物理学史--电磁学的建立

1、2021/8/61电工与电子技术发展概况电工与电子技术发展概况电磁现象的早期研究电磁现象的早期研究电磁学的建立电磁学的建立电磁感应现象的发现与研究电磁感应现象的发现与研究电磁场理论的建立电磁场理论的建立2021/8/62一 电磁现象的早期认识电磁现象的早期认识公元前公元前7 7世纪，古希腊哲学家泰勒斯已经发现用毛织物摩擦世纪，古希腊哲学家泰勒斯已经发现用毛织物摩擦过的琥珀能吸引某些轻小物体。过的琥珀能吸引某些轻小物体。ElectricityElectricity（电）这个字的（电）这个字的起源就来自希腊文的起源就来自希腊文的“琥珀琥珀”(elec tron)(elec tron)。公元前公元前

2、7 7世纪，古希腊哲学家泰勒斯已经发现用毛织物摩擦世纪，古希腊哲学家泰勒斯已经发现用毛织物摩擦过的琥珀能吸引某些轻小物体。过的琥珀能吸引某些轻小物体。ElectricityElectricity（电）这个字的（电）这个字的起源就来自希腊文的起源就来自希腊文的“琥珀琥珀”(elec tron)(elec tron)。2021/8/63 首先对电和磁现象进行系统实验研究的是英国的威廉首先对电和磁现象进行系统实验研究的是英国的威廉吉尔吉尔伯特（伯特（William GilbertWilliam Gilbert，1544160315441603） 。他认识到电力和磁。他认识到电力和磁力是性质不同的两种

3、力。他第一个将琥珀和毛皮摩擦后吸引轻力是性质不同的两种力。他第一个将琥珀和毛皮摩擦后吸引轻小物体的性质叫做小物体的性质叫做“电电”。16001600年，吉尔伯特发表了年，吉尔伯特发表了论磁、论磁、磁 体 和 地 球 作 为 一 个 巨 大 的 磁 体磁 体 和 地 球 作 为 一 个 巨 大 的 磁 体 （ D e m a g n e t eD e m a g n e t e ， magneticisque corporibus et de magnomag nete telluremagneticisque corporibus et de magnomag nete tellure，简称简

4、称磁石论磁石论）。他总结了前人对磁的研究，周密地讨论了）。他总结了前人对磁的研究，周密地讨论了地磁的性质，记载了大量实验，使磁学从经验转变为科学。书地磁的性质，记载了大量实验，使磁学从经验转变为科学。书中他也记载了电学方面的研究。中他也记载了电学方面的研究。 (一) 吉尔伯特与吉尔伯特与2021/8/64 第一卷介绍了他的磁性第一卷介绍了他的磁性“小地球小地球”实验，实验，得出结论：地球本身就是一个巨大的磁体，得出结论：地球本身就是一个巨大的磁体，其两极位于地理的南极和北极附近；其两极位于地理的南极和北极附近； 第二卷详细地论述了电现象的实验研究与第二卷详细地论述了电现象的实验研究与结论，还把

5、电与磁的性质进行了比较；结论，还把电与磁的性质进行了比较； 第三卷记载了天然磁石的定向性；第三卷记载了天然磁石的定向性； 第四卷说明了磁偏角与不同地点和高度的第四卷说明了磁偏角与不同地点和高度的关系；关系； 第五卷介绍了测定磁倾角的仪器及各地磁第五卷介绍了测定磁倾角的仪器及各地磁倾角的大小；倾角的大小； 第六卷试图用物体的磁力来解释行星运动，第六卷试图用物体的磁力来解释行星运动，当然，他没有成功。当然，他没有成功。磁石论磁石论共分六卷。共分六卷。2021/8/65（二）（二） 莱顿瓶的发明莱顿瓶的发明 1720 1720年，格雷年，格雷(S.Gray(S.Gray，16751736)16751

6、736)研究了电的传导现象，研究了电的传导现象，发现导体与绝缘体的区别。随后，他又发现导体的静电感应现发现导体与绝缘体的区别。随后，他又发现导体的静电感应现象。象。 1734 1734年法国人杜菲（年法国人杜菲（Charles-Francois du Charles-Francois du FayFay，1696169617391739）在实验中发现带电的玻璃和）在实验中发现带电的玻璃和带电的琥珀是相互吸引的，但是两块带电的琥带电的琥珀是相互吸引的，但是两块带电的琥珀或者两块带电的玻璃则是相互排斥的。杜菲珀或者两块带电的玻璃则是相互排斥的。杜菲根据大量的实验事实断定电有两种：一种是与根据大量的

7、实验事实断定电有两种：一种是与琥珀带的电性质相同，叫做琥珀带的电性质相同，叫做“琥珀电琥珀电”；一种；一种是与玻璃带的电性质相同，叫做是与玻璃带的电性质相同，叫做“玻璃电玻璃电”。 1745 1745年普鲁士（德国的前身）的一位副主教克莱斯特年普鲁士（德国的前身）的一位副主教克莱斯特(Ewald (Ewald Georg von KleistGeorg von Kleist，1700-1748)1700-1748)在实验中利用导线将摩擦所起在实验中利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时，受到猛烈的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时，受到猛烈的一击，他由此发现了放

8、电现象。的一击，他由此发现了放电现象。 2021/8/66 1746 1746年，荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克（年，荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克（Pieter Pieter von Musschenbrock, 1692von Musschenbrock, 169217611761）在克莱斯特发现的启发下）在克莱斯特发现的启发下发明了收集电荷的发明了收集电荷的“莱顿瓶莱顿瓶”。 马森布罗克看到好不容易取得的电很容易地在空气中消失，马森布罗克看到好不容易取得的电很容易地在空气中消失，所以想寻找一种保存电的方法。有一天，他用一支枪管悬在空所以想寻找一种保存电的方法。有一天，他用一支枪管

