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世界科技全景百卷书: 电学大进步
电学成为独立学科 美国人富兰克林以非凡的勇气向苍天取电，唤起了人们对电学研究的兴趣，但是向老天爷要电毕竟是非常危险的。在富兰克林捕捉雷电的第二年，俄国物理学家李希曼在一次雷电实验中光荣地献身了。 于是人们还是靠摩擦起电或者用莱顿瓶储存的电荷来做实验，但是从莱顿瓶获得的只是瞬时电流，如何获得持续的电流呢？ 人们的不断探索，促进了近代电学的发展。 在富兰克林之后最早进行电学研究的英国化学家普利斯特列和卡文迪许。他们进行了火花放电实验，几乎得出静电力的平方反比定律。 1785年，法国物理学家库仑进行了扭秤实验，得出了两个点电荷之间的相互作用力的平方反比定律，这个定律现在表述为：两个点电荷间的作用力跟它们的电量的乘积成正比，跟它们间的距离的平方成反比，作用力的方向在它们的连接线上。 为了纪念库仑，后人把这一定律称为“库仑定律”，把电量的度量单位命名为“库仑”，简称“库”。 库仑定律的发现和证实，标志着电学开始成为一门独立的学科。 1780年，意大利医生伽伐尼在一次偶然的事件中发现火花放电能使蛙腿的肌肉产生痉挛。之后，他又发现，如果把两种不同的金属导体分别与蛙腿的神经和肌肉接触，在连接两个导体时，蛙腿同样会产生痉挛。 枷伐尼事实上已发现了电流，发现了电流对蛙腿的生理作用。但他却认为这是由动物产生的动物电，便提出动物组织含有动物电。1791年，伽伐尼发表了《论肌肉运动中的电作用》的论文，阐述了自己的看法。 伽伐尼的发现引起了意大利电学家伏打的重视。伏打从17岁开始就致力于电学研究，在 1775年发明了起电盘，这是利用感应起电使物体带电的装置。这种电盘既可产生负电荷，又可产生正电荷，所产生的电荷量要比格里凯起电机大。 在此基础上，伏打试图发现稳定的电荷，进行不断的实验。 当他读到伽伐尼的论文后，立即重复了他的实验，相信了动物电的存在。但当他进一步进行实验时，便否定了这一观点。 在无数的实验中，伏打发现，用一根铜线作为一端，当另一端用银导线时，蛙腿痉挛强烈；当另一端用铁导线时，蛙腿只是轻微的颤动。 这使伏打很奇怪，动物电存在于它的肌肉中，在改变导线时，蛙腿的痉挛不应该发生变化，难道是电来自于金属导线，而不是来自于肌肉吗？ 伏打很兴奋，又做了这样的实验。当他把两种不同的金属相互接触时，中间没有蛙腿，而是皮革、湿的硬纸等东西，同样有电流产生。 这就证明了电确实是来自两种金属的接触，而不是蛙腿。他又在实验中发现，用两条性质相同的金属线接触时，不能产生电流。 伏打在一系列的实验中认识到，蛙腿痉挛只是放电过程的一种表现，两种不同金属的接触才是电流现象的真正原因。 伏打进一步地用电位计测定了各种金属接触时的电位差，把各种金属排了成锌——铅——锡——铁——铜——银——金的电位序列，指出当这序列中的任意两种金属接触时，前者带正电，后者带负电，这种原来不带电的两种不同的金属相互接触时产生电荷的现象，就是接触电现象。 1800年，伏打根据这一认识发明了世界上第一个稳定电源——伏打电堆。他把金属制成金属片，将一张锌片和一张铜片接触在一起，锌片和铜片中间放浸湿盐水的布片成为一组，这样一组一组地堆在一起。当把锌片的一端和铜片的一端用导线连接起来时，便获得了连续而稳定的供电装置。 后来，伏打又制成最早的电源——伏达电池。这是将铜片和锌片放在盛有盐水和稀酸的容器中.将铜片和锌片用导线连接起来，从而提供持续的电流。 从此，人类就有了提供持续电流的稳定电源。 电池的发明是物理学上的一大创举，为电学研究提供了重要的物质基础，为电解、电照明、电极、电话等提供了能源，人类利用自然力进人了新的阶段。 1807年，英国化学家戴维利用电解法，发现了钾和钠两种新元素，举世瞩目。接着，他利用2000对铜锌片制成照明用的电弧灯，照亮了世界。 伏打电池的发明一方面推动了电化学的发展，一方面直接促成了电磁学的诞生。 电学家 对电磁学做出伟大贡献的有法拉第、欧姆、奥斯特、安培、麦克斯韦等。 丹麦物理学家奥斯特最先发现了电和磁之间的联系。 且说1820年7月21日，丹麦哥本哈根大学响起了清脆的铃声，物理实验室已经坐满了学生，年富力强的奥斯特教授精神饱满地带着伏打电他走了进来，为学生们上实验课。 当他接通电池时，突然发现放在电池旁边的磁针发生了偏转，改变了原来的位置，在垂直于导线的方向停了下来。 学生们对这一现象丝毫没有感觉，但奥斯特却激动万分。 在19世纪以前，近代电学和磁学的先驱及其后来人，一直把电和磁作为独立的互不相关的现象进行研究。在电和磁之间是否存在什么关系呢？从1807年起，奥斯特就致力于电的各种效应的研究，隐约地认识到电和磁之间存在某种联系，但找不出什么证据。 经过10多年的探索，进展不大。当他在课堂上看到通电后引起的磁针偏转时，怎能不激动呢！ 奥斯特意识到这是一项重大发现，下课后，立即进行了各种分析实验。 