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古人通過(guò)對(duì)靜電和自然磁力現(xiàn)象的觀察研究，展開(kāi)了關(guān)于電磁學(xué)的歷史，但在19世紀(jì)之前，近代電磁學(xué)的先驅(qū)們，一直把電和磁作為獨(dú)立的互不相關(guān)的現(xiàn)象進(jìn)行研究。 古希臘人知道磁鐵礦和摩擦琥珀會(huì)產(chǎn)生吸引力。磁鐵礦，一種早在公元前800年就在希臘文獻(xiàn)中提到的鐵的磁性氧化物，開(kāi)采于希臘色薩利大區(qū)的馬格尼西亞省。而居住在附近的泰勒斯（希臘七賢之一，西方思想史上第一個(gè)有記載留下名字的思想家，被后人稱為“科學(xué)和哲學(xué)之祖”、科學(xué)家、哲學(xué)家，出生于愛(ài)奧尼亞的米利都城），可能是第一個(gè)研究磁力的希臘人。他顯然知道磁鐵礦會(huì)吸引鐵，而摩擦琥珀（一種被希臘人稱為ēlektron的樹(shù)木樹(shù)脂化石）會(huì)使它吸引像羽毛這樣的輕小物體。
最早的關(guān)于磁學(xué)的研究是由法國(guó)的十字軍戰(zhàn)士和工程師彼得勒斯·佩雷格里努斯（Petrus Peregrinus de Maricourt）完成的，并發(fā)現(xiàn)了磁極 (N、S極)。1269年佩雷格里努斯參加了對(duì)意大利某城市的緩慢乏味的圍攻時(shí)，他曾給朋友寫(xiě)一信，信中談到他對(duì)磁石的研究，說(shuō)明了如何判斷磁石的南北極，并指出同極相斥，異極相吸，他還解釋了如果你將磁鐵斷成兩塊，并不能使其中的一極分離，因?yàn)閿嘞碌拿恳欢斡殖蔀閹в袃赡媳睒O的完整磁鐵。也許他談到的最重要的一件事是改進(jìn)了指南針，就是將指南針?lè)旁谝恢c(diǎn)上，而不是讓它連在一塊軟木上浮動(dòng)，在指針周圍作一刻度盤(pán)，可較精確地讀出方向的度數(shù)，毋容置疑，正因?yàn)槭褂昧诉@種實(shí)用的指南針，又使歐洲航海家能滿懷信心駛?cè)脒b遠(yuǎn)而看不到陸地的大西洋。因此，佩雷格里努斯是150年后開(kāi)始的偉大探險(xiǎn)時(shí)代的另一先驅(qū)。 現(xiàn)代電學(xué)和磁學(xué)的開(kāi)端 現(xiàn)代電學(xué)和磁學(xué)的創(chuàng)始人是威廉·吉爾伯特（William Gilbert 英國(guó)醫(yī)師，物理學(xué)家和自然哲學(xué)家，磁動(dòng)勢(shì)單位，也稱為磁勢(shì)，以他的名字命名為吉爾伯特）。 威廉·吉爾伯特 吉爾伯特生于英國(guó)一個(gè)名門(mén)家庭，18歲到劍橋圣約翰學(xué)院攻讀數(shù)學(xué)和醫(yī)學(xué)。畢業(yè)后開(kāi)業(yè)行醫(yī)，1573年，他被選為皇家內(nèi)科醫(yī)學(xué)院院士，后得到英國(guó)女王伊麗莎白一世的賞識(shí)，成為一名御用醫(yī)師。吉爾伯特興趣十分廣泛,行醫(yī)之暇，他不懈地進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)和電、磁方面的實(shí)驗(yàn)研究工作。他受古希臘泰勒斯故事的影響,進(jìn)行了多種物質(zhì)的摩擦生電實(shí)驗(yàn)，并在佩雷格里努斯的《有關(guān)磁石的信札》一書(shū)的啟示下，提出了 “磁力才是宇宙力的奧秘”的思想。 吉爾伯特花了17年時(shí)間進(jìn)行磁學(xué)實(shí)驗(yàn)，并在較小范圍上進(jìn)行了電學(xué)實(shí)驗(yàn)。他將他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和所有可用的磁學(xué)知識(shí)匯集在1600年出版的近代電學(xué)、磁學(xué)的開(kāi)山巨著《De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure》(《關(guān)于磁石、磁性體及磁性地球的新自然哲學(xué)論》，簡(jiǎn)稱《磁石論》)一書(shū)中。正如標(biāo)題所示的那樣，吉爾伯特將地球描述為一個(gè)巨大的磁鐵。他為兩個(gè)因摩擦而帶電的物體之間的力引入了”electricus”這個(gè)新拉丁語(yǔ)來(lái)，意思是“像琥珀”，使用它來(lái)表示兩個(gè)因摩擦而帶電的物體之間的力“就像琥珀具有吸引力的特性”，1646 年，英國(guó)的托馬斯·布朗爵士（Sir Thomas Browne）在他的百科全書(shū)《Pseudodoxia Epidemica》中，按英語(yǔ)拼寫(xiě)法，將“electricus”改寫(xiě)為目前人們熟知的“electricity”（電），并一宜沿用至今。 