9、悬在空中，用起电机与枪管连着，另用一根铜线从枪管中引出，浸入中，用起电机与枪管连着，另用一根铜线从枪管中引出，浸入一个盛有水的玻璃瓶中，他让一个助手一只手握着玻璃瓶，马一个盛有水的玻璃瓶中，他让一个助手一只手握着玻璃瓶，马森布罗克在一旁使劲摇动起电机。这时他的助手不小心将另一森布罗克在一旁使劲摇动起电机。这时他的助手不小心将另一只手碰到枪管上，他猛然感到一次强烈的电击，喊了起来。马只手碰到枪管上，他猛然感到一次强烈的电击，喊了起来。马森布罗克于是与助手互换了一下，让助手摇起电机，他自己一森布罗克于是与助手互换了一下，让助手摇起电机，他自己一手拿水瓶子，另一只手去碰枪管。手拿水瓶子，另一只手去碰

10、枪管。 “我想告诉你一个新奇但是可怕的实验事实，但我警告你无我想告诉你一个新奇但是可怕的实验事实，但我警告你无论如何也不要再重复这个实验论如何也不要再重复这个实验突然，我的手受到了一下力量突然，我的手受到了一下力量很大的打击，使我的全身都震动了很大的打击，使我的全身都震动了手臂和身体产生了一种无手臂和身体产生了一种无法形容的恐怖感觉。一句话，我以为我命休矣！法形容的恐怖感觉。一句话，我以为我命休矣！”2021/8/67 虽然马森布罗克不愿再做这个实验，但他由此得出结论：把虽然马森布罗克不愿再做这个实验，但他由此得出结论：把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来。只是当时搞不清楚起带电体放在玻璃瓶内

11、可以把电保存下来。只是当时搞不清楚起保存电作用的究竟是瓶子还是瓶子里的水，后来人们就把这个保存电作用的究竟是瓶子还是瓶子里的水，后来人们就把这个蓄电的瓶子称作蓄电的瓶子称作“莱顿瓶莱顿瓶”，这个实验称为，这个实验称为“莱顿瓶实验莱顿瓶实验”。这种这种“电震电震”现象的发现，轰动一时，极大的增加了人们对莱现象的发现，轰动一时，极大的增加了人们对莱顿瓶的关注。顿瓶的关注。2021/8/68莱顿瓶的发明，使物理学家们第莱顿瓶的发明，使物理学家们第一次有办法存储大量电荷，并对一次有办法存储大量电荷，并对其性质进行研究。其性质进行研究。2021/8/69法国人诺莱特在巴黎进行的莱顿瓶表演（法国国王路易十

12、五法国人诺莱特在巴黎进行的莱顿瓶表演（法国国王路易十五及皇室成员临场观看）及皇室成员临场观看） 2021/8/610（三）（三） 两种电流质假说的提出与争论两种电流质假说的提出与争论 1747 1747年，富兰克林提出了单元电液理论。认为带电的两物体年，富兰克林提出了单元电液理论。认为带电的两物体是通过电液的迁移，其一具有比正常情况少一些的电液，另一是通过电液的迁移，其一具有比正常情况少一些的电液，另一个物体具有了比正常情况多一些的电液。相互接触后，又恢复个物体具有了比正常情况多一些的电液。相互接触后，又恢复到都具有正常数量的电液，则两个物体都不显电性。他提出了到都具有正常数量的电液，则两个物

13、体都不显电性。他提出了正电和负电的概念，他认为缺少电液，就是带负电，可以用正电和负电的概念，他认为缺少电液，就是带负电，可以用“”号表示；带超过正常情况的电液就带正电，用号表示；带超过正常情况的电液就带正电，用“ “ + ”+ ”号号表示。正、负电可互相抵消。正、负电的提出，为定量研究电表示。正、负电可互相抵消。正、负电的提出，为定量研究电现象提供了基础，使人们第一次可以用数学来表示带电现象，现象提供了基础，使人们第一次可以用数学来表示带电现象，其重要性是显而易见的。其重要性是显而易见的。 为了解释摩擦起电及电的吸引和排斥现象，法国人杜菲为了解释摩擦起电及电的吸引和排斥现象，法国人杜菲（Cha

14、rles-Francois du FayCharles-Francois du Fay，1696169617391739）认为存在两种流）认为存在两种流质，可以通过摩擦的形式把它们分开，使两个物体带异种电荷质，可以通过摩擦的形式把它们分开，使两个物体带异种电荷而相互吸引，当它们结合时，又彼此中和。这个假设后来被称而相互吸引，当它们结合时，又彼此中和。这个假设后来被称为杜菲的为杜菲的“双流说双流说”。2021/8/611 富兰克林的理论足以解释当时人们已知的绝大部分静电现象。富兰克林的理论足以解释当时人们已知的绝大部分静电现象。现在我们知道，所谓的电液是不存在的，比较容易迁移的是带现在我们知道，

15、所谓的电液是不存在的，比较容易迁移的是带负电的载体负电的载体电子，用电液迁移来解释电现象并不科学。电子，用电液迁移来解释电现象并不科学。 尽尽管这样，正、负电的概念和电荷守恒的观念是至今仍然有效的管这样，正、负电的概念和电荷守恒的观念是至今仍然有效的科学观念，是富兰克林对电学的一大贡献。科学观念，是富兰克林对电学的一大贡献。 2021/8/612（四）（四）富兰克林及其电荷守恒定律富兰克林及其电荷守恒定律 富兰克林还认为摩擦只能使电液从一个物体转移到另一个物富兰克林还认为摩擦只能使电液从一个物体转移到另一个物体上，即体上，即“电不是摩擦玻璃管而电不是摩擦玻璃管而 产生的，而只是从摩擦者转移产生