他用导线又接通了伏打电池，当磁针垂直地放在导线的位置时，磁针并无变化；当磁针平行地放在导线的位置时，磁针立即偏转，直到与导线垂直为止。他再把磁针放在一定的位置上，当伏打电池接通时，磁针发生了偏转，当关闭电源时，磁针就恢复到原来的状态。 奥斯特又进一步地试验了不同的金属导线，发现磁针的偏转几乎一样。 他又在导线和磁针之间放一块硬纸板隔离，在接通电源时，磁针仍然偏转，甚至在中间放上玻璃、石头、水、金属时，磁针照样偏转。 通电导线为什么会使磁针偏转呢？奥斯特进行了理论的探讨。他认为磁针的偏转是由于电荷的流动引起的，磁针的偏转方向和电荷的流动方向密切相关。由于导体中的电流会在导体周围产生一个环形磁场，因此，磁针在这个磁场范围内，无论是改变电流的方向，还是改变磁针与导线的位置，都会引起磁针的偏转。 这是电流磁效应的最初发现。 1820年，奥斯特的论文《磁针电抗作用实验》在法国的科学杂志《化学与物理学年鉴》上发表。奥斯特在论文中介绍了自己的研究成果。 奥斯特的发现把电学和磁学结合起来了。从此，电磁学的研究在欧洲主要国家里蓬勃地开展起来。 奥斯特的论文在法国发表后，引起了一个法国人的极大兴趣。 他就是安培。安培1775年1月22日生于里昂，幼年时表现出数学上的天资，是个神童。1802年，安培发表了概率论方面的论文，引起了科学界的注意。 当安培得知奥斯特发现电和磁之间的关系时，便放弃了已奠定一定基础的数学研究，而转向物理学领域，并有一系列的发现。 安培在重做奥斯特的电流使磁针偏转的实验基础上，提出用来判定电流磁场方向的右手螺旋定则。 对于直线电流，判定的方法是，用右手握住导线，让伸直的大拇指指向电流方向，那么，弯曲的四指所指的方向就是磁力线的环绕方向。对于通电的螺线管，判定的方法是，右手握住螺线管，让弯曲的四指指向环形电流方向，那么，伸直的大拇指所指的方向就是磁力线方向。 在实验中，安培发现不仅通电导线对磁针有作用，而且两根通电导线之间也有作用。两根平行通电导线之间，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥。 1821年，安培探索了磁现象的本质。他认为物体中的每个分子都有圆形电流，即分子电流，分子电流产生磁场，使每个分子都成为一个小磁体。当物体内部的分子电流杂乱无章地排列时，它们的磁性相互抵消，而使物体不显示磁性；当物体内部的分子电流取向一致时，至少是部分地一致时，就使物体显示出磁性。 这样，安培初步揭示了电和磁的内在联系，他的观点和现代观点非常接近。 安培又对电流产生磁力的规律进行了研究，提出了安培环路定律，用来计算任意几何形状的通电导线所产生的磁场。 后人为了纪念他，把电流强度的单位命名为“安培”，简称“安” 伏打电池不仅促使奥斯特、安培对电学的研究，同时德国中学教师欧姆也对电学表示了极大的兴趣。 欧姆在教学过程中自制了许多电学仪器和材料，进行了大量的实验，发现了欧姆定律和电阻定律，取得了很大的成就。 在实验中，欧姆发现对同一个伏打电池，用不同的金属材料做导线时，所产生的电流强度不一样，并且与导线的长度也有关系。那么，电流强度、导线材料、电动势之间是什么关系呢？ 在对导体材料的研究上，欧姆提出了电阻的概念，并发现了电阻定律，即导体的电阻与它的长度成正比，与它的横截面积成反比，与导体的材料也有关系。 1826年，欧姆发现了欧姆定律。部分电路的欧姆定律是：导体中的电流强度，跟这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比。 全电路的欧姆定律是：电路中的电流强度跟电源的电动势成正比，跟整个电路的电阻 （外电路电阻和电源电阻）成反比。 为了纪念欧姆，后人将电阻的单位命名为“欧姆”，简称为“欧” 屡建奇功的英雄 在研究电磁学的人中，法拉第是一位屡建奇功的英雄。 1791年9月22日，迈克尔·法拉第出生于英国萨里郡的一个铁匠家庭。由于家里贫穷，生活都难以维持，就谈不上送法拉第去读书了。1796年，为了摆脱贫困，父亲带着全家来到繁华的伦敦，住在曼彻斯特广场一家马厂行的楼上。 环境虽然变了，但是生活的贫困依然没有改变，童年的法拉第只好在曼彻斯特广场和查里斯大街度过。 1804年，法拉第到附近黎保的书报店当报童，第二年转为店里的装订工人。利用装订书籍的空闲，法拉第贪婪地阅读着刚订好的书。书籍开阔了他的视野，增长了他的知识。 在阅读的大量书籍里，法拉第被《大英百科全书》中的电学部分和玛西特夫人的 《化学对话》所描述的奇妙现象深深地吸引住了，便按照书中的内容进行了一些简单的实验。 法拉第没有想到，正是书中的奇妙现象，促使他学习科学知识，并改变了自己的命运，最终成为伟大的科学家。 1812年，法拉第作为一名装订工的学徒已经期满，为了生活，也为了自己的志趣，他又成为法国人罗歇的印刷所装订工。 这一年，法拉第听了一次皇家学院大化学戴维的化学讲演，并且能够听懂。他非常高兴，多年来自己对化学知识的学习已经达到了一定的程度。 接连几天，法拉第总是在想：要是能到皇家实验室去工作，那该多好啊！