同時(shí)，吉爾伯特還表明摩擦電也可以發(fā)生在許多普通材料中。他還指出了磁力和電之間的一個(gè)主要區(qū)別:磁性物體之間的力傾向于使物體相對(duì)于彼此對(duì)齊，并且只受到大多數(shù)中間物體的輕微影響，而帶電物體之間的力主要是物體之間的吸引力或斥力，并受到中間物質(zhì)的嚴(yán)重影響。 他還發(fā)明了第一個(gè)電的測(cè)量?jī)x器–驗(yàn)電器，這有助于進(jìn)一步的電實(shí)驗(yàn)研究。 在《磁石論》中，記錄了吉爾伯特所進(jìn)行的電氣實(shí)驗(yàn)和觀察到的電氣現(xiàn)象，他將琥珀、瑪瑙、寶石、樹(shù)脂、水晶、硫磺、封蠟等作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，用呢絨、毛皮、 絲綢等進(jìn)行摩擦，發(fā)現(xiàn)有些物質(zhì)可以產(chǎn)生“琥珀力”，吸引細(xì)小的物體；有些物質(zhì)則不能產(chǎn)生“琥珀力”無(wú)法吸引細(xì)小物體,由此,他將物質(zhì)分為“電氣素”(electric effluvium)和“非電氣素”(anelectrics)兩大類，并認(rèn)為電氣素中存在一種沒(méi)有重量的物體, 它是一種具有特定物質(zhì)性質(zhì)且有一定大小的粒子。 吉爾伯特還應(yīng)用琥珀力相互吸引的原理,制成了能測(cè)定電的性質(zhì)的原始儀器。他將一根長(zhǎng)約七八厘米的磁針用支點(diǎn)支控起來(lái)，將摩擦過(guò)的物體靠近磁針一端，根據(jù)磁針是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即可判定摩擦后的物體是否帶電（即是“電氣素”還是“非電氣素”）。 在《磁石論》中，吉爾伯特以較長(zhǎng)篇幅介紹了對(duì)天然磁石和地球磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究成果,他利用天然磁石制成的小磁石球（他取名為“小地球”）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在小磁石球作用下,小磁針的偏轉(zhuǎn)行為與地球上的指南針極為相似，由此他聯(lián)想到地球可能是一個(gè)大磁石,只是上面浮著一層水、巖石和泥土，指南針的指向作用就是地球大磁石和指南針（磁針）之間同極相斥、異極相吸而產(chǎn)生的。從這一推斷出發(fā)，他對(duì)磁傾角和磁偏角現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。他認(rèn)為磁傾角是由于指南針在地球不同緯度上的受力方向與該緯度水平方向間存在一個(gè)夾角所致；而磁偏角是由 于地球上磁性僅存在于陸地，水不會(huì)磁化,不同地方陸地對(duì)磁 針的吸引力不同而造成的（顯然這種解釋是不正確的）。在認(rèn)定地 球是一塊大磁石的前提下，吉爾伯特還設(shè)想太陽(yáng)也是一塊大磁 石，它對(duì)行星發(fā)出的磁性引力使行星繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。 吉爾伯特還將電和磁進(jìn)行了對(duì)比，指出：“琥珀力的大小能夠用潮氣、紙或麻布來(lái)加以控制,而磁石的吸力能透過(guò)水、厚 木板和石板。磁性物質(zhì)只能相互吸引，而電卻能夠吸引一切物質(zhì)”，認(rèn)為“這是兩種截然不相同的自然現(xiàn)象，不能把它們混為一談?！爆F(xiàn)在看來(lái),吉爾伯特的這種認(rèn)識(shí)是不正確的。另外，他在電、磁學(xué)上最先使用了電吸引、電力、磁極等術(shù)語(yǔ)。 吉爾伯特是世界上第一個(gè)對(duì)電、磁進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究的科學(xué)家，是建立近代電學(xué)、磁學(xué)的先行者,因 此被譽(yù)為“磁學(xué)之父”“磁學(xué)的伽利略”“電學(xué)之父”。他的著作《磁石論》對(duì)后世影響深遠(yuǎn),許多科學(xué)家正是 沿著他開(kāi)辟的道路繼續(xù)進(jìn)行電、磁學(xué)的探索。當(dāng)然，作為科學(xué)泰斗，他一言九鼎，認(rèn)為“電和磁是截然不同的兩種自然現(xiàn)象”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，也束縛了某些科學(xué)家（如庫(kù)侖、安培）的思想,一定程度上影響了人們對(duì)電、磁現(xiàn)象間相互聯(lián)系、相互作用的探索。