电磁场的发现为无线电技术和电子工业的发展拉开序幕

第二节　电磁场的发现

在法拉弟电磁感应现象发现以前，人们只知道有一种电流，这就是伏打电池所提供的接触电流。它只能在有固定形状的电路中流动，从电池经过导线到负载，循环往复。当奥斯特利用伏打电池发现载流导线能引起磁针偏转时，已经透露出电磁场的信息。因为这种电磁相互作用现象，是发生在电路以外的空间，磁针和电路根本没有接触。这种没经接触的电磁作用，就是一种场。当时的科学家只热衷于追求奥斯特的逆效应，并没有对电磁场感兴趣。其实，电磁感应现象并不只是法拉弟一个人想到的。在法拉弟提出电磁感应定律以前的十几年，安培就已经产生了类似的想法。由于偶然的翻车事故，他丧失了自己的实验仪器，在受伤住院中更无法从事科学实验，只能在论文中进行理论推导，于是，本来可以成为定律的东西，最终只能是个假说了。

奥斯特、安培和法拉弟所发现的电与磁之间力学效应和电流的磁效应，都超越出有形的导体回路，都透露出电能与磁能可以在无形的空间传递能量。事实已经表明：电流不仅可以在电路中输送能量，而且可以向周围空间辐射能量，促使磁针偏转。磁通不仅可以在磁铁回路中流动，而且可以向磁铁周围空间扩散出磁力线，使切割它的导体产生感应电动势。在电磁能量互相感应的情况下，电磁能量不仅存在于有固定形状的导体回路中，而且还以弥散的方式漫布于电路和磁路外边。这种电磁能量的存在方式和运动形式，就是电磁场。

法拉弟受传统观念的束缚，不敢把新发现的现象叫场，只能沿用力学语言，把它叫做磁力线。即便如此，磁力线这个概念的引入，在科学界也令人耳目一新。因为磁力线对磁场分布状况的描写是非常形象的。对奥斯特和安培发现的电流的力学效应，则采用电力线来描写电场的分布状况。直到现在，电磁学中仍然保留着磁力线和电力线的形象语言，它对人们理解磁场和电场分布状态有很大帮助。有人考证：到1837年，法拉弟才大胆提出场的概念，并指出磁极与磁极之间、电荷与电荷之间的相互作用，都是在它们周围的场中进行的，不是超距作用。

法拉弟关于场的概念提出后，当时几乎所有的物理学家都把它看成是离经叛道的思想。因为在牛顿提出万有引力定律的时候，也没有提出引力场的概念，他把引力场中的万有引力现象，叫做超距作用。即一切物体之间的引力作用都是超越时空的，不论距离多远，都能立刻发生。既然引力的相互作用无须时间，其速度就是无限大的。引力场的概念是在电磁场提出以后，才被力学接受。由于法拉弟没有用超距作用来解释电磁作用（电磁感应），而是认为磁力线和电力线的传播是以有限速度进行的，这就意味着电磁作用与牛顿的引力作用，完全不是同一种性质的作用，二者仅在形式上相同，即都有吸引现象。万有引力作用是发生在两个质点中心连接的直线上，而电磁作用（电磁感应）中磁力线和电流方向是互相垂直，力的作用方向是闭合形的曲线，是一种旋转力。

1868年，英国物理学家麦克斯韦指出：电能和磁能的转换关系，并不只限于有形导体之间发生电磁感应，一切无形的空间里都可以发生电磁转换过程。麦克斯韦突破了传统观念，引入了电场和磁场的概念，把法拉弟的感应电流和磁力线概念加以扩大推广。他指出：凡是有电场变化的地方，都必然有变化的磁场伴生；凡是有磁场变化的地方，也必然有变化的电场伴生；而且电场与磁场的方向，总是互相垂直相交的。麦克斯韦使用了两个微分方程组，把电场与磁场的关系作了一般规律式的表达，将奥斯特和法拉弟的发现，由特殊上升到一般，由个性概括成共性。

麦克斯韦是怎样发现电磁场，并确认它存在的呢？有两个因素。一是开辟新的实验途径，从实践中概括理论；二是运用数学工具，进行抽象思维。

他在法拉弟研究电感器（线圈）的基础上，又研究了电容器。在电容器两端施加直流电压时，电容器不导电，电荷只在两个极板之间堆积，互相对峙，电路中没有连续电流。当施加交变电压时，电容器的两个极板之间却有一定的连续电流通过。这是由于极板中间的电介质被电场力极化，形成与导体中传导电流一样的电荷移动。麦克斯韦把电容器中电介质的电流叫位移电流，导线中的电流叫传导电流。这个现象使麦克斯韦想到：既然导线中的传导电流在它周围空间会产生涡旋磁场，那么，电介质空间中的位移电流也应该产生同样的涡旋电流，并与导线中流过相同数量的传导电流，构成一个全电流。同理，电磁体中的磁力线和扩散到导磁体外的磁力线，也会构成一个闭合的全磁路。电流线和磁力线一样都可以在导体外的空间传递电磁能，在整个空间都可以有电流线和磁力线互相垂直相交，这种电磁能在空间存在的形式，就是电磁场。