16、的，而只是从摩擦者转移到了玻璃管，摩擦者失去的电与玻璃管获得的电严格相同到了玻璃管，摩擦者失去的电与玻璃管获得的电严格相同”。 这就告诉人们，在任一绝缘体系中电的总量是不变的，这就是这就告诉人们，在任一绝缘体系中电的总量是不变的，这就是通常所说的通常所说的电荷守恒原理电荷守恒原理。 富兰克林所做的另一项重大贡献是统一了天电和地电。当时富兰克林所做的另一项重大贡献是统一了天电和地电。当时的欧洲和美国的大多数人认为雷电是的欧洲和美国的大多数人认为雷电是“上帝之火上帝之火”，是天神发，是天神发怒的结果。为破除这种迷信怒的结果。为破除这种迷信 ，富兰克林通过亲自进行大量的实，富兰克林通过亲自进行大量的

17、实验，证明了雷电的电与摩擦电本质上是一样的。彻底破除了人验，证明了雷电的电与摩擦电本质上是一样的。彻底破除了人们对雷电的恐惧、迷信心理。富兰克林据此提出了制造避雷针们对雷电的恐惧、迷信心理。富兰克林据此提出了制造避雷针的设想，使建筑物免遭雷击。的设想，使建筑物免遭雷击。2021/8/613费城实验费城实验 在在 1752 1752 年年 7 7 月的一个雷雨月的一个雷雨天富兰克林做了著名的费城实验：天富兰克林做了著名的费城实验：风筝上安上一根尖细的铁丝，用风筝上安上一根尖细的铁丝，用来捕捉电，并用麻绳与这铁丝相来捕捉电，并用麻绳与这铁丝相连，麻绳的末端拴一把铜钥匙，连，麻绳的末端拴一把铜钥匙，

18、钥匙塞在莱顿瓶中间。钥匙塞在莱顿瓶中间。 2021/8/614 富兰克林（富兰克林（Benjamin FranklinBenjamin Franklin，1706179017061790年）是年）是1818世纪美国的实业家、世纪美国的实业家、科学家、社会活动家、思想家和外交家，科学家、社会活动家、思想家和外交家，美国美国独立宣言独立宣言和美国宪法的起草人和美国宪法的起草人之一。之一。 富兰克林出身于相当贫寒的家庭，一生只念过两年书。但富兰克林出身于相当贫寒的家庭，一生只念过两年书。但他利用业余时间刻苦自学，广泛地接受了多方面的知识，终于他利用业余时间刻苦自学，广泛地接受了多方面的知识，终于成为

19、电学研究的先驱。他曾说过；成为电学研究的先驱。他曾说过； 你热爱生命吗？那么别浪你热爱生命吗？那么别浪费时间，因为时间是组成生命的材料。费时间，因为时间是组成生命的材料。 2021/8/615（五）伽伐尼电流的发现（五）伽伐尼电流的发现 1780 1780年，意大利科学家伽伐尼（年，意大利科学家伽伐尼（Luigi Luigi Galvani,1737Galvani,17371798)1798)在一次解剖青蛙时有一个在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现，一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的偶然的发现，一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外

20、露的神经时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验，又观察到同样的现象。复了这个实验，又观察到同样的现象。 他以严谨的科学态度，选择各种不同他以严谨的科学态度，选择各种不同的金属，例如铜和铁或铜和银，接在一起，的金属，例如铜和铁或铜和银，接在一起，而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会发生这样的现象。他认为这是一种生物电发生这样的现象。他认为这是一种生物电现象，

21、并于现象，并于17911791年发表了题为年发表了题为关于电对关于电对肌肉运动的作用肌肉运动的作用的论文。的论文。 2021/8/616 1791 1791年意大利物理学家亚历山德罗年意大利物理学家亚历山德罗 伏打伏打(Alessandro (Alessandro VoltaVolta，174517451827)1827)得知伽伐尼的这一发现，引起了他的极大得知伽伐尼的这一发现，引起了他的极大兴趣，作了一系列实验，甚至还在自己身上做实验。他用两种兴趣，作了一系列实验，甚至还在自己身上做实验。他用两种金属接成一根弯杆，一端放在嘴里，另一端和眼睛接触，在接金属接成一根弯杆，一端放在嘴里，另一端和眼

22、睛接触，在接触的瞬间就有光亮的感觉产生。他用舌头舔着一枚金币和一枚触的瞬间就有光亮的感觉产生。他用舌头舔着一枚金币和一枚银币，然后用导线把硬币连接起来，就在连接的瞬间，舌头有银币，然后用导线把硬币连接起来，就在连接的瞬间，舌头有发麻的感觉。这些实验证明：电不仅能够产生颤动，而且还会发麻的感觉。这些实验证明：电不仅能够产生颤动，而且还会影响视觉和味觉神经。影响视觉和味觉神经。 1793 1793年伏打发表一篇论文，总结了自己的实验，不同意伽伐年伏打发表一篇论文，总结了自己的实验，不同意伽伐尼关于动物生电的观点。伏打在伽伐尼实险的基础上，致力研尼关于动物生电的观点。伏打在伽伐尼实险的基础上，致力研

23、究两种不同金属的接触。他得出了新的结论，认为两金属不仅究两种不同金属的接触。他得出了新的结论，认为两金属不仅仅是导体，而且是由它们产生电流的。用伏打自己的话来说：仅是导体，而且是由它们产生电流的。用伏打自己的话来说：金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏打并把这种电金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为流命名为“金属的金属的”或或“接触的接触的”电流。他为了尊重伽伐尼的电流。他为了尊重伽伐尼的最先发现权，把这种电流称为最先发现权，把这种电流称为“伽伐尼电流伽伐尼电流”。2021/8/617 伏打发现当金属浸入某些液体时，也会发生同样的伏打发现当金属浸入某些液体时，也