[1] 蓬勃發(fā)展時(shí)期 在17世紀(jì)到18世紀(jì)初，隨著更好的電荷源被開(kāi)發(fā)出來(lái)，對(duì)電效應(yīng)的研究變得越來(lái)越受關(guān)注。第一臺(tái)能產(chǎn)生電火花的機(jī)器是由德國(guó)物理學(xué)家和工程師奧托·馮·格里克（德語(yǔ)：Otto von Guericke，1602年11月20日~1686年5月11日 ）在1663年制造的。奧托·馮·格里克發(fā)明的摩擦式靜電發(fā)生器依靠摩擦電效應(yīng)，這是兩種材料相互摩擦?xí)r產(chǎn)生的小電流。機(jī)器上有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的硫磺球，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)用手摩擦硫磺會(huì)積累靜電荷。后來(lái)的研究表明，也可以使用其他材料，例如玻璃。
英國(guó)化學(xué)家斯蒂芬·格雷（1666 年 12 月 – 1736 年 2 月 7 日，英國(guó)染色師和天文學(xué)家）被認(rèn)為是第一個(gè)系統(tǒng)地進(jìn)行導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)的人。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃管被摩擦?xí)r，插在玻璃管兩端的瓶塞會(huì)通電。他還通過(guò)一根由絲繩支撐的麻線將電流傳送了大約150米，在另一次演示中，他通過(guò)金屬線將電流傳送得更遠(yuǎn)。他還首先區(qū)分了導(dǎo)體和絕緣體，發(fā)現(xiàn)了靜電感應(yīng)的遠(yuǎn)距離作用現(xiàn)象。 從 18 世紀(jì)中葉到 19 世紀(jì)初，科學(xué)家們認(rèn)為電是由流體組成的。1733年法國(guó)化學(xué)家查爾斯·弗朗索瓦·德·西斯特奈·杜費(fèi)( Charles Fran?ois de Cisternay DuFay)宣布電由兩種流體組成：“玻璃電”（來(lái)自拉丁語(yǔ)中的“glass”）或正電；和“樹(shù)脂電”或負(fù)電。當(dāng)杜費(fèi)給一根玻璃棒通電時(shí)，它會(huì)吸引附近的軟木塞。然而，如果玻璃棒接觸到軟木碎片，軟木碎片就會(huì)相互排斥。杜費(fèi)解釋了這種現(xiàn)象，一般情況下，物質(zhì)是電中性的，因?yàn)樗攘康膬煞N流體；但是，如果摩擦使物質(zhì)中的流體分離并使其不平衡，則該物質(zhì)會(huì)吸引或排斥其他物質(zhì)。 杜費(fèi)總結(jié)出靜電學(xué)的第一個(gè)基本原理——帶同樣性質(zhì)電荷的物體互相排斥，帶不同性質(zhì)電荷的物體互相吸引，以及物體帶電的3種方式——摩擦帶電、傳導(dǎo)帶電和感應(yīng)帶電;另外,他還與在電學(xué)上多有建樹(shù)的諾萊(Nollet, 1700—1770)一道,親身進(jìn)行過(guò)人體導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)。 1745年，荷蘭萊頓的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家Pieter van Musschenbroek發(fā)明了一種便宜又方便的電火花來(lái)源。后來(lái)被稱為萊頓瓶，它是第一個(gè)可以儲(chǔ)存大量電荷的設(shè)備。同時(shí)期德國(guó)主教克萊斯特(E. Georg von Kleist, 1700-1748)在1745年也發(fā)明了一種儲(chǔ)存電荷的裝置。但由于Musschenbroek時(shí)任萊頓大學(xué)教授,加之他名氣很大，并首先將該裝置用于實(shí)驗(yàn)， 因此習(xí)慣上稱這種裝置為萊頓瓶(Leyden jar)。萊頓瓶通過(guò)將導(dǎo)電線裸露的一端與產(chǎn)生靜電的摩擦裝置接觸而充電。作為原始形式的電容器，萊頓瓶曾被用來(lái)作為電學(xué)實(shí)驗(yàn)的供電來(lái)源，也是電學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。萊頓瓶的發(fā)明，標(biāo)志著對(duì)電的本質(zhì)和特性進(jìn)行研究的開(kāi)始。 萊頓瓶 在Musschenbroek的萊頓瓶出現(xiàn)后一年內(nèi)，英國(guó)內(nèi)科醫(yī)生兼科學(xué)家威廉-沃森（William Watson）建造了一個(gè)更復(fù)雜的萊頓瓶；他在容器的內(nèi)部和外部涂上金屬箔，以提高其儲(chǔ)存電荷的能力。1747年，威廉-沃森通過(guò)一根橫跨泰晤士河的西敏斯特大橋上的電線，從他的裝置中發(fā)射了電火花。