电磁现象的发现及影响

电和磁是大自然中最早被好奇的人们和科学家们所关心和研究的自然现象之一。早在远古时代，人们通过闪电等自然现象就已经注意到“电”这种现象的存在，但是人们对这种现象理解甚少，也无法解释其背后的原因。相传英文中的“电学”(electricity)一词来源于古希腊语中的“琥珀”，来自古希腊的一位牧羊人想用羊皮把琥珀擦亮，结果却发现琥珀具有吸引碎木屑的特性，古希腊人将这种特性称为电。到18世纪，美国科学家和政治家富兰克林通过著名的风筝实验，证明了闪电其实是一种电的现象，并且提出了电流的概念。他还指出，电荷有正负之分，物质也有导体和绝缘体之分。

此外，“磁”作为一种自然现象也很早被人们注意到。在公元前600多年的《管子·地数》中，作者就提到“上有磁石者，其下有金铜”。到公元11世纪，中国科学家沈括在其《梦溪笔谈》中记录了磁针始终指向南北方向这一现象，中国古人把磁针(指南针)作为航海用的导航工具。到了1187年，欧洲的Alexander Neckam也独立地发现了指南针的物理现象，并将它应用于航海中作为导航的工具。和“电学”一词类似，相传英文中的“磁学”(magnetism)一词也来源于古希腊的一位牧羊人的名字，这位牧羊人发现他的包有铁皮的牧羊杖会被路旁的石块吸引(磁铁矿石)。

在19世纪之前，电和磁作为两个独立的物理现象被人们注意到，但人们并没有意识到它们之间的联系。到了19世纪，人们开始发现，电和磁并不独立存在，它们之间是有相互联系和作用的，电荷的运动产生电流，而电流则可以产生磁现象。一些早期研究电磁现象的人们意识到这两者之间似乎存在某种联系，但是却无法解释其中的奥秘，更不能准确地描述它们之间的相互关系。

到1819年，丹麦物理学家奥斯特(Oersted)发现，如果在一个电路中有电流通过，它附近的普通罗盘的磁针就会发生偏移。也就是说，电流可以力作用于磁针。图1-1所示为奥斯特所做实验的示意图，他把伏打电堆的两极用白金丝连接起来，并把小磁针放在附近，原本指向南北方向的磁针发生了旋转，并在垂直于导线的方向上停了下来。由此，奥斯特发现电和磁是相互联系并能相互作用的，进而开始了电和磁之间相互作用的研究。

图1-1 丹麦物理学家奥斯特的磁针实验

真正对电磁现象进行全面系统的科学实验的则是英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday，图1-2)。法拉第1791年出生于伦敦的一个铁匠家庭，他的家庭十分贫穷，无法供他上学。因此从十三岁起，法拉第就开始到书店当学徒做装订工。不过，法拉第自小勤奋好学，他在闲暇时常常会阅读店里的科学书籍，并对电学产生了浓厚兴趣。在业余时间，他还自己动手做实验，研究电磁现象。后来，法拉第有幸得到英国皇家学会科学家戴维的欣赏，得以进入英国皇家学会工作，刚开始是做戴维的助手。法拉第在皇家学会实验室勤奋工作的情景如图1-3所示。

图1-2 英国物理学家法拉第

图1-3 法拉第在皇家学会实验室工作

法拉第从奥斯特的实验中得到启发，并意识到，既然电可以对磁产生作用，那么磁很可能也可以对电产生作用。法拉第基于这一想法做了大量的电磁实验，并证实了这一想法。

图1-4为从法拉第的日记中摘取的他所做的电磁实验的示意图。他发现，当一个线圈中有电流通过时，可以在另一个放在附近的线圈中感应出电流来，并且第二个线圈中的电流仅在第一个线圈中的电流从零增大到正常值，或从正常值减小到零的过程中才存在。也就是说，电磁感应是一种动态的过程。

图1-4 法拉第的线圈实验1

此外，法拉第还发现(如图1-5所示)，当磁体向线圈推入或拉出时，线圈中也会感应出电流。

图1-5 法拉第的线圈实验2

这表明，电流的产生需要另一个电路的电流发生变化，或者需要磁石的位置发生变化。法拉第由此推断，电流可以产生磁，磁的变化也可以产生电流。(www.xing528.com)

法拉第根据他所发现的电磁感应现象，在1831年发明了一种能够通过磁场产生电流的装置(如图1-6所示)，这其实也就是世界上第一台发电机。

图1-6 作为发电机原型的法拉第碟片

除了发现电磁感应现象，法拉第还引入了电场和磁场的概念。他认为电和磁之所以能相互作用，是因为电和磁的周围都存在“某种东西”，而电和磁之间的相互作用要通过它来传递。这和当时牛顿力学中的超距作用的传统观念截然不同。牛顿力学认为，物体之间存在着超距作用。到了法拉第这里，超距作用被充满整个空间的“某种东西”所替代。这其实就是原始朴素的物理学“场”(field)的概念，电荷、物体之间通过虚无空间的作用力可以看成它们周围的“场”之间近距离作用的结果，电力、磁力、引力都是如此。

法拉第还首次使用了电力线和磁力线来解释电、磁现象(图1-7)。

图1-7 法拉第提出的电力线和磁力线示意

后来，法拉第担任了剑桥大学教授，并成为英国皇家学会会员。法拉第1867年去世。他的名字被后人用来表示电容的国际单位，以纪念他在电磁学方面的巨大贡献。

法拉第的电磁实验及其发现对物理学的影响极其深远。不过，法拉第是一位实验大师，他的电磁学观念比较朴素，而且在很大程度上都是定性的而非定量的。给法拉第的观念建立完整定量的数学体系的任务后来由麦克斯韦完成了。