强烈的科学欲望促使他冒昧地给皇家学会会长班克斯写了一封信，恳求获得一份科研工作。结果是可想而知的，信发出后如石沉大海，毫无音讯。 法拉第并不死心，决定再给戴维写封信，碰碰运气。 碰巧的是，皇家学院解雇了一名助理实验员，法拉第又以他的化学知识和见解受到戴维的赏识。这样，法拉第成为戴维的助手，踏上梦寐以求的科学征途。 一开始，法拉第在实验室的工作是，洗瓶子、擦桌子、扫地板，与其说是助手，倒不如说是实验室的勤杂工、戴维的仆人。 但是没过多久，法接第就向戴维证明了，他比一个勤杂工要高明得多。他头脑灵敏，有分析力，不时恭敬地提出一些建议，令戴维刮目相看，于是戴维允许他参加自己的各项实验工作，而他也能比较准确地完成各项任务。 1813年10月1日，戴维夫妇去欧洲大陆旅行。法拉第作为戴维的“哲学助手”陪伴他到欧洲各大城市去讲学。 法拉第在日记中写道：“今天早晨迎来了我一生中的新时代。在我的记忆中，我从未到过离伦敦12英里以外的地方，现在我可能要离开它若干年，去访问那些遥远的地方。” 在旅行期间，法拉第游历了巴黎、罗马、米兰等城市，结识了许多有名的科学家。 1816年，法拉第在戴维的指导下发表了第一篇论文：《多斯加尼本土生石灰的分析》。1825年.他第一次在实验中制取了苯。这一年，在戴维的推荐下，法拉第被任命为皇家研究院实验室主任。 丹麦物理学家奥斯特发现了电流磁效应，法国物理学家安培研究出电流产生磁力，使欧洲大陆掀起研究电磁学的热潮。在这一领域，英国相对落后，1821年9月，奥斯特的实验成果传到英国后，戴维和法拉第立即进行了实验。 不久，戴维要从事其他研究，法拉第就单独进行电和磁之间现象与本质的研究。 既然电流能产生磁力，那么磁力能否产生电流呢？法拉第按这一设想进行实验。 当法拉第还是一个装订工时，就对电学产生了兴趣，在伏打电池的吸引下做过最初的实验，在担任戴维的助手后，即进行了一系列的电学实验，从而为电磁学研究打下了良好的基础。 1831年，法接第成功地做出了磁生电的实验。 在一个圆磁铁环的两边，各绕上绝缘的互不相连的线圈，把一组线圈的两端与电流计相连，当他把另一组线圈与伏打电池接通时，发现电流计的指针立即发生了偏转；而当电源接好后，指针又回到原来的位置。当切断电源时，指针又偏转了，然后又回到了初始位置。 始何解释这种现象呢？经过反复的实验和思考，法拉第认为：当接通电源时，由电流产生的磁力线影响了另一组线圈，使它带上电流，因此电流计的指针发生了偏转。而切断电源时，指针又动，说明电流的产生与磁力线的运动有关。 这样，法拉第发现了电磁感应现象：当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，电路中就有电流产生，这个电流就是感生电流。 后来，他进一步确立了电磁感应的基本定律，被称为法拉第电磁感应定律：电路中感生电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化成正比。这一发现成为现代电工学的基础，用于发电、送电等技术。 法拉第在电磁感应的基础上，制成了一架仪器，能使磁针不停地围绕着固定的导体旋转，从而弄清楚了电动机的工作原理。遗憾的是，他没有对电动机进行进一步的研制，又转人电化学的研究。 感生电流的发现，充分揭示了磁和电的内在联系，电不仅能转化为磁，而且磁也能转化为电。同时，为人类利用新能源开辟了前景，预示着人类将要进人电气时代。 1833年，法拉第在实验中得出两条电解定律，被称为法拉第电解定律。 法拉第第一电解定律是：电解时，在电极上析出的物质的质量和通过电解液的电流强度及通电时间成正比。 法拉第第二电解定律是：一定量的电量所析出的物质的质量与该物质的化学当量成正比。 在发现电解定律的过程中，法拉第最先使用了电极、阳极、阴极、离于、阳离子、阴离子等名词。 1843年，法拉第第一个证明了电荷守恒定律，认为电荷既不能被创造，也不能被消灭。只能在物体内或在几个物体之间相互转移，电荷的代数和是守恒的。 法拉第还提出了电场、磁场、电力线、磁力线的概念，否定超距作用说，认为电力和磁力是通过电场和磁场传递的，并用电力线和磁力线直观描述电场和磁场。 1845年9月，法拉第在一次实验中发现了旋光效应，这就是著名的法拉第效应。在他用磁力线测试不同物体的磁效应时，发现透明固体和液体中的光的偏振面发生了旋转。对此，法拉第解释为“光线被磁化了”，这实际上是后来光的电磁说的萌芽。 上述成就是法拉第在各种自然力是统一的前提下长期探索的结果。 法拉第杰出的实验成就奠定了电磁学的基础，开创了电磁学研究的新时代。 由于法拉第没有受过正规教育，完全靠自学走上科学道路，对数学是不精通的。虽然在实验中发现了感生电流、电解定律、旋光效应，取得了杰出的成就，但对它们无法进行充分的数理分析和论证，以致有人说他的《电学实验研究》是一个实验报告汇编。 运用数学方法进一步总结当时的实验电磁学成就，建立经典电磁学理论大厦的，是英国科学家麦克斯韦。 电磁学理论创立人 今天，我们生活在电波世界里，电视、广播、通讯、雷达等，都是通过电磁波来传播信息的。