威廉-沃森就展示了在電線上利用大地作為回流導(dǎo)體傳輸電流的可能性。因此，以大地為回流導(dǎo)體的架空單線是第一條傳輸線。 在美國(guó)，本杰明-富蘭克林賣(mài)掉了他的印刷廠、報(bào)紙和年鑒，把時(shí)間用于進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)。1752年，富蘭克林通過(guò)在雷雨期間放飛一個(gè)絲質(zhì)風(fēng)箏，證明了閃電是電傳導(dǎo)的一個(gè)例子。他通過(guò)將濕麻繩系在一把鑰匙上，然后系在一個(gè)萊頓瓶上，從云中收集電荷。然后，他利用閃電中積累的電荷進(jìn)行了電學(xué)實(shí)驗(yàn)。富蘭克林提出了現(xiàn)在被稱為電荷守恒的定律（在一個(gè)孤立的區(qū)域內(nèi)，電荷的凈和總是不變的）。與威廉-沃森一樣，他不同意杜費(fèi)的雙流體理論。富蘭克林認(rèn)為，電是由一種液體的兩種狀態(tài)組成的，這種液體存在于一切事物之中。含有異常大量液體的物質(zhì)將是 “正 “的，或帶正電。含有少于正常數(shù)量的液體的物質(zhì)將是 “負(fù)的”，或帶負(fù)電。富蘭克林的單流體理論主導(dǎo)了100年的電學(xué)研究，基本上是正確的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電流是移動(dòng)電子的結(jié)果。然而，與此同時(shí)，基本粒子同時(shí)具有負(fù)電荷和正電荷，在這個(gè)意義上，杜費(fèi)的雙流體模型是正確的。 關(guān)于風(fēng)箏實(shí)驗(yàn) 1752年10月19日，富蘭克林在《賓夕法尼亞報(bào)》描述了該實(shí)驗(yàn)，但沒(méi)有提到實(shí)驗(yàn)人是自己。12月21日，該報(bào)告在皇家學(xué)會(huì)誦讀，在《哲學(xué)快報(bào)》刊登。1767年，約瑟夫·普利斯特里在其《電學(xué)歷史與現(xiàn)狀》中出版細(xì)則。富蘭克林小心站在絕緣體上，在屋頂下避雨，以免遭到電擊。俄國(guó)格奧爾格·里奇曼教授進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)時(shí)被電擊致命。 在文章里，富蘭克林提到了危險(xiǎn)性，并給出確保安全的措施，如接地。富蘭克林并未像流行小說(shuō)敘述一般把風(fēng)箏飛到天上被雷劈中，否則有生命之虞。 富蘭克林的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)對(duì)近代電學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，它不僅拓寬了人們對(duì)靜電的認(rèn)識(shí)領(lǐng)域，而且還使人們認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)和利用電的廣闊前景。風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)告訴人們，摩擦電和雷電是同一種東西.雷電又有如此巨大的威力,加之當(dāng)時(shí)已能用起電機(jī)產(chǎn)生電.因此，一旦能找到更有效的生產(chǎn)電的途徑,也就能獲得像雷電那樣威力無(wú)比的能量。從這個(gè)意義上講，風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)是近代電學(xué)史上一場(chǎng)思想上和觀念上的革命。如果在富蘭克林之前人們多少還把電學(xué)實(shí)驗(yàn)作為一種魔術(shù)、游樂(lè)活動(dòng)的話，那么在富蘭克林之后人們已把電學(xué)真正當(dāng)作一門(mén)科學(xué)，并由此開(kāi)始探索產(chǎn)生電的新方法。 在進(jìn)行雷電實(shí)驗(yàn)、研究的過(guò)程中，富蘭克林設(shè)想可以在屋頂上裝設(shè)帶尖端的鐵桿，把雷電引入大地.從而保護(hù)建筑物免遭雷擊。1753年，富蘭克林在自己家中安裝了一個(gè)尖端避雷裝置，進(jìn)行觀察實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明它 確實(shí)可以把雷電引入大地。不久，這種避雷裝置就在歐洲推廣開(kāi)來(lái)。 英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·普里斯特利( Joseph Priestley)在他的《The History and Present State of Electricity》（電力的歷史和現(xiàn)狀 1767)一書(shū)中中總結(jié)了所有有關(guān)電的數(shù)據(jù)。