电磁学之发展与世界之电化

摘要：现代人的生活，似乎离不开电.物理概念的发展而言是；人们怎么会从不知道用电，一步一步，变成了有了用电的能力，终于到了是生活必须用品。一旦停电，日子不知怎么过。但世界上第一个有规模的发电百多年。(电视连续剧「大宅门」描写清末民初电灯、电话初到北京城的情形，相当有意思。一百多年间，这个世界上大部份的人的生活，从几乎没有电器用品，到充满了电器用品，这变化不但是巨大得令人难以想象，并且深入到生活、思想、感情…，所有的人生面向。举个有诗意的例子：爱情上受挫折是古今中外诗歌中最常见的题材。古诗中固人变心的，但也很常见的是所爱之人远在他乡，衷情难诉，以致相思甚苦。例九首「采之欲谁遗，所思在远道」。李白长相思「天长路远魂飞苦」等等。如曲中，第二种越来越少，第一种却很多。──今日的手机、e-mail等等，使距离不再成为谈情说爱的障碍，但却防不了情人变心。──这也显示了，要了解古人，就要从古人当时也许，很多人有兴趣知道最新奇的发明。但从物理概念的发展而言，更有趣的的是；人们怎么会从不知道用电，一步一步，变成了有了用电的能力，终于到的地步。这段历史，也最能鲜明地描绘出：以理解大自然为目标的科学研究，约同一地点，还发掘出了一些镀金物品。有研究者便认为这些铜罐就是巴比伦池，而镀金物（如果是电镀）是这些东西确是电池之证据。而这些东西，其年别的文明在电磁方面就没有这样可惊的成绩了。古希腊人发现了琥珀、毛皮等电，至今英文Electricity的字根，尚是希腊文的琥珀。但对他们说来，天上的雷电，仍然是宙斯大神的脱手武器。中国人很早就知道天然磁石会吸铁，带电物会吸小物体(）， 这些电磁的观察与应用，可以使我们感叹古人之智能，特别是巴比伦电池。但即使是事实，对日后电磁学发展，却没有什么影响。摩擦生电与磁性现象却在种种，成为物理学之中心课题，一直到今天。但这本行星之运转，到地面苹果落地，似乎它都能精准描述。然而，牛顿此书中只有一种力：万有引力。牛顿也知道自然界绝不止这一种力，例如，杯子打破了，碎片不可能凑起来就合使物体聚合成形。故牛顿以后，要做有挑战性的研究，莫过于研究万有引力之外的力是磁力，就可以分分合合。）因此，十八世纪的欧洲，很多人在研究电与磁。特别是电，更富挑战性。因为电这个东西，虽然摩擦两个适当的物体，就能产生。带电物片，有时还会在黑暗处冒火花，好玩得很。(当时，还有人发明了摩电器。)但是，却不容），他发觉不管是用什么东西摩出来的，电只有两种。他命名之为「玻璃电」与「树脂电」。只有不同类的电，相互靠近时才会相吸或冒火花，同类的不但不冒火花，还会发明了一个器具：密封的玻璃瓶中，插入一根金属棒，瓶内的一端，挂上两片的一端，做成一个小球。带电的物体靠近小球时，金箔就会张开。──这些，今日看来都没有什么了不起，但在电还是「神出鬼没」的时候，这是不简单的成就的储电器，发表了「莱顿瓶」。这也是一个玻璃瓶，内外壁上各贴一圈锡箔纸。内壁可以「充电」（把摩擦来的电碰触而输进去），这些电很久都不会跑掉。如果用两根金属线，把内外相连，两金属线的缝隙中就可以产生火花今日来看，「莱顿瓶」不过是个简单的电容器，但当时极受欢迎。瓶子越做越更壮观。可是，电到一下可不是好玩的(也有人特意去尝一下被电的滋味)。这可人类驯服电的开始（姑且不算巴比伦但也开始领教了十八世纪初，美国还是欧洲的化外之地，文化落后，更无所谓科学。波士顿的与蜡烛的工匠，十七个子女中的第十个，自学有成，文采斐然。与欧洲，特别学家，保持通信。他从英国进口仪器开始，研究电学而成名，到后来被英国皇院士。在美国的独立革命中，他以著名科学家的身份，出使法国，立下大功。擦出来的电是一样的；一般人所怕的雷，声势吓人，其实并不可怕，伤人破屋一步，他就发明了避雷针：建筑物上装一根金属针，通到地下，屋中的人就不为电就会被导入地下。（新英格兰有一教堂中的牧师，认为避雷针保护好人， ,有碍上帝的意旨，故在讲道中大加谴责。不料没几天，教堂受到雷击，塌了一角，只好也装上避雷针。）此外，他注意到了两种电有相互扺消的现象，所以他建议把与「树脂电」改名为「正电」与「负电」（模拟于正数与负数之富兰克林的正负电命名，沿用至今，但是却有些不幸。因为常实是向右跑。库伦出身兵工军官，早年在中美洲驻扎时，把身体搞坏，回国做研究。后退隐家园。他发现了用细长绳索吊挂一根细棍，细棍两端对称以维持平方向之微力，则以的绳索之扭曲以平衡之。