24、会发生同样的电流效应。伏打开始是用几只碗盛了盐水，把几对黄电流效应。伏打开始是用几只碗盛了盐水，把几对黄铜和锌做成的电极连接起来，就有电流产生。铜和锌做成的电极连接起来，就有电流产生。18001800年年3 3月月2020日，伏打宣布了一个重要的发现，这就是著名的日，伏打宣布了一个重要的发现，这就是著名的“伏打电池伏打电池”（左图）。他用（左图）。他用3030块、块、4040块、块、6060块或更块或更多的铜片（最好是用银片），每一片都和一块锡片多的铜片（最好是用银片），每一片都和一块锡片（最好是锌片）接触，并且用相同数目的水层或比纯（最好是锌片）接触，并且用相同数目的水层或比纯水更好些的导电

25、液体层，好食盐水或碱水等，或是浸水更好些的导电液体层，好食盐水或碱水等，或是浸透这些液体的纸壳或皮革透这些液体的纸壳或皮革。银片和锌片是两种不。银片和锌片是两种不同的金属，盐水或其他导电溶液作为电解液，它们构同的金属，盐水或其他导电溶液作为电解液，它们构成了电流回路。这是一种比较原始的电池，是由很多成了电流回路。这是一种比较原始的电池，是由很多银锌电池连接而成的电池组。银锌电池连接而成的电池组。 伏打（伏打（Alessandro Volta,1745Alessandro Volta,174518271827）意大利物理学）意大利物理学家。家。17451745年年2 2月月1818日生于科莫。学

26、生时代就会对自然科学有日生于科莫。学生时代就会对自然科学有浓厚兴趣。浓厚兴趣。1774177417791779年任科莫大学预科物理学教授。年任科莫大学预科物理学教授。1779177918151815年任帕多瓦大学哲学系主任。年任帕多瓦大学哲学系主任。18191819年退休后回年退休后回到故乡科莫。到故乡科莫。18271827年年3 3月月5 5日在该地逝世。日在该地逝世。（六）伏打电堆的发明（六）伏打电堆的发明2021/8/618 伏打证明这个堆的一端带正电，另一端带负电，当时引起伏打证明这个堆的一端带正电，另一端带负电，当时引起极大的轰动。这是第一个能人为产生稳定、持续电流的装置，极大的轰动

27、。这是第一个能人为产生稳定、持续电流的装置，为电流现象的研究提供了物质基础，也为电流效应的应用打开为电流现象的研究提供了物质基础，也为电流效应的应用打开了前景，并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具，促使了前景，并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具，促使电学研究有一个巨大的进展。伏打的成就受到各界普遍赞赏，电学研究有一个巨大的进展。伏打的成就受到各界普遍赞赏，科学界用他的姓氏命名电势，电势差（电压）的单位，为科学界用他的姓氏命名电势，电势差（电压）的单位，为“伏伏特特”（就是伏打，音译演变的），简称（就是伏打，音译演变的），简称“伏伏”。 2021/8/6192 2 电磁学的建立电磁学的

28、建立 从从1818世纪中期开始，对电磁现象的研究进入了定量阶段。电世纪中期开始，对电磁现象的研究进入了定量阶段。电荷间的相互作用规律被发现。荷间的相互作用规律被发现。18201820年，奥斯特发现了电流的磁年，奥斯特发现了电流的磁效应。效应。1919世纪世纪2020年代，安培发表了年代，安培发表了“电动力学的观察汇编电动力学的观察汇编”和和电动力学理论电动力学理论等集当时电理论研究之大成的著作。至此电等集当时电理论研究之大成的著作。至此电磁学理论基本建立。磁学理论基本建立。（一）（一） 卡文迪许及其平方反比定律卡文迪许及其平方反比定律 18 18世纪中叶，牛顿力学已经取得辉煌胜利，人们借助于万

29、有世纪中叶，牛顿力学已经取得辉煌胜利，人们借助于万有引力的规律，对电力和磁力作了种种猜测。引力的规律，对电力和磁力作了种种猜测。 德国柏林科学院院士爱皮努斯德国柏林科学院院士爱皮努斯(F.U.T.Aepinus(F.U.T.Aepinus，172417241802)17591802)1759年对电力作了研究。他在书中假设电荷之间的斥力和年对电力作了研究。他在书中假设电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减少而增大，于是对静电感应现象作吸力随带电物体的距离的减少而增大，于是对静电感应现象作出了更完善的解释。不过，他并没有实际测量电荷间的作用力，出了更完善的解释。不过，他并没有实际测量电荷间的作用

30、力，因而只是一种猜测。因而只是一种猜测。 2021/8/620 1760 1760年，年，D D伯努利首先猜测电力会不会也跟万有引力一样，伯努利首先猜测电力会不会也跟万有引力一样，服从平方反比定律。服从平方反比定律。 富兰克林的空罐实验（也叫冰桶实验）对电力规律有重要启富兰克林的空罐实验（也叫冰桶实验）对电力规律有重要启示。示。17551755年，他在给兰宁年，他在给兰宁(John Lining)(John Lining)的信中，提到过这样的的信中，提到过这样的实验：实验： “ “我把一只品脱银罐放在电支架（即绝缘支架）上，使它带我把一只品脱银罐放在电支架（即绝缘支架）上，使它带电，用丝线吊着