他重復(fù)了富蘭克林的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，富蘭克林把小軟木塞扔進(jìn)一個(gè)高度通電的金屬容器中，發(fā)現(xiàn)它們既不吸引也不排斥。容器內(nèi)部沒(méi)有任何電荷，這讓普里斯特利想起了牛頓定律，即中空球體內(nèi)部沒(méi)有重力。由此，普里斯特利推斷，電荷間的力定律一定與萬(wàn)有引力定律相同。即質(zhì)量之間的力與質(zhì)量之間距離的平方成反比遞減。盡管普里斯特利定律是用定性和描述性的術(shù)語(yǔ)來(lái)表述的，但它在今天仍然有效。 靜電學(xué)和靜磁學(xué)定量定律的表述 庫(kù)侖（Charles-Augustin de Coulomb，1736年－1806年 ，法國(guó)物理學(xué)家、軍事工程師、土力學(xué)奠基人）在18世紀(jì)后半期將電學(xué)確立為一門(mén)數(shù)學(xué)科學(xué)。他將普里斯特利的描述性觀察轉(zhuǎn)化為靜電學(xué)和磁靜電學(xué)的基本定量法。他還發(fā)展了電力的數(shù)學(xué)理論，并發(fā)明了扭力天平，該天平在接下來(lái)的100年里一直被用于電力實(shí)驗(yàn)。庫(kù)侖用天平來(lái)測(cè)量磁極之間和不同距離的電荷之間的力。1785年，他宣布了他的定量證明，即電和磁力的變化，就像重力一樣，與距離的平方成反比。因此，根據(jù)庫(kù)侖定律，如果兩個(gè)帶電質(zhì)量之間的距離增加一倍，它們之間的電力量就會(huì)減少到四分之一。(英國(guó)物理學(xué)家亨利-卡文迪許以及蘇格蘭的約翰-羅比森在庫(kù)侖之前就已經(jīng)對(duì)這一原理進(jìn)行了定量測(cè)定，但他們沒(méi)有發(fā)表自己的成果）。 夏爾·奧古斯丁·德·庫(kù)侖（Charles-Augustin de Coulomb，1736年－1806年） 法國(guó)的西莫恩·德尼·泊松（Simeon-Denis Poisson 1781～1840，法國(guó)數(shù)學(xué)家、幾何學(xué)家和物理學(xué)家）和德國(guó)的約翰·卡爾·弗里德里?！じ咚梗?777年4月30日—1855年2月23日， 德國(guó)著名數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家、幾何學(xué)家，大地測(cè)量學(xué)家）在18和19世紀(jì)初擴(kuò)展了庫(kù)侖的工作。泊松方程（發(fā)表于1813年）和電荷守恒定律幾乎包含了所有的靜電學(xué)定律。磁靜力學(xué)的理論，即對(duì)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)的研究，也是從庫(kù)侖定律發(fā)展而來(lái)的。磁靜力學(xué)使用與電勢(shì)類似的磁勢(shì)概念（即假設(shè)磁極具有與電荷類似的性質(zhì)）。 邁克爾-法拉第（Michael Faraday，1791年9月22日－1867年8月25日，英國(guó)物理學(xué)家，在電磁學(xué)及電化學(xué)領(lǐng)域做出許多重要貢獻(xiàn)）在普里斯特利的工作基礎(chǔ)上進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，相當(dāng)準(zhǔn)確地驗(yàn)證了平方反比定律。法拉第冰桶實(shí)驗(yàn)是法拉第在1843年進(jìn)行的一項(xiàng)簡(jiǎn)單的靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)，以演示導(dǎo)電容器上的靜電感應(yīng)現(xiàn)象。法拉第用的是一個(gè)裝冰的鐵桶作為容器，實(shí)驗(yàn)因而得名。實(shí)驗(yàn)表明，一導(dǎo)電殼體內(nèi)封入的電荷會(huì)在殼上感應(yīng)出等量電荷，并且在導(dǎo)體中，電荷全部駐留在表面上。它還演示了電磁屏蔽的原理，這在法拉第籠中也有應(yīng)用。冰桶實(shí)驗(yàn)是第一個(gè)對(duì)靜電荷的精確的定量實(shí)驗(yàn)。 今天，人們相信守恒是電荷的一個(gè)基本定律，這不僅是基于富蘭克林和法拉第的實(shí)驗(yàn)，也是基于它與電氣工程、量子電動(dòng)力學(xué)和實(shí)驗(yàn)電學(xué)中的所有觀察結(jié)果完全一致。隨著法拉第的工作，靜電學(xué)的理論已經(jīng)完成。 