然而在上个世纪前期，人们根本不知道什么是电磁波。 有一位物理学家，从理论上总结了人类对电磁现象的认识，创立了电磁学理论，预见了电磁波的存在，在科学上取得了伟大的成就。他的成就可与牛顿和爱因斯坦相提并论，可是很少有人知道他的名字。 他的名字叫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。 1831年11月13日，麦克斯韦出生在苏格兰古爱丁堡。恰好是这一年，法拉第发现了感生电流。 麦克斯韦的父亲是一名律师，但对科学技术非常热心，经常去听爱丁堡皇家学会的科学讲座，这对幼年的麦克斯韦有一定的影响。 麦克斯韦小时候总是提出各种各样的问题。当他看到清晨的太阳冉冉升起时，便问“太阳为什么是红的？”当看见树木郁郁葱葱枝繁叶茂时，便问 “树木为什么朝天上长？”当看见夜晚的天空繁星闪烁时，便问“天上的星星有多少颗？” 对于儿子天真无邪的提问，父亲很高兴。他是一个思想开放、讲究实际的人，既然儿子对自然科学感兴趣，就带着儿子一起听科学讲座，使小麦克斯韦受到了不少科学熏陶。 麦克斯韦在8岁时，母亲不幸因病去世，从此和父亲相依为命。10岁时，他进入爱丁堡中学学习，非常勤奋。课外，其他同学都玩去了，只有麦克斯韦一个人躲在教室里，专心致志的演算数学题。 在他13岁时，学校举行了数学和诗歌比赛，两科比赛的一等奖是同一个人。这个人不是别人，正是出类拔革的麦克斯韦。 14岁时，他写了一篇数学论文——《关于椭圆曲线的作图和多焦点椭圆曲线》，发表在《爱丁堡皇家学会学报》上，显示了数学才华。他的父亲感到非常自豪。 1847年，16岁的麦克斯韦中学毕业后，考人苏格兰最高学府爱丁堡大学，学习数学物理。 他的成绩依然是最优秀的。有一次，他指出一位讲师的公式推导有错误，这位讲师根本不相信，并说：“这是不可能的，如果要是你的推导对了，我就叫他麦式公式。”然而，讲师经过仔细的验算，还是自己错了。 在爱丁堡大学，麦克斯韦又发表了两篇论文：《关于旋输线》、《论弹性体的平衡》，使他的数学水平进一步提高，为后来经典电磁学理论的建立打下了良好的数学基础。 1850年，麦克斯韦考人剑桥大学三一学院。 麦克斯在这里读了大量的科学专著。他的学习方法不是循序渐进，井井有条，而是不注意系统性。有时候，为了钻研一个问题，往往几个星期都目不旁顾；有时候，又见到什么读什么，五花八门，漫无边际。 勤奋学习和善于思考的麦克斯韦，需要名师指导，才能放出异彩。 剑桥大学著名的数学家和物理学家霍普金斯，有一天去图书馆借一部数学专著，不巧被人惜走了，扑了个空；一天再去惜一本数学期刊时，又被人捷足先登了。 书刊没有借到，又浪费了宝贵的时间，对于特别珍惜时间的教授来说，怎能不心烦呢。为了查找一个资料，霍普金斯便问图书管理员，是谁借去了这本书。 “被麦克斯韦借去了。” “这本书很深奥，学生是难以看懂的，这个学生借这本书于什么呢？” 霍普金斯这样想着，强烈的好奇心驱使他来到麦克斯韦的宿舍。只见房间乱糟糟的，他要惜的书摊在桌子上，另外还有几本书横七竖八地摆着，一个小伙子正在认真的攻读，埋头在摘抄，笔记本上涂得乱七八糟。 凭直觉，这不是一般的学生，将来定能有所建树，霍普金斯高兴地说： “小伙子，无论是生活还是学习，都要有秩序，否则是难成大器的。” 就这样，麦克斯韦幸运地得到了这位著名教授的器重，可以说是伯乐智识千里马。 霍普金斯首先帮助麦克斯韦克服了杂乱无章的学习方法，并对他进行了严格的训练，每一个选题，每步运算都要求极严。 麦克斯韦在名师指点下，很快掌握了当时所有先进的数学方法，并对光、热、电、磁等各种物理问题产生了浓厚的兴趣，成绩优异，在毕业学位考试中，获得第二名。 霍普金斯为有这样的学生而感到自豪，他说：“在我教过的所有学生中，毫无疑问，这是我遇到的最杰出的一个！” 在剑桥大学的学习过程中，麦克斯韦打下了良好的数理基础，同时也在教授的指导下练就了娴熟的实验技巧，为以后的研究和用数学分析方法总结实验成果铺平了道路。 1854年，麦克斯韦在剑桥大学毕业，即留校任教，开始了他的教学和科学生涯。 工作不久，麦克斯韦读到了法拉第的名著《电学实验研究》，立即被书中的实验和新颖的见解吸引住了。 作为实验大师，法拉第有许多过人之处，但是他几乎没有数学功底，只能用直观的形式来表达他的创见。当时，“超距作用”的传统观念还影响很深。因此，一般的理论物理学家都瞧不起法拉第，对他的工作不以为然。 甚至有位天文学家公开宣称：“谁要是在精确的超距作用和模糊的力线观念之间有所迟疑，那简直就是对牛顿的亵渎！” 但麦克斯韦通过对法拉第著作的刻苦攻读，相信其中包含的真理，并悟出了力线思想的宝贵价值。这位初出茅庐的青年科学家决心用数学定量表述来丰富法拉第的电磁理论。 麦克斯韦精心研究了法拉第的“力线”概念，在1885年发表了第一篇电磁论文—— 《论法拉第的力线》。通过数学方法，他把电流周围存在磁力线的特征，概括为一个矢量微分方程，导出了法拉第的结论。 这一年，法拉第告老退休，结束了30多年的电磁学研究，在科学笔记上写下了最后一页。