31、一个直径约为电，用丝线吊着一个直径约为1 1英寸的木椭球，放进银罐中，直英寸的木椭球，放进银罐中，直到触及罐的底部，但是，当取出时，却没有发现接触使它带电，到触及罐的底部，但是，当取出时，却没有发现接触使它带电，象从外部接触的那样。象从外部接触的那样。”2021/8/621 富兰克林的这封信不久跟其他有关天电和尖端放电等问题的富兰克林的这封信不久跟其他有关天电和尖端放电等问题的信件，被人们整理公开发表流传甚广，很多人都知道这个空罐信件，被人们整理公开发表流传甚广，很多人都知道这个空罐实验，不过也和富兰克林一样，不知如何解释这一实验现象。实验，不过也和富兰克林一样，不知如何解释这一实验现象。富兰

32、克林有一位英国友人，名叫普利斯特利（富兰克林有一位英国友人，名叫普利斯特利（Joseph Priest Joseph Priest leyley，1733180417331804），是化学家，对电学也很有研究。富兰克林），是化学家，对电学也很有研究。富兰克林写信告诉他这个实验并向他求教。普利斯特利专门重复了这个写信告诉他这个实验并向他求教。普利斯特利专门重复了这个实验，在实验，在17671767年的年的电学历史和现状及其原始实验电学历史和现状及其原始实验一书中他一书中他写道：写道： “难道我们就不可以从这个实验得出结论：电的吸引与万有难道我们就不可以从这个实验得出结论：电的吸引与万有引力服从同

33、一定律，即距离的平方，因为很容易证明，假如地引力服从同一定律，即距离的平方，因为很容易证明，假如地球是一个球壳，在壳内的物体受到一边的吸引作用，决不会大球是一个球壳，在壳内的物体受到一边的吸引作用，决不会大于另一边的吸引。于另一边的吸引。” 不过，普利斯特利的结论并没有得到科学界的普遍重视，因不过，普利斯特利的结论并没有得到科学界的普遍重视，因为他并没有特别明确地进行论证，仍然停留在猜测的阶段，一为他并没有特别明确地进行论证，仍然停留在猜测的阶段，一直拖了直拖了1818年，才由库仑正式提出。年，才由库仑正式提出。2021/8/622 其实早在其实早在17731773年，卡文迪许比库仑早年，卡文

34、迪许比库仑早1212年就发现了年就发现了“库仑定库仑定律律”。可惜他没有发表他的研究结果。可惜他没有发表他的研究结果。 他在他在17731773年用两个同心金属壳作实验，外球壳由两个半球装年用两个同心金属壳作实验，外球壳由两个半球装置而成，两半球合起来正好形成内球的同心球。卡文迪什这样置而成，两半球合起来正好形成内球的同心球。卡文迪什这样描述他的装置：描述他的装置： “ “我取一个直径为我取一个直径为12.112.1英寸的球，用一根实心英寸的球，用一根实心的玻璃棒穿过中心当作轴，并覆盖以封蜡。的玻璃棒穿过中心当作轴，并覆盖以封蜡。然后把这个球然后把这个球封在两个中空的半球中间，半正极接到半球，

35、使半球带电。封在两个中空的半球中间，半正极接到半球，使半球带电。” 卡文迪什用一根导线将内外球联起来，外球壳带电后，取走卡文迪什用一根导线将内外球联起来，外球壳带电后，取走导线，打开外球壳，用验电器试验内球是否带电。结果发现验导线，打开外球壳，用验电器试验内球是否带电。结果发现验电器没有指示，证明内球没有带电，电荷完全分布在外球上。电器没有指示，证明内球没有带电，电荷完全分布在外球上。 卡文迪什将这个实验重复了多次，确定电力服从平方反比定卡文迪什将这个实验重复了多次，确定电力服从平方反比定律，指数偏差不超过律，指数偏差不超过0.020.02。卡文迪什这个实验的设计相当巧妙。卡文迪什这个实验的设

36、计相当巧妙。他用的是当年最原始的电测仪器，却获得了相当可靠而且精确他用的是当年最原始的电测仪器，却获得了相当可靠而且精确的结果。他成功的关键在于掌握了牛顿万有引力定律这一理论的结果。他成功的关键在于掌握了牛顿万有引力定律这一理论武器，通过数学处理，将直接测量变为间接测量，从而得到了武器，通过数学处理，将直接测量变为间接测量，从而得到了电力的平方反比定律。电力的平方反比定律。2021/8/623（二）（二） 库仑定律的建立库仑定律的建立 库仑（库仑（Charlse-Augustin de CoulombCharlse-Augustin de Coulomb 1736173618061806年）是

37、法国工程师和物理学家。年）是法国工程师和物理学家。青少年时期，库仑受过良好的教育。离开青少年时期，库仑受过良好的教育。离开学校后，库仑当过军事工程队的工程师，学校后，库仑当过军事工程队的工程师，对材料的性质、物体上应力和应变的计算对材料的性质、物体上应力和应变的计算十分在行。十分在行。 1781 1781年库仑研究了摩擦定律，研究了丝线和金属丝的扭转，年库仑研究了摩擦定律，研究了丝线和金属丝的扭转，确立了弹性扭转的定律。根据这些成果，确立了弹性扭转的定律。根据这些成果，17841784年库仑制成了测年库仑制成了测量力的仪器量力的仪器-扭秤。扭秤。17851785年，他借助扭秤在实验上确立了静电

38、年，他借助扭秤在实验上确立了静电学基本定律即库仑定律。同年，他在给法国科学院的学基本定律即库仑定律。同年，他在给法国科学院的电力定电力定律律的论文中详细地介绍了他的实验装置，测试经过和实验结的论文中详细地介绍了他的实验装置，测试经过和实验结果。果。2021/8/624库仑扭秤库仑扭秤2021/8/625（三）（三） 奥斯特的发现奥斯特的发现 奥斯特奥斯特 丹麦物理学家奥斯特丹麦物理学家奥斯特(Hans (Hans Christian OerstedChristian Oersted，17771851)177717771851)1777年年8 8月月1414日生于丹麦朗格兰德岛一个药剂师家日生于