電化學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ) 伏打電堆是1800年3月20日意大利教授亞歷山德羅·朱塞佩·安東尼奧·阿納斯塔西奧·伏特(意大利語(yǔ)：Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta，1745年2月18日－1827年3月5日)發(fā)明的世界上第一個(gè)發(fā)電器，也就是電池組，伏打電堆開(kāi)創(chuàng)了電學(xué)發(fā)展的新時(shí)代。伏打電堆是由多層銀和鋅疊合而成，其間隔有浸漬水的物質(zhì)，亦稱伏特電池。 公元1786年，意大利物理學(xué)家、醫(yī)生伽伐尼在實(shí)驗(yàn)室解剖青蛙，把剝了皮的蛙腿，用刀尖碰蛙腿上外露的神經(jīng)時(shí)，蛙腿劇烈地痙攣，同時(shí)出現(xiàn)電火花。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為痙攣起因于動(dòng)物體上本來(lái)就存在的電，他還把這種電叫做“動(dòng)物電”。五年后，他把自己長(zhǎng)期從事蛙腿痙攣的研究成果發(fā)表。這個(gè)新奇發(fā)現(xiàn)，引起科學(xué)界大為震驚。公元1799年，伏特在過(guò)了四十五歲生日后，受伽伐尼的影響，決定沿著“動(dòng)物電”的路子研究下去。 伏特把一個(gè)金屬鋅環(huán)放在一個(gè)銅環(huán)上，再用一塊浸透鹽水的紙或呢絨環(huán)壓上，再放上鋅環(huán)，銅環(huán)，如此重復(fù)下去，10個(gè)、20個(gè)、30個(gè)疊成了一個(gè)柱狀，便產(chǎn)生了明顯的電流。這就是后人所稱的伏打電堆或伏特電池（因音譯不同，也稱為伏特電堆或伏打電池）。這柱疊得越高，電流就越強(qiáng)。這是為什么呢？原來(lái)伏特經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)立了一個(gè)了不起的電位差理論。就是說(shuō)不同金屬接觸，表面就會(huì)出現(xiàn)異性電荷，也就是說(shuō)有電壓。他還找到了這樣一個(gè)序例：.鋁、鋅、錫、鎘、銻、鉍、汞、鐵、銅、銀、金、鉑、鈀。在這個(gè)序列中任何一種金屬與后面的金屬相接觸時(shí)，總是前面帶上正電，后面帶負(fù)電。這是世界上第一個(gè)電氣元素表。只要有了電位差、電勢(shì)差，即電壓，就會(huì)有電流。如此，人們對(duì)電的認(rèn)識(shí)一下于就躍出了靜電的領(lǐng)域，就不再是摩擦毛皮上的電，雷雨中的電，萊頓瓶里的電，也不只是動(dòng)物身上的電，而是能控制流動(dòng)的電?？茖W(xué)家阿拉果在1831年寫(xiě)的某篇文章中這樣稱贊福特電池：“這種由不同金屬中間用一些液體隔開(kāi)而構(gòu)成的電堆，就它所產(chǎn)的奇異效果而言，乃是人類發(fā)明的的最神奇的儀器?！?/p> 伏特電池的問(wèn)世，給人們提供了一種產(chǎn)生穩(wěn)定電流的裝置，為人類進(jìn)行電學(xué)研究創(chuàng)造了條件，許多科學(xué)家都轉(zhuǎn)而進(jìn)行電學(xué)研究工作，電學(xué)研究領(lǐng)域熱鬧起來(lái)。相比之下，磁學(xué)研究卻冷冷清清。由于受吉爾伯特”電和磁是截然不同的自然現(xiàn)象”這一錯(cuò)誤理論的束縛,人們尚未注意考察、研究電和磁的親緣關(guān)系。 一旦科學(xué)家能夠用電池產(chǎn)生電流，他們就可以定量地研究電流的流動(dòng)。有了電池，德國(guó)物理學(xué)家格奧爾格·西蒙·歐姆能夠在1827年通過(guò)實(shí)驗(yàn)精確地量化一個(gè)問(wèn)題，即材料導(dǎo)電的能力，而卡文迪什只能在大約50年前定性地研究這個(gè)問(wèn)題。歐姆定律解釋了電荷流動(dòng)的阻力如何取決于導(dǎo)體的類型及其長(zhǎng)度和直徑。根據(jù)歐姆公式，流過(guò)導(dǎo)體的電流與電位差或電壓成正比，與電阻成反比，也就是說(shuō)，I = V/R。因此，電線的長(zhǎng)度增加一倍，電阻就增加一倍，而電線的橫截面積增加一倍，電阻就減少一半。歐姆定律可能是電氣設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的方程。不過(guò)，歐姆的研究用的不是起初的伏特電池，其主要原因是伏特電池提供的電壓不穩(wěn)定，塞貝克在1822年發(fā)現(xiàn)的熱電技術(shù)提供了一個(gè)恒定的電壓源來(lái)提供持續(xù)的電流。1826年，歐姆利用熱電堆獲得了電壓、電流和電阻之間簡(jiǎn)單而有力的關(guān)系。這就是電路理論的開(kāi)始。 