而麦克斯韦以这篇论文接过了法拉第手中的熊熊火炬，开始向电磁学领域的纵深挺进。 1860年，麦克斯韦受聘于伦敦皇家学院。 在研究电和磁的关系中，以前一直认为电流产生磁场，这个电流是指传导电流，法拉第也是这样认为的。麦克斯韦在实验中有了新的发现。 把两块中间夹着介质的金属板，也即是电容器，接在交变电源上，介质内并不存在自由电荷，也就是没有传导电流，但磁场却同样存在。 这个磁场是怎样产生的呢？麦克斯韦经过研究和分析，认为这里的磁场是由另一种类型的电流产生的，这种电流存在于任何电场变化的电介质中。他把这种电流称为“位移电流”，指出在位移电流的周围空间同样产生磁场，这种磁场和传导电流产生的磁场完全一样。 1862年，麦克斯韦发表了《论物理力线》的论文。这篇论文是他在电磁学理论方面的第二篇论文，已经不再是法拉第观点的数学翻译了，而是有了重大的引申和发展，首创了“位移电流”的新概念，指出不仅变化的磁场产生电场，而且变化的电场也产生磁场。 在这篇论文中，麦克斯韦还预见了电磁波的存在。在研究电场和磁场的交相变化过程时，他认识到这种相互变化的电磁场以波的形式向空间散布，由近及远。 他还对电磁学的定律进行了高度的概括，写出了数学方程，导出了电磁场的能量密度和电磁波的能量密度，指出电磁波就是能量的流动过程，从而说明了电磁波的物质性。 但是麦克斯韦并没有用实验来证实电磁波的存在。 1864年，麦克斯韦发表他的第三篇电磁学论文《电磁场的动力学理论》。在这篇论文里，麦克斯韦方程更完备了，它导出了电场与磁场的波动方程，其波的传播速度正好等于光的速度。这启发他提出了光的电磁学说，指出光也是一种电磁波，只不过是一种频率很低的电磁波，从而进一步认识了光的本质。 1873年，麦克斯韦出版了他的电磁学专著《电磁学通论》。 这部著作全面而系统地总结了电磁学研究的成果，成为电磁学的经典理论著作。这部著作的巨大意义，可与牛顿的《自然哲学数学原理》相媲美。如果说帕然哲学数学原理》是对经典力学的大综合，成为力学发展的里程碑，那么《电磁学通论》就是对电磁学的大综合，成为电磁学发展的里程碑。 在这部著作里，麦克斯韦以他特有的数学语言，建立了电磁学的微分方程组，揭示了电荷、电流、电场、磁场之间的普遍联系。这个电磁学方程，就是后来以他的名字著称的“麦克斯韦方程”。 麦克斯韦方程包括四个方面的内容： 1.法拉第感应定律； 2.描述电磁场对位移电流密度和传导电流密度的关系； 3.相当于库仑定律； 4.表明了除电源外，没有其他磁场源。 在《电磁学通论》中，电磁场、电磁波、光的电磁说都具有了严密的理论形态与数学模型，使电磁学发展到了高峰。 这样，一座宏伟的经典电磁学的理论大厦就由麦克斯韦建立起来了。 为了纪念他，人们把电磁单位制的磁通量单位定名为“麦克斯韦”。 赫兹的证明 真的有一种看不见、摸不着、玄而又玄的电磁波吗？一些守旧的学者摇头晃脑地望着天空，大加反对。 能否证明有电磁波的存在，是检验麦克斯韦理论的关键。 当人们对电和磁的理论认识处于莫衷一是的状态时，在德国却有人认真地从事电磁理论的研究。最先力图证明电磁理论正确的是玻尔兹曼，但是没有成功。不久，赫尔姆霍茨加入了这一行列，而他的学生赫兹最终攻下了电磁波这个堡垒。 赫兹于1857年2月22日生于德国汉堡，在1880年以优异成绩获得了博士学位，随后当了赫尔姆霍茨的助教，在老师的影响下，对电磁学进行了深入的研究。 赫兹认为，麦克斯韦的理论比各种超距作用理论更令人信服。他说：“假使在通常的体系和麦克斯韦的体系之中仅能选择一个，那么后者无疑是占优势的。”于是，他决心用实验来进行检验。 1883年，赫兹到基尔大学任理论物理学讲师。就在这一年，爱尔兰教授菲茨杰拉德根据麦克斯韦的理论作出一个推论，就是如果麦克斯韦的理论正确，那么莱顿瓶在振荡放电时，即可产生电磁波。 那么，如何测出电磁波呢？ 1885年，赫兹被聘为卡尔斯鲁厄工业学校的物理学教授，即开始了后来使他名垂史册的电磁学实验。经过反复实验，赫兹在1886年秋发明了一种电波环。他把一根粗铜线弯成圆环状，环的两端分别连着金属小球。这是一个十分简单但却非常有效的电磁波检测器。 1888年，赫兹终于发现了人们所怀疑的电磁波。 赫兹在两块正方形锌板的边缘中心，各接一根钢棒，然后使两根铜棒相隔一定距离并彼此绝缘而组成一个振荡器。在暗室中将电波环放置在距振荡器10米处。 实验时，将感应圈的高压电引至振荡器的两根铜棒上，使两铜棒间产生电火花，由此而辐射电磁波。 历史性的时刻到来了！ 电波环的两个小球间闪现了电火花，这正是振荡器辐射的电磁波！ 紧接着，赫兹进一步用实验证实了电磁波可以反射、折射、产生驻波，并测定了电磁波的传播速度。 赫兹在一间大而暗的教室墙上，安置了一块金属板。根据波动理论，如果电磁波能被反射，则反射波和人射波叠加应产生驻波。赫兹在金属板的对面放置有感应圈的振荡器，证实了振荡器发射的电磁波和金属板反射的电磁波叠加形成驻波。 