这「扭称」(torsionbalance)可以做很精准的力的测量(至今尚是的测量微小力的最精准工具，但这种实验都是很难做的)。在间之距离之平方成反比，而与两电荷量之大小成正比。这是电学以数学来描述的第一步。请注意：(1)此定律用到了牛顿之力之观念。(若无牛顿对力之阐述，很难想象此定律是何形式)。这成了牛顿力学中一种新的力。其与牛顿万有引力有相同之(2)这定律成了「静电学」(即电荷静止时之各种现象)之基础。如今所有电磁学，第一(3)这也是电荷单位的来源。例如：两个相同之电荷，相距一公尺，若其相斥之力为「若干」时，称之为一单位。原理上，这「若干」可以任意选定，所以电荷单位有好几种。(4)这9×109牛顿，相当于九十万公吨的重力──静电力强大的可怕。虽然也可以说一库伦的电荷太大，但无论如何，正负电相消的趋势是很强的。日常的物多，但几乎都抵消的干干净净，呈现电中性的状态。必须花功夫（如摩因此，虽然库伦定律描述电荷静止时的状能十分精准，单独的库伦定律的应用却不容易。律之发现几乎近两百年。我们现在用的电器，绝大部份都靠电流，而没有电荷(甚至接地以免产生多余电荷)。也就是说，正负电仍是抵消，但相互移动。──河中没水，不可能有水流；但电线中电荷为零，却仍然可以有电流！雷雨时的闪电，或莱顿瓶的火花放电，都是瞬间的事。电虽然在动，但上的大事。──这也就是为什么巴比伦电池这样令人惊讶十八世纪欧洲人到处掠夺殖民地。当时也没有什么保护生态观念，殖民地出产 也被捉回了欧洲。这引起了不少人研究「动物电」的兴趣，也就是动物的身体如何发电。蛙之腿，可引起抽动。而蛙腿夹在不同金属（如铜、锌）间则可发出电来。与他认为这是块锌板，一块铜板放到舌头上下，而用铜丝将两板连结，他发觉舌头会感到咸味，而铜丝中有电流现象（如:可使蛙腿抽动）。但不久他发觉这与「动物电」无干，因为若不用舌头，而用一片浸过碱水的纸板夹在铜、锌之间，也可生电流。而且，如果用多重的锌、纸、铜、锌、纸、铜、…，会得到更明显的电流(蛙腿抽动不止)。──这就是最早（如果不算巴比伦）的电池(碱性电池)。有了稳定的位伏特(volt)就是因纪念他的功劳而命名的这种「伏特堆」(Voltaicpile)，很快被人仿效，越做越大(可以表演连续火花)，以后又有人加以改良，越做越精致。──直到现在，改良电池还是一门专业的学问以被通过的电流被分解为氢与氧。此为电在化合中作用之线索，亦为电解、电镀之原理。──巴比伦的镀金物如果真是四千年前的电镀做成的，实在令人惊叹一根导线中的电流，会使附近的磁针偏向垂直方向，也就是电流可以产生「磁很多人的兴趣。不久，便有人把导线绕成很多重的「线圈」，只要很小的电流很大的磁力。线圈电流固可使小磁针转动，但如果是一个固定的大磁铁，线圈就是为什么在公制中，先订电流单位「安培」，再订电量单位「库个月内，便证明了两根通电的导线之间也有吸力或斥力。这就是电磁学中第二两根平行的长直导线中皆有电流，若电流方向相同，则相吸引。反之，公制中，用安培定律以定义电流单位「安培」：两个平行之同向同大小之电流，相距一公 电线中，相互之力不太容易察觉。──但做成线圈后，可以产生很大的力。以后，安培又证实了通了电流的筒状线圈之磁性，与磁铁棒完全一样。故他提质之磁性，皆是由物质内的电流而引起的。这使「磁性」成为「电流」的生成解释了为什么磁铁没有单极的）。──他后来被誉为「电磁学」的始祖(电与磁从此在物安培早慧，但一生不幸。（童时亲见其父在法国大革命时上断头台，娶妻甚贤，但又早逝)。在听到Oersted之发现后，立刻意识到电流与电流之间必有力在，洞察力惊人。安培这个发现，在应用上极为重要。它提出了用电流而发出动力，使物体动起来的方法，准确而可靠。因此，它是电流计(以及各种电表)、电马达、电报，电话之原理。特别是电定律后，反而被攻击而辞职，失业了好几年后他才另外找到工作。电流消耗能量的关系式 十九世纪的美国，挟其地大物博之优势，发展极快。美国人好新奇，敢冒险， ），），焦耳、凯尔文现在的名气，多因其热学上的成就，(焦耳之热功当量，凯尔文之绝对温标)），也是因越洋电缆。为什么冷冻机原理当时引不起英国工业界的兴趣？为什么用途广泛的电安培定律）没有很早的发展？其中重要原因之一是这些都要大量的电力，而当个便宜的发电方法（电池发电太贵了）。因此，用电量较小的通讯器材（电报、电话），就率先发达。