39、丹麦朗格兰德岛一个药剂师家庭庭1212岁开始帮助父亲在药房里干活，同时岁开始帮助父亲在药房里干活，同时坚持学习化学由于刻苦攻读，坚持学习化学由于刻苦攻读，1717岁以优异岁以优异的成绩考取了哥本哈根大学的免费生他一的成绩考取了哥本哈根大学的免费生他一边当家庭教师，一边在学校学习药物学、天边当家庭教师，一边在学校学习药物学、天文、数学、物理、化学等文、数学、物理、化学等18061806年任哥本哈年任哥本哈根大学物理学教授，根大学物理学教授，18211821年被选为英国皇家年被选为英国皇家学会会员，学会会员，18231823年被选为法国科学院院士，年被选为法国科学院院士，后来任丹麦皇家科学协会会长

40、后来任丹麦皇家科学协会会长2021/8/626 电和磁有没有联系？这是先人经常思索的问题。电和磁有没有联系？这是先人经常思索的问题。 1717世纪初，世纪初，吉尔伯特就断言，它们之间没有因果关系，库仑也持同样观点。吉尔伯特就断言，它们之间没有因果关系，库仑也持同样观点。然而实际事例不断吸引人们注意。例如：然而实际事例不断吸引人们注意。例如：17311731年有一名英国商年有一名英国商人诉述，雷闪过后，他的一箱新刀叉竟带上了磁性。人诉述，雷闪过后，他的一箱新刀叉竟带上了磁性。17511751年富年富兰克林发现在莱顿瓶放电后，缝纫针磁化了。兰克林发现在莱顿瓶放电后，缝纫针磁化了。 电真的会产生磁吗

41、？这个疑问促使电真的会产生磁吗？这个疑问促使17741774年德国一家研究机构年德国一家研究机构悬奖征解，题目是：悬奖征解，题目是：“电力和磁力是否存在实际和物理的相似电力和磁力是否存在实际和物理的相似性？性？”许多人纷纷作实验进行研究，但是，在伏打发明电堆以许多人纷纷作实验进行研究，但是，在伏打发明电堆以前，这类实验很难成功，因为没有产生稳恒电流的条件。不过，前，这类实验很难成功，因为没有产生稳恒电流的条件。不过，即使有了伏打电堆，也不一定能立即找到电和磁的联系。即使有了伏打电堆，也不一定能立即找到电和磁的联系。 1819 1819年冬，奥斯特在哥本哈根开设了一个讲座，讲授电磁学年冬，奥斯特

42、在哥本哈根开设了一个讲座，讲授电磁学方面的课题。在备课中，奥斯特分析了前人在电流方向上寻找方面的课题。在备课中，奥斯特分析了前人在电流方向上寻找磁效应都未成功的事实，想到磁效应可能像电流通过导线产生磁效应都未成功的事实，想到磁效应可能像电流通过导线产生热和光那样是向四周散射的，即是一种横向力，而不是纵向的。热和光那样是向四周散射的，即是一种横向力，而不是纵向的。2021/8/627 1820 1820年春，奥斯特安排了一个这方面的实验，他采用讲演时年春，奥斯特安排了一个这方面的实验，他采用讲演时常用的电池槽，让电流通过一根很细的铂丝，把一个带玻璃罩常用的电池槽，让电流通过一根很细的铂丝，把一个

43、带玻璃罩的指南针放在铂丝下面，实验没有取得明显的效果的指南针放在铂丝下面，实验没有取得明显的效果18201820年年4 4月月的一天晚上，奥斯特在讲课中突然出现了一个想法，讲课快结的一天晚上，奥斯特在讲课中突然出现了一个想法，讲课快结束时，他说：让我把导线与磁针平行放置来试试看当他接通束时，他说：让我把导线与磁针平行放置来试试看当他接通电源时，他发现小磁针微微动了一下这一现象使奥斯特又惊电源时，他发现小磁针微微动了一下这一现象使奥斯特又惊又喜，他紧紧抓住这一现象，连续进行了又喜，他紧紧抓住这一现象，连续进行了3 3个月的实验研究，终个月的实验研究，终于在于在18201820年年7 7月月212

44、1日发表了题为日发表了题为关于磁针上的电流碰撞的实验关于磁针上的电流碰撞的实验的论文。的论文。 奥斯特从实验总结出：电流的作用仅存在于载流导线的周围；奥斯特从实验总结出：电流的作用仅存在于载流导线的周围；沿着螺纹方向垂直于导线；电流对磁针的作用可以穿过各种不沿着螺纹方向垂直于导线；电流对磁针的作用可以穿过各种不同的介质；作用的强弱决定于介质，也决定于导线到磁针的距同的介质；作用的强弱决定于介质，也决定于导线到磁针的距离和电流的强弱；铜和其他一些材料做的针不受电流作用；通离和电流的强弱；铜和其他一些材料做的针不受电流作用；通电的环形导体相当于一个磁针，具有两个磁极，等等。电的环形导体相当于一个磁

45、针，具有两个磁极，等等。2021/8/628奥斯特奥斯特奥斯特实验奥斯特实验2021/8/629 奥斯特发现的电流磁效应，是科学史上的重大发现它立即奥斯特发现的电流磁效应，是科学史上的重大发现它立即引起了那些懂得它的重要性和价值的人们的注意。在这一重大引起了那些懂得它的重要性和价值的人们的注意。在这一重大发现之后，一系列的新发现接连出现。发现之后，一系列的新发现接连出现。2021/8/630（四）（四） 安陪定律的建立安陪定律的建立 奥斯特发现电流磁效应的消息传到德国和瑞士后，正在日内奥斯特发现电流磁效应的消息传到德国和瑞士后，正在日内瓦的法国科学家阿拉果（瓦的法国科学家阿拉果（AragoAr