赫兹还测定了电磁波的波长，计算出电磁波的传播速度，这个速度和光速的实验测定值非常接近，再次肯定了电磁波是以光速传播的。 他还用一块有孔的屏阻挡电波，使电波产生衍射；将电波通过一块大的沥青棱镜，证明电波像光波一样的折射，等等。 这些实验令人信服的地证明了电磁波是存在的，而且电磁波和光是统一的，有力地支持了麦克斯韦的电磁理论。 赫兹的实验轰动了全世界的科学界。这样，由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得了决定性的胜利！有趣的是，赫兹发现电磁波时和麦克斯韦预见电磁波时年龄一样大，都是31岁。然而麦克斯韦无法见到这一天了，但是，他的遗愿终于实现了。 电磁波的发现对人类产生了巨大的影响。6年后，意大利的马可尼、俄国的波波夫实现了无线电传播，其他无线电技术如无线电报、无线电话、电视、雷达、卫星通信等等，像雨后春笋般涌现出来了。 法拉第、麦克斯韦、赫兹将名垂千古！ 电气时代的到来 在电磁理论逐渐完善的同时，技术发明也一个接一个地实现了。 19世纪电学的发明主要有电动机、发电机、电报、电话、电照明等，这些发明导致了第二次技术革命，从而使人类进人电气时代。 在电机史上，电动机的诞生比发电机早。 电磁效应和安培定则，揭示了电和磁的相互作用能产生机械运用，奠定了电动机的理论基础。 1821年，法拉第试制出了一种将电能转化为磁能再转化为机械能的实验装置，这就是最初的直流电动机。 英国电学家斯特金通过实验，将电能转化为磁能，在 1823年发明了电磁铁。 1831年，美国电学家亨利以伏打电池为电源，并引用了电磁铁，试制出一台电动机模型，产生的动能比法拉第的装置要大，向实用电动机的发展迈进了一步。 但是早期的电动机使用的电源是伏打电池，提供的电流有限，功率极其微弱，没有什么实际意义。因此，必须寻找强大的电源，才能产生更大的动能。这样，电动机的试制推动了发电机的试制。 世界上第一台发电机是由法国的皮克西制成的。 皮克西是法国电学工程师，1832年成功地试制出一台手摇永久磁铁旋转式发电机。这台发电机的线圈是固定的，它运用手轮转动形磁铁，使磁铁相对于线圈运动。在这台发电机中，装上了最初的换向器，把发电机产生的交流电变为工业生产所需要的直流电。 但这台永磁式电机设备笨重，又要用手摇，从而难以提高转速，输出的电压很低，实用价值不大。 1834年，俄国科学家雅科比制成一台回转运动的直流电动机。雅科比不用永久磁铁，而用几个磁性很强的电磁铁来产生磁场，他设计的换向器可看做近代换向器的胚芽。 为了试验这台电动机，雅科比把它装在轮船上，制成了第一艘电动轮船，在涅瓦河上航行。由于电源没有保证，成本高，不能和蒸汽轮船匹敌。但是雅科比电动机由实验模型走向了实用，并进一步促使发电机的试制。 1834年，英国的克拉克试制成功了实验室使用的直流发电机。该机产生的电压高于一般电池组，还配制了各种线圈，以供需要不同电流时使用。 1854年，丹麦的乔尔塞在发电机中不但装有永磁铁，还加装了电磁铁，试制成功了一种永磁铁和电磁铁混合激磁的混激式发电机，功率有明显的提高。 后来，人们发明了自激式发电机，利用发电机本身的电势来产生激磁电流，从而使发电机的制造进入了一个新的阶段。对自激式发电机做出卓越贡献的是文尔德和西门子。 1863年，发电机制造家文尔德制成了自激式发电机，取得了英国专利，而亨有盛名。这种发电机用电机运转过程的电磁铁代替永久磁铁，并运用自激原理，产生较强的电流。 文尔德在向英国皇家学会递交的论文《新的大功率发电机》中，指出一个无限小的电流或磁力能够产生一个无限大的电流，对自激原理有了清楚的认识。 文尔德接着申请自激原理的专利，他在申请书中说，自激磁场依赖于原来磁场系统的剩磁。这就是说，原来磁极中存在着剩磁，它产生的磁场可在转子电枢中感应出电势，这个电势又可给激磁绕组供应激磁电流，所以称为激磁。 1867年，德国发明家西门子利用自激原理，制成了比较完善的发电机。 维纳·西门子，于1816年12月13日出生在德国汉诺威，祖辈是世代耕种土地的贫困佃农，由于家庭极其困难，无力继续接受高等教育，便考进了既不花钱又可求学的柏林炮兵军事学校。 德国在19世纪初就不断进行战争，于是大力发展军事教育。西门子接受了比较良好的工程技术训练，具有一定的科学素养和科研能力。 西门子在炮兵学校毕业后，成为炮兵少尉，可是不久违反了军纪而入狱。就在坐牢期间，他发明了电镀法，成功地实现了金属器皿的电镀，当同伴拿着他制作的镀金的金钥匙时，简直不敢相信是出自这位炮兵少尉之手。 西门子兄弟四人都是出色的发明家，老大是维纳，老二是威廉，老三是弗里德里希，老小是卡尔。 维纳出狱后，转到火花制造队。1847年，他退役后和机械工哈尔斯克一起开办了一个小电信机工厂。这时候弟弟卡尔已成为实业家，帮助兄长成立了西门子公司，以生产电器设备为主，并建立了科研实验室。 西门子发明电镀时，使用的电源是伏打电池，但功率甚低，随后改为永磁铁发电机，不久又改用电磁铁发电机。在这个过程中，西门子着手研制功率更大的发电机。 1866年，维纳向柏林科学院递交一篇论文，阐述他的发电机自激原理。