電磁現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)和理論研究 物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)是漢斯·克里斯蒂安·奧斯特（丹麥語(yǔ)：Hans Christian ?rsted，1777年8月14日－1851年3月9日）在1820年宣布電流會(huì)產(chǎn)生磁效應(yīng)。奧斯特是在一個(gè)物理課的講課時(shí)發(fā)現(xiàn)這一發(fā)現(xiàn)的。他偶然把一根帶電流的電線放在指南針附近，驚訝地發(fā)現(xiàn)指南針與電線成直角擺動(dòng)。奧斯特的偶然發(fā)現(xiàn)證明了電和磁是相互聯(lián)系的。他的發(fā)現(xiàn)，以及法拉第隨后發(fā)現(xiàn)的變化的磁場(chǎng)會(huì)在附近的電路中產(chǎn)生電流，為詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的統(tǒng)一電磁學(xué)理論和大多數(shù)現(xiàn)代電磁技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。 當(dāng)奧斯特的實(shí)驗(yàn)揭示了電流有磁場(chǎng)效應(yīng)后，科學(xué)家們意識(shí)到在電流之間一定存在著磁力。他們立即開(kāi)始研究這些力。法國(guó)物理學(xué)家弗朗索瓦·讓·多米尼克·阿拉戈（法語(yǔ)：Fran?ois Jean Dominique Arago，1786年2月26日－1853年10月2日 法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和政治家，曾任法國(guó)第25任總理）在1820年觀察到，電流會(huì)使未磁化的鐵屑環(huán)繞繞著電線排列。同年，另一位法國(guó)物理學(xué)家安德烈-馬里·安培 （法語(yǔ)：André-Marie Ampère，F(xiàn)RS，1775年1月20日－1836年6月10日 法國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，經(jīng)典電磁學(xué)的創(chuàng)始人之一)以定量的方式發(fā)展了奧斯特的觀測(cè)。安培研究表明，兩根平行的電線像磁鐵一樣相互吸引和排斥。如果電流沿同一方向流動(dòng)，導(dǎo)線就會(huì)相互吸引;如果它們向相反的方向流動(dòng)，導(dǎo)線就會(huì)相互排斥。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，安培能夠表達(dá)磁場(chǎng)中電流的力方向的右手法則。他還從實(shí)驗(yàn)上定量地建立了電流之間的磁力定律。他認(rèn)為，內(nèi)部電流是永久磁鐵和高磁化材料(如鐵)的原因。 19世紀(jì)20年代，英國(guó)的威廉·斯特金和美國(guó)的約瑟夫·亨利利用奧斯特的發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)了電磁鐵。斯特金用18圈裸露的銅線繞著一根U形鐵棒。當(dāng)他打開(kāi)電流時(shí)，棒子變成了一個(gè)電磁鐵，能夠舉起自身重量20倍的東西。當(dāng)電流關(guān)閉時(shí)，金屬棒就不再磁化了。1829年，亨利重復(fù)了斯特金的工作，使用絕緣電線防止短路。通過(guò)將導(dǎo)線纏繞鐵棒多達(dá)數(shù)百圈，亨利創(chuàng)造了一種可以舉起一噸多鐵的電磁鐵。 約瑟夫·亨利
法拉第的電感應(yīng)發(fā)現(xiàn) 法拉第是19世紀(jì)最偉大的電學(xué)和磁學(xué)實(shí)驗(yàn)家，也是有史以來(lái)最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家之一，他斷斷續(xù)續(xù)研究了10年，試圖證明磁鐵可以產(chǎn)生電。1831年，他通過(guò)使用兩個(gè)繞在軟鐵環(huán)兩邊的線圈，終于獲得了成功。第一個(gè)線圈被連接到一個(gè)電池上；當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，鐵環(huán)被磁化。第二個(gè)線圈的一根導(dǎo)線被延伸到一米外的羅盤(pán)針上，這個(gè)距離足以使它不被第一個(gè)電路中的任何電流直接影響。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電路被打開(kāi)時(shí)，法拉第觀察到羅盤(pán)針有瞬間的偏移，并立即回到原來(lái)的位置。當(dāng)初級(jí)電流被關(guān)閉時(shí)，羅盤(pán)針也發(fā)生了類似的偏轉(zhuǎn)，但方向相反。