46、ago）闻讯赶回巴黎，向法国科学院）闻讯赶回巴黎，向法国科学院报告并演示了奥斯特的实验，引起法国科学界的极大兴趣。毕报告并演示了奥斯特的实验，引起法国科学界的极大兴趣。毕奥（奥（J. B.BiotJ. B.Biot， 1774186217741862）和萨伐（）和萨伐（Felix SavartFelix Savart，1791184117911841）更仔细地研究了直线载流导线对磁针的作用，确）更仔细地研究了直线载流导线对磁针的作用，确定这个作用力正比于电流强度，反比于电流与磁极的距离，力定这个作用力正比于电流强度，反比于电流与磁极的距离，力的方向垂直于这一距离。的方向垂直于这一距离。 安培安

47、培(Ampre(Ampre，Andr-MarieAndr-Marie，17751836)17751836)则从电流与电流则从电流与电流之间的相互作用进行探讨，他把磁性归结为电流之间的相互作之间的相互作用进行探讨，他把磁性归结为电流之间的相互作用，为了定量研究电流之间的相互作用，用，为了定量研究电流之间的相互作用，他他设计了四个极其精设计了四个极其精巧的实验，并在这些实验的基础上进行数学推导，得到普遍的巧的实验，并在这些实验的基础上进行数学推导，得到普遍的电动力公式，为电动力学奠定了基础。这四个实验用的都是示电动力公式，为电动力学奠定了基础。这四个实验用的都是示零法，得到了精确可靠的结果。零法，

48、得到了精确可靠的结果。2021/8/631 安培安培(Ampre(Ampre，Andr-MarieAndr-Marie，177517751836)1836)是法国物理学家、数学家是法国物理学家、数学家17751775年年1 1月月2222日生于里昂一个商人家庭父亲为他日生于里昂一个商人家庭父亲为他安排了按照自己的意愿来学习的环境他安排了按照自己的意愿来学习的环境他自幼聪明好学，具有惊人的记忆力，尤其自幼聪明好学，具有惊人的记忆力，尤其是在数学方面有非凡的天赋是在数学方面有非凡的天赋1212岁学习了岁学习了微积分，微积分，1313岁发表关于螺旋线的论文岁发表关于螺旋线的论文1818岁时，除了拉丁

49、语，还通晓意大利语和希岁时，除了拉丁语，还通晓意大利语和希腊语腊语18051805年定居巴黎，担任法兰西学院年定居巴黎，担任法兰西学院的物理教授，的物理教授，18141814年参加了法国科学会，年参加了法国科学会，18181818年担任巴黎大学总督学，年担任巴黎大学总督学，18271827年被选年被选为英国皇家学会会员。他还是柏林科学院为英国皇家学会会员。他还是柏林科学院和斯德哥尔摩科学院院士。和斯德哥尔摩科学院院士。2021/8/632 第一个实验证明电流反向，作用力也反向。安培用一无定第一个实验证明电流反向，作用力也反向。安培用一无定向秤检验对折的通电导线有无磁力作用。所谓无定向秤，实际向

50、秤检验对折的通电导线有无磁力作用。所谓无定向秤，实际上是两个方向相反的通电线圈，悬吊在水银槽下。如果两个线上是两个方向相反的通电线圈，悬吊在水银槽下。如果两个线圈受力不均衡，就会发生偏转。实验结果是：当对折导线通电圈受力不均衡，就会发生偏转。实验结果是：当对折导线通电时，无定向秤丝毫不动，证明强度相等、方向相反的两个靠得时，无定向秤丝毫不动，证明强度相等、方向相反的两个靠得很近的电流对另一电流产生的吸力和斥力在绝对值上是相等的。很近的电流对另一电流产生的吸力和斥力在绝对值上是相等的。 第二个实验证明磁作用的方向性。安培仍用无定向秤，将对第二个实验证明磁作用的方向性。安培仍用无定向秤，将对折导线

51、中的一根绕成螺旋状，结果也是没有作用，说明弯曲折导线中的一根绕成螺旋状，结果也是没有作用，说明弯曲的电流和直线的电流是等效的，因此可以把弯曲电流看成是许的电流和直线的电流是等效的，因此可以把弯曲电流看成是许多小段电流（即电流元）组成，它的作用就是各小段电流的矢多小段电流（即电流元）组成，它的作用就是各小段电流的矢量和。量和。2021/8/633 第三个实验研究作用力的方向。安培把圆弧形导体架在水银第三个实验研究作用力的方向。安培把圆弧形导体架在水银槽上，经水银槽通电。改变通电回路或用各种通电线圈对它作槽上，经水银槽通电。改变通电回路或用各种通电线圈对它作用，圆弧导体都不动，说明作用力一定垂直于

52、载流导体。用，圆弧导体都不动，说明作用力一定垂直于载流导体。 第四个实验检验作用力与电第四个实验检验作用力与电流及距离的关系。安培用三个流及距离的关系。安培用三个相似的线圈，其半径之比分相似的线圈，其半径之比分别等于其距离之比。通电后，别等于其距离之比。通电后，中间的线圈丝毫不动，说明第中间的线圈丝毫不动，说明第一个线圈和第三个线圈对第二一个线圈和第三个线圈对第二个线圈的作用相互抵消。由此个线圈的作用相互抵消。由此得出结论：载流导线的长度与得出结论：载流导线的长度与作用距离增加相同倍数时，作作用距离增加相同倍数时，作用不变。用不变。安培研究电流相互作用的仪器安培研究电流相互作用的仪器2021/