1867年初，其弟卡尔把他的论文内容告诉了英国皇家学会，并展示了自激发电机模型而公诸于世。 西门子发电机用强有力的电磁代替传统的永久磁铁，并用发电机本身产生的一部分电向电磁铁供应，使电磁铁得到一种自馈电流，从而大大加强电磁铁的磁场，最终进一步提高了发电机的功率。 西门子发电机在技术史上的地位相当于瓦特的蒸汽机，发电机和内燃机共同导致以电为标志的第二次工业革命，具有划时代的伟大意义。 人类通讯的革命 从发电机的发明开始到西门子发电机的出现，为人类利用能源开辟了道路，以电为基础的新的技术发明不断出现，电报、电话、电灯、电影等应运而生。 古希腊人马拉松跑了几十公里把希波战争的消息传到雅典，这是现代马拉松长跑的起源。随着生产的发展，贸易交往的增加，金融情报及各种情报需要迅速的传播，古代长跑的方式已不能满足需要了，就是利用蒸汽机车和轮船也远远不够。 当电登上历史舞台的时候，立即引起人们的注意，各种原始电报相继出现。 当奥斯特发现电流可以影响磁针偏转后，1820年，安培用26根导线连结发与收两端各26个相对应的英文字母，试制出了一种以电磁感应为基础的磁针电报装置。 1833年，德国数学家高斯和青年电学家韦伯在哥丁根建立了一个电报系统，它在相距为8000英尺的实验室和天文观测站之间建立了电信系统。 真正使电报成为一种实用通讯设备的，是美国画家莫尔斯。 一个外行的画家怎么能是电报机的发明人呢？ 1832年10月，莫尔斯乘坐“萨利”号邮轮从欧洲回国。当时从巴黎电学讨论会归来的青年医生杰克逊也在这一条船上，他大谈安培电学的新发现，深深地吸引了莫尔斯。 莫尔斯回国后，就放弃了绘画，潜心研究电报，此时已经41岁。对于这般年纪的人，要丢掉熟悉的美术，从零开始钻研电学，此中艰辛，难以想象。 在研制电报的过程中，莫尔斯拜美国大电学家亨利为师，学习f必要的理论基础和技术基础。经过几年的探索，在1837年，莫尔斯发明了一套用点、划组成的著名的“莫尔斯电码”。 1844年5月24日，莫尔斯用一连串的点、划成功地发出了电文，实现了第一次通话。当年，莫尔斯在美国政府的资助下，建成了华盛顿到巴尔的摩之间的世界上第一条有线电报线路。后来，他的发明又被应用于铁路通讯，并在海底铺设电缆，进行环球通讯。 1895年，意大利物理学家马可尼又发明了无线电报。 电报的发明是人类通讯史上的一次革命。 当莫尔斯电报广泛应用，成为一种新兴的通信工具时，人们就想“既然电流能够传递电波信号，为什么不能传播音波信号呢？”如果用电缆直接通话，那该多方便啊！ 1876年，美国的贝尔首先发明了电话。 贝尔和麦克斯韦是同乡，1847年生于英国爱丁堡的一个声学世家，大学时学习声学，毕业后当聋哑学校的教师。由于专业的原因，他研究过听和说的生理功能，并潜心研究传送声音的“音乐电报”。 1869年，贝尔受聘为美国波士顿大学的声学教授，教学之余，仍进行电话研究。 在研究中，贝尔认识到，要把声音传送出去，必须先在送话一端将声音信号变成电信号，然后再在受话的一端将电信号变成声音信号。 怎样实现这个转换呢？ 贝尔曾看到电报中，应用了能够把电信号和机械运动相互转化的电磁铁，受到很大启发。于是开始设计制造磁式电话。 他最初把音叉放在带芯的线圈前，音叉振动引起铁芯作相应运动产生感应电流，电流信号传到导线另一头作相反转换，变做声信号。 随后，贝尔又把音叉改换成能够随着声音振动的金属片，把铁芯改做磁棒，经过反复实验，制成了实用的电话。 1876年2月14日，贝尔向政府提出了电话专利的申请。几个小时后，美国的另一名电技工程师戈雷也提出了电话专利申请。但戈雷电话的送话器和受话器不在一个装置中，使用时不如贝尔电话方便，加上时间在后，美国最高法院把电话的发明专利权判给了贝尔。 1881年，贝尔在美国建立了第一家著名的贝尔电话公司。 1884年，波士顿和纽约之间架设了第一条长途电话线路。 电话的发明是人类通讯史的又一次革命。 让电照亮世界 电报和电话被发明后，另一项影响最大的发明，就是电灯了。 电灯是美国的“发明大王”爱迪生在1879年发明的。从此，白炽电灯驱走了暗夜，使人类第一次真正看到了电能的光辉。 很久以来，人类一直使用约略看见东西的微弱火光来照明，直到 1800年意大利人伏打发明电池才有变化。 把电转化为光用作照明，是从英国科学家戴维开始的。他用 2000组伏打电池为电源，发明了电弧灯。但电弧灯价格昂贵，光线太强，不适宜普通照明。 当发电机问世，并能生产大量电流时，不久，爱迪生就发明了白炽电灯。 1847年2月11日，爱迪生出生在美国俄亥俄州的米兰市，自幼身体瘦弱，不爱说话，但极富幻想，爱动脑筋思考问题，对周围的一切事物都充满好奇心。 在他5岁那一年，当看到母鸡孵小鸡时，也异想天开地蹲在鸡窝里孵起小鸡来。 父母到处在找小爱迪生，终于在鸡窝里找到了他。 “你跑到鸡窝里蹲着干什么？” “我在孵小鸡呀。” “傻瓜，你怎么能孵出小鸡呢！”说着就把他拉了起来。 “母鸡能孵出小鸡，我为什么不能呢？” 就这样，爱迪生什么事都想问，什么事都要于。 