麦克斯韦发现电磁场的这种实验方法，并不是通常意义下的科学实验，而是一种“抽象实验”，也叫理想实验。其特点是，这种实验并不只停留在实验设备所提供的现象阶段，而是在想象中把实验过程向前引申、发展下去，按照规律来推导出那种看不到的运动过程，将可能以什么样的形态出现。可见，理想实验是以思维活动为主，抓住过程的主要矛盾，来揭示过程的本质。麦克斯韦在想象中把磁场中的闭合力线缩成一个点，又把电场的闭合力线缩成一个点，于是实际中电场和磁场的关系，就被理想化为两个点之间的关系。这种抽象和化简的结果，就可以运用微分方程和场论的数学工具，进行抽象实验，即逻辑推演。从而，麦克斯韦概括出最高形式的逻辑判断：

在空间的一切点，若具有随时间而变化的磁场，不论这些点是否有导体存在，都必然有电场发生；反之，任何随时间而变化的电场，不论这些电是否有导体存在，都必然和磁场的存在相联系着。(www.xing528.com)

场的概念不仅有重大的物理意义，而且具有哲学意义。科学界早就发现许多自然过程的能量传递，并不只限于在直接接触中发生。在实物形态之外的广阔空间，各种能量的相互作用，一直是个无法解释的神秘领域。麦克斯韦的电磁场理论，揭示出场的本质是一种没有静止质量的物质存在形式，电磁场的物质承担者是光子，它没有静止质量，它只能在运动中存在。正象意识现象一样，它只能以动态的形式存在。目前生物学中把思维活动看作是一种生物场，都是基于这种观点，即场的本质是只能以动态形式存在。

1887年，赫兹用实验的方法正式发现了电磁波。赫兹实验的主要对象是电容器。在电容两极施加交变电场，根据电容器两个金属导体之间随着电压极性的改变，会分别带上符号相反的电荷，因而在其中间的电介质空间里会形成变化的电场。这个电场会随着所施加的交变电压，作相同周期的变化，并且在电容器的交变电场的垂直方向上，必然有涡旋状态的交变磁场伴生。为了使其频率更高一些，以加快振荡次数，必须减少电容极板的有效面积。这个周期性的运动过程，就是电容器吞吐电磁能的过程，即时而存储电荷（电容被电源充电），时而放出电荷（电容放电）。电容两极板的有效面积越大，这个充放电过程必然越慢。赫兹采用了两个圆环作电容器，在这个小容量的电容两极施加交变电压后，两圆环的间隙中便产生微弱的火花。这就表明已经产生了交变电场，麦克斯韦曾在抽象思维中所想的电磁扰动，便在赫兹圆环中实现了。

赫兹经过多次实验测定，电磁扰动具有反射现象和折射现象，具有波动特性，所以是电磁波。赫兹还测定了它的波长和速度。这个波长就是以光的速度传播的电磁扰动，每秒钟30万公里。把电磁波从长波到短波依次排列起来：

无线电波、红外线、可见光（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫）、紫外线、χ射线、y射线、宇宙线。

由于频率与周期互为倒数，上面各种电磁波的排列顺序，也是频率由低到高的顺序。

赫兹这一对简单的圆环叫赫兹振子，它是人类历史第一台无线电发射天线。此后的各种各样的无线天线，都是赫兹振子的演变形式。比如，为提高大功率的无线电发射台的发射效率，常把天线架到铁塔上，高高地支起两个金属圆球，让电磁波向四周空间漫无边际地飞翔。人类都生活在巨大的电磁场中，时刻处在各种频率的电磁波的包围中。但除了可见光以外，几乎都不会直接感觉到它的存在。

赫兹的实验不仅证实了电磁场的理论，而且还导致了无线电技术的兴起。1895年，物理学家卢瑟福利用他自己发明的检波器，使无线电信号的传输距离接近1英里。同年，马可尼发明了天地线法，能接收到2英里外发来的无线电信号。1897年，马可尼在10英里距离内进行了收发报表演，同年，马可尼的无线电报公司建立。东凯旋号灯船在海上遇难，利用马可尼的无线电报呼救，船员均被救。马可尼使用无线电技术走上了实用阶段。1900—1901年，俄国的波波夫制成了收发两用的无线电收发报机，并创造了电话接收机，在英、法、俄取得这项发明的专利权。收音机就是由波波夫的电话接收机发展而来的。到1899年，马可尼无线电报已能把英法两国联系起来，实现了远地通讯。

无线电技术在传播信息方面，比有线电更具独立处。有线电的方向性强，但却没有覆盖面积，无线电则可以在广阔的天地里传递信息，越出了有线电路的空间局限性，它预示着人们将可以在任何一个地方去接收电磁波所载荷的信息。

如果说法拉弟基于对电感的研究发现了电磁感应定律，从而为电力工业拉开了序幕；那么，麦克斯韦与赫兹就是基于对电容的研究，发现了电磁场和电磁波，从而为无线电技术和电子工业的发展拉开了序幕。