53、8/634 在上述实验的基础上，安培于在上述实验的基础上，安培于18201820年年1212月月4 4日推出了反映电日推出了反映电流间的相互作用的公式，流间的相互作用的公式，即两个电流元之间的作用力跟它们之即两个电流元之间的作用力跟它们之间距离的平方成反比，这就是著名的安培定律间距离的平方成反比，这就是著名的安培定律。11221212121 2 1235121232dL rdLrdL dLdFKI I rrr 安培最初发表的公式如下：安培最初发表的公式如下：安培定律目前的表达式为：安培定律目前的表达式为：1 2211212312I I dLdLrdFKr2021/8/635 安培还进一步探索了

54、磁的本质，安培还进一步探索了磁的本质，于于18211821年年1 1月提出了分子电月提出了分子电流假说流假说，认为每个分子形成的圆形电流就相当于一根小磁针。，认为每个分子形成的圆形电流就相当于一根小磁针。安培把磁和电流联系起来，从本质上认识了磁和电的统一。安培把磁和电流联系起来，从本质上认识了磁和电的统一。 18271827年，安培在其发表的年，安培在其发表的电动力学理论电动力学理论总结了已知的电总结了已知的电磁现象，得到了磁场的安培环路定理等。安培把牛顿力学引入磁现象，得到了磁场的安培环路定理等。安培把牛顿力学引入电学，创立了电动力学，电学，创立了电动力学，被麦克斯韦誉为被麦克斯韦誉为“电学

55、中的牛顿电学中的牛顿”。 安培定律的公式从形式上看，与牛顿的万有引力定律非常安培定律的公式从形式上看，与牛顿的万有引力定律非常相似。安培正是遵循牛顿的路线，仿照力学的理论体系，创建相似。安培正是遵循牛顿的路线，仿照力学的理论体系，创建了电动力学。他认定电流元之间的相互作用力是电磁现象的核了电动力学。他认定电流元之间的相互作用力是电磁现象的核心，电流元相当于力学中的质点，它们之间存在超距作用，就心，电流元相当于力学中的质点，它们之间存在超距作用，就象万有引力一样。象万有引力一样。2021/8/636（五）（五） 欧姆定律的建立欧姆定律的建立欧姆研究电路的欧姆研究电路的实验装置实验装置 欧姆欧姆(

56、Georg Simon Ohm(Georg Simon Ohm，17891845) 17891845) 17891789年年3 3月月1616日出生在南德意志巴伐利亚的爱尔日出生在南德意志巴伐利亚的爱尔朗根。他在朗根。他在18051805年考入爱尔朗根大学，但他只年考入爱尔朗根大学，但他只读了三个学期就被父亲送到了瑞士农村。欧姆读了三个学期就被父亲送到了瑞士农村。欧姆的父亲认为农村的清新空气和纯朴的社会关系，的父亲认为农村的清新空气和纯朴的社会关系，将会更有利于欧姆潜心学习。在这以后的岁月将会更有利于欧姆潜心学习。在这以后的岁月里，欧姆一边自学，一边担任中学教师和家庭里，欧姆一边自学，一边担任

57、中学教师和家庭教师。教师。 18111811年，欧姆再度进入爱尔朗根大学，年，欧姆再度进入爱尔朗根大学，并于同年月并于同年月1010月获得了博士学位。月获得了博士学位。 在安培专注于电流磁效应的研究时，德在安培专注于电流磁效应的研究时，德国的欧姆就开始了对导线中电流规律的研国的欧姆就开始了对导线中电流规律的研究工作。究工作。2021/8/637 他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中两点间的他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于

58、它们之间的某种相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，即现在所称的电动势。驱动力，即现在所称的电动势。 开始他用伏打电堆作电源，但是因为电流不稳定，效果不好。开始他用伏打电堆作电源，但是因为电流不稳定，效果不好。后来他接受别人的建议改用温差电池作电源，从而保证了电流后来他接受别人的建议改用温差电池作电源，从而保证了电流的稳定性。但是如何测量电流的大小，这在当时还是一个没有的稳定性。但是如何测量电流的大小，这在当时还是一个没有解决的难题。他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤结解决的难题。他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤结合起来，巧妙地设计了一个电流扭秤。实验中他

59、用粗细相同、合起来，巧妙地设计了一个电流扭秤。实验中他用粗细相同、长度不同的八根铜导线进行了测量，得出了如下的等式：长度不同的八根铜导线进行了测量，得出了如下的等式： X Xa a(b(bx)x)式中式中X X为磁效应强度，即电流的大小；为磁效应强度，即电流的大小；a a是与激发力是与激发力( (即温度差即温度差) )有关的常数，即电动势；有关的常数，即电动势；x x表示导线的长度，表示导线的长度，b b是与电路其余部是与电路其余部分的电阻有关的常数，分的电阻有关的常数，b bx x实际上表示电路的总电阻。这个结实际上表示电路的总电阻。这个结果于果于18261826年发表。年发表。2021/8

60、/638 1827 1827年欧姆又在年欧姆又在动电电路的数学研究动电电路的数学研究一书中，把他的实一书中，把他的实验规律总结成如下公式：验规律总结成如下公式： EE式中式中S S表示电流；表示电流；E E表示电动力，即导线两端的电势差，表示电动力，即导线两端的电势差，为导为导线对电流的传导率，其倒数即为电阻。线对电流的传导率，其倒数即为电阻。 欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和评价这一欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视，经济极其发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视，经济极其困难，使欧姆精神抑郁。直到困难，使欧姆精