7岁时，爱迪生上学了。 他仍然是寻根求源，问一些与书本无关的问题，而且还打破砂锅问到底。他的老师无法回答，便骂他是个小傻瓜，并用木板进行体罚。 爱迪生的母亲曾做过教师，懂得教育方法，对老师的做法很不满，便一气之下让他退了学，决定自己教他。爱迪生接受学校的教育只有3个月，从此再没有受过正规教育。 爱迪生一边在父亲的木工厂做工，一边在母亲的教育下读书写字。 12岁时，由于家庭经济困难，爱迪生便到火车上当报童，一边卖报，一边自学，阅读了很多书籍，对化学和电学非常感兴趣。 他利用积攒的钱，买了一些化学药品，在火车上的吸烟室搞了个小实验室，做着各种有趣的实验。在15岁时，由于火车的震动，把实验室的一瓶磷震倒了，磷遇空气立即燃烧起来，引起一场大火，幸亏车上的抢救及时才没有闯下大祸。 车长恼羞成怒，狠狠地打了他一个耳光。爱迪生的右耳膜被震破，从此右耳就聋了。 爱迪生的化学实验做不成了，但是却意外地得到一个学习电学的机会。 就在这年8月的一天，爱迪生正在一个小站上卖报，忽然看见一个小孩在铁轨旁玩石子，而一列火车正飞驰而来。爱迪生迅速冲向铁轨，救出小孩，与此同时，火车呼啸而过，爱迪生摔倒在铁轨旁，小孩得救了，而他的脸和手却被划破了。 小孩的父亲是这个站的站长，亲眼目睹了这一惊人场面，感动万分，以教爱迪生收发报技术作为回报。 对电学非常感兴趣的爱迪生，十分珍惜这一难得的学习机会，勤学苦练，在3个多月的时间里，就熟悉地掌握了收发电报的技术，并在那位站长的推荐下，当上了火车站的报务员。 在当报务员时，爱迪生即用自己掌握的理论知识和技术经验，对单路电报进行改革，1869年，发明了可以在同一线路上同时发送两路电报的双重发报机。此时，他才22岁。 紧接着，爱迪生发明了一种商情自动报价机，报酬是40 000美金。他用这些钱开了一家工厂，一心一意地从事发明工作。 1876年，爱迪生发明了留声机。美国各大报纸都以醒目的标题刊登了这条惊人的新闻：今日最大发明——一个会说话的机器。 留声机的发明，为爱迪生赢得了巨大的声誉。 爱迪生没有停留在荣誉面前，继续沿着他的发明道路不断前进。 当时家庭照明普遍采用煤油灯或煤气灯。这些灯，光线虽柔和，但是亮度低，燃烧时有黑烟，还要添燃料擦灯罩。弧光灯虽然亮度高，但光线太强，人眼不能直接看它，不适合家庭使用。 爱迪生陷入了沉思：怎样使弧光灯的刺眼强光变得柔和呢？ 英国人戴维曾发现，当电流通过较细的白金丝时，白金丝会发出微弱的光来，但白金丝在空气中很快就烧掉了。 但这微弱的光亮，使爱迪生看到了前进的方向。 爱迪生进行了大量的分析研究，夜以继日地工作，有时候甚至几天不合眼，实在困了，就趴在书上打个盹。以致有人说：“爱迪生知识如此丰富，原来他连睡觉的时候都在吸收书里的营养。” 通过不断的研究和实验，爱迪生认为，必须解决两个问题。一是玻璃泡里的空气问题，白金丝被烧掉，是空气里的氧气捣的鬼，空气是发明电灯的大敌，因此，必须把玻璃泡里的空气抽成真空。 二是改进灯丝，寻找一种耐高温的导体材料。 对于第一个问题，相对来说比较容易解决，因为在1875年，英国化学家克鲁克斯发明过一种既迅速又经济的真空技术。 第二个问题是难以解决的。究竟用什么材料来做灯丝呢？爱迪生纹尽脑汁，煞费苦心。他先后试验了1600种矿物和金属耐热材料，结果都失败了。 1879年10月1日，爱迪生在《科学的美国人》杂志上看到了英国电技工程师斯旺用碳丝做灯丝的报道，便开始研制碳丝灯泡。 在经过种种困难之后，爱迪生终于把一根棉线烧成碳丝，小心翼翼地装进灯泡里，抽出灯泡里的空气，然后把抽气口密封起来。 当给灯泡接通电流时，奇迹出现了，灯丝放射出了夺目的光辉。 这一天是1870年10月21日。 这是一个永远值得纪念的日子！ 爱迪生和他的助手日夜用全部心血浇灌的电灯，终于放出了明亮的光芒。他们高兴得又蹦又跳，并一直守护在灯旁，细致地观察着。世界上第一盏白炽灯亮了45个小时。 爱迪生又制出了几个碳丝灯，亮的时间也没有延长多少，这就要继续寻找高质量的灯丝。 爱迪生先后试用了6000多种植物纤维，发现用一种日本产竹子的碳化纤维做成的灯丝，寿命长达1200小时。于是，他派人到东方收购竹料，大批量生产白炽电灯。 1882年，爱迪生在纽约建立了一个发电站，架起了相应的电力输送网，推广使用他的白炽电灯。 后来，人们对爱迪生的灯泡加以改良，用钨丝做灯丝，并在灯泡内注人一种不与钨丝起化学反应的惰性气体，大大延长了灯泡的寿命。这就是我们一直使用的电灯泡。 爱迪生在发明电灯后，又不断地努力，发明了蓄电池、电影等。有人统计，爱迪生一生中的发明，在专利局正式登记的有1300种，这个成就是世界上任何人都无可比拟的。 人们称爱迪生为发明大王，非常称赞他的天才。爱迪生说：“所谓天才，那是假话，艰苦的工作才是实在的。”“天才不过是百分之一的灵感，加上百分之九十九的汗水。” 1931年10月18日，发明大王逝世。 |
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