对当时的一般民众而言，生活中用电还是少见的事。电报是紧急时才用的，要等发电机成功之后，用电量大的器材，才能发展。而电器之普及，也才能实现。第去认真听讲，并做了完整的笔记，装订成册。以后他便以这一套笔记，受到达维赏识，得力助手。达维退休以后，他被任命为所长(182研究。他发现了通电量与分解量有一定的关系，并且与被分解的元素之原子量系。由此，可以大致导致两个结论：(1)每个原子中有一定的电含量（以今日而言，是一法拉第进一步加以验证，至今尚是正确的。不长于数学，但有极强的「直感」。他在电与磁的直感的基础是「场牛顿的万有引力定律提出之初，受到很多质疑。其中之一是：很多人认为，两的物体，无所媒介，而相互牵引，是不可置信的（连牛顿本人对此也有于万有引力之大获成功，这种「超距力」的概念，不久便被普遍接受了在牛顿前一百年的英国人吉伯特(WilliamGilbert,1540-1603)是伊利莎白一世的御医。 ,因其在当时比较有用），其重要性是扬弃了磁性之神秘色彩，以一种客观的自然现象(a)力线不断、不裂、不交叉打结，但可以有起头与终止。例如：电场之力线由正电荷发出，由负电荷接受。力线的数量与电荷之大小成正比。（磁场以「磁北极」为正，「磁南极」为负。(b)力线像有弹性的线，在空中互相排斥又尽量紧绷。其密度与施力之大小成正比(c)力线有方向性，电力线之方向是对正电荷之施力方向（负电受力方向相反），在磁力法拉第则更进一步，提出了「场」的概念：空中任意一点，虽然空无一场之存在，这种「场」可使带电或带磁之物质受力。而「力线」则是表式。但是，法拉第的「场」观念，当时也受到强烈的质疑与反对。最重不及「超距力」之精确。把「场」观念精确化，数学化的他对电磁学最重要的贡献是「电感」之发现。──有磁性的磁铁，可以使附近的无磁性的铁棒磁化。根据安培的发现，通了电流的筒状线圈的磁性与磁铁棒相同，实验上它也可以使其附近的无磁性的铁棒磁化。法拉第就想：是否也可以用通了电流的筒状线圈来引起其附近另一个筒状线圈中的电流了两个互相套合的线圈，才在无意中发现：在第一线圈中的电流关掉的瞬间，有瞬间的电流产生，甚至冒火花。他继续研究，发现第一线圈中的电流有变化圈中才有电流。而第一线圈中的电流变化越快，第二线圈中的电流越大。法拉现，一个移动的磁铁或通了电流的筒状线圈，也可以使附近的线圈中，产生感应电流。──这就是电磁学中第三个最重要的「法拉第定律」这个定律与库伦、安培都不同；它是动态的。第一线圈中的电流变化越快，第电流越大。（这是变压器原理）。或磁铁、有电流的筒状线圈的电流也越大。这就是「发电机」(把动能化成电能)的原理法拉第也知道他这发现的重要。发现之后，皇家研究所举办成果展览。参观。看到助手们表演火花放电以娱伦敦民众，不太高兴，便问法拉第：你花多钱，就为了表演？法拉第冷冷地回答了四个字：Youwilltaxit!(你会有一天抽它的税)法拉第做了一辈子研究，退休时(1855)两袖清风，不知何去何从(当时没有退休金制度)。英维多利亚女皇则早准备了房子、终身俸及封爵，给他一个惊喜。法拉第接受但是，实用的发电机却不是那么简单，法拉第定律之后五十年才在美国做出来感到非要不可的电器。但他在发电机的竞争上，却输给了对手。可能的原因是他太执着于直流电（他甚至宣扬交流电危害人类）。──以法拉第定律而言，交流发电机的制作比较顺理成章，而且，交流电才能使用变压器，利于长途输电。牙利移民美国，先在爱迪生手下做事，但他热心做交流电，与爱迪生不合，辞的理论物理学家的典型。他生于苏格兰的一个小康之性，几可与牛顿、爱因斯坦等量齐观。但生前，麦克斯威并不受其故乡苏格兰之欢迎（爱由理论推导出：电场变化时，也会感应出磁场。这与法拉第的电感定律相对而相成，合称ElectromagneticField,1867），「电磁论」(TreatiseonElectricityand但完整而精确地描述了所有的已知电磁场之现象，而且有新的「预言」。其中最重要的是「电磁波」(1)由于「电磁交感」，故电磁场可以在真空中以「波」的形式传递(2)计算之结果，这波之速度与光速一致，故光是一种「可见的」电磁波「光是一种电磁波！」这句话现在是常识，在当年则骇人听闻。麦克斯威只靠纸上谈兵(数学运算），就做大胆宣言，也难怪当年根本不信有电磁波的人居多。但他自满。有人告诉他有关的实验结果，不完全成功，他毫不在意。他