上横穿过导线运动，引起了与第一种情况相反的感应电流。”[6]

他认为用磁力线这一明确概念解释电磁感应现象比用电紧张态这一模糊概念为好。他在《电学实验研究》231 节中指出：“相对于磁铁运动的金属中存在的感应电流取决于金属横切的磁力线，这一定律为我们提供了更精确、更明确的表述。为了对产生的效应提供一个更完善的理由，我放弃我所称为的‘电紧张态’的假定。”[6]

1832 年 3 月 12 日，法拉第写了一封密封的信给英国皇家学会，信封上写着“现在应当收藏在皇家学会档案馆里的一些新观点”，这封信直到1938 年才被找出来启封公布。[7]法拉第在信中写道：

“⋯⋯磁作用的传播需要时间，即当一个磁铁作用于另一个远处的磁铁或者一块铁时，产生作用的原因(我以为可以称之为磁)是逐渐地从磁体传播开去的；这种传播需要一定的时间，而这个时间显然是非常短的。

我还认为：电感应也是这样传播的。我以为，磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动或者空气粒子的声振动，也就是说，我打算把振动理论应用于磁现象，就象对声作的那样，而且这也是光现象最可能的解释。

类比之下，我认为也可以把振动理论运用于电感应。我想用实验来证实这些观点。⋯⋯”

这表明，在法拉第那里已经孕育着电磁作用传播的波动性质以及它们传播的非瞬时性思想。

20 年后，法拉第进一步发展了他的力线思想。他在 1852 年 1 月 11 日发表的《关于磁力的物理线》一文中，强调力线是一种物理存在。他写道：

“兹举太阳施加给地球的照明或热力为例。在这情况中，射线(即力线)通过中间的空间；但是我们也可以在它们的路径中间用不同介质来影响它们。我们可以用反射或折射变更它们的方向；我们在光源处切断它们，在它们到达目的物之前去寻找和发现它们。它们与时间有关，来自太阳的射线需要 8 分钟才能到达地球，所以它们可在离开它们的来源或老家之后而独立存在，事实上有个明显的物理存在。”[4]

在论述了静电的力线后，他又转向动电的力线。他写道：“至于动电， 则物理力线的证据更为确凿得多。与伏打电池相连接的导线，具有人们所讲的环绕电路的力流，但是这种力流具有一对大小相等方向相反的力轴， 它所含的力线能根据导体的横向作用而收缩或扩张，并能随着导体的形状而改变方向；它存在于导体的各部分，并能经由适当的途径依我们的目的而从任何地方取出。毫无疑义，它们是物理力线。”[4]

在谈到磁力线的物质承担者时，他指出：“它可能象光线一样靠以太而存在。光与磁已经联在一起了。它的存在可能取决于与磁力密切有关的某种张力状态，振动状态或与电流有关的其它状态。”[4]他认为磁力线依赖于物质才能存在，但不能把物质简单地理解为有质的或有重力作用的物质，他反对超距作用的观点，强调物质之间的电磁力是通过媒介传递的近距作用力。他说：“如果我们假定它须靠以太才能存在而承认以太是属于物质种类的话，那末这种力线可能要靠物质的某些作用才能存在。”[4]

为了定量地具体地描述空间任何区域磁力的本性、情况、方向和大小， 他提出了力管的思想。“如果在空间取一个任意小的闭合曲线，与这个闭合曲线相切的力线形成一个返回到自身的管状的表面，这个表面称之为力管。”力管的设想，不只考虑到磁场强度的方向，也考虑到磁场强度的大小，沿着整个管的长度磁场强度和管的切面积的乘积是一个常数，即力线数的总和不变。在这个基础上法拉第设想把整个空间用力管分成许多部分，并使每个力管具有同样确定的值。为了简单起见，每个力管可以称为一个“力线单位”，于是磁场强度就由单位力线的分散和集中来表示，在任何点通过垂直于力管方向上单位面积的力管数就表示了磁场强度。”[9]

法拉第关于力线和场的概念对于电磁学的发展以及整个物理学的发展都是很有影响的。几十年后，约·汤姆孙(J．J．Tho-maon)评论说：“在法拉第的许多伟大的贡献之中，最伟大的一个就是力线概念了，我想电场和磁场的许多性质借助于它就可以简明而富有启发性地表示出来。”[7] 场的概念和力线的模型，对当时的传统观念是一个重大的突破，从此超距作用的观念逐渐衰败，新型的近距作用观念日益强化和完善。