在其他實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，法拉第表明，第一個(gè)線圈周圍磁場(chǎng)的變化是誘發(fā)第二個(gè)線圈中的電流的原因。他還證明，通過(guò)移動(dòng)磁鐵、打開(kāi)和關(guān)閉電磁鐵，甚至通過(guò)在地球磁場(chǎng)中移動(dòng)電線，都可以誘發(fā)電流。在幾個(gè)月內(nèi)，法拉第造出了第一臺(tái)原始的發(fā)電機(jī)。 法拉第的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 早在法拉第之前，亨利在1830年就完全獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，但他的成果直到他收到法拉第1831年工作報(bào)告的消息之后才發(fā)表，他也沒(méi)有像法拉第那樣充分地發(fā)展這一發(fā)現(xiàn)。 法拉第并不是唯一一個(gè)為電、磁和其他物理領(lǐng)域的綜合奠定基礎(chǔ)的研究者。在歐洲大陸，主要是在德國(guó)，科學(xué)家們正在電、磁和光學(xué)之間建立數(shù)學(xué)聯(lián)系。物理學(xué)家弗朗茨·恩斯特·諾伊曼（Franz Ernst Neumann）, 威廉·愛(ài)德華·韋伯（Wilhelm Eduard Weber）和海因里?！だ愦危℉.F.E. Lenz）的工作就屬于這一時(shí)期。與此同時(shí)，赫爾曼·馮·亥姆霍茲（德語(yǔ)：Hermann von Helmholtz，1821年8月31日－1894年9月8日）和英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姆森（William Thomson, 1st Baron Kelvin，1824年6月26日－1907年12月17日 后來(lái)的開(kāi)爾文勛爵）以及詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（英語(yǔ)：James Prescott Joule，1818年12月24日－1889年10月12日，應(yīng)該物理學(xué)家）正在闡明電和其他形式的能量之間的關(guān)系。在19世紀(jì)40年代，焦耳研究了電流和熱之間的定量關(guān)系，并提出了伴隨導(dǎo)體中電流流動(dòng)的熱效應(yīng)理論。亥姆霍茲、湯姆森、亨利、古斯塔夫·基爾霍夫和喬治·加布里埃爾·斯托克斯爵士也擴(kuò)展了導(dǎo)體中導(dǎo)電和電效應(yīng)傳播的理論。1856年，韋伯和他的德國(guó)同事魯?shù)婪颉た茽杽谑┐_定了電和磁單位的比例，發(fā)現(xiàn)它與光的維度相同，而且?guī)缀跬耆扔诠馑佟?857年，基爾霍夫利用這一發(fā)現(xiàn)證明了電擾動(dòng)以光速在高導(dǎo)電性導(dǎo)線上傳播。 麥克斯韋的電磁學(xué)統(tǒng)一理論 麥克斯韋在將電和磁綜合為一個(gè)統(tǒng)一的理論方面邁出了最后一步。他深受法拉第工作的影響，麥克斯韋將法拉第的實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換成了數(shù)學(xué)描述。(1856年，麥克斯韋提出了電磁場(chǎng)的能量存在于導(dǎo)體周圍的空間以及導(dǎo)體本身的理論。到1864年，他發(fā)表了光的電磁理論，預(yù)測(cè)光和電磁波都是電和磁現(xiàn)象。法拉第發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的變化會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，而麥克斯韋則補(bǔ)充道：即使沒(méi)有電流，電場(chǎng)的變化也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。麥克斯韋預(yù)言，在自用空間中傳播的電磁波具有相互成直角的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，而且這兩個(gè)場(chǎng)都垂直于波的方向。他的結(jié)論是，波的運(yùn)動(dòng)速度等于光速，光是電磁波的一種形式。 麥克斯韋方程組代表了經(jīng)典電磁理論的巔峰。這一理論的后續(xù)發(fā)展要么涉及電磁學(xué)和物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，要么涉及麥克斯韋方程的實(shí)際和理論結(jié)果。他的公式經(jīng)受住了相對(duì)論和量子力學(xué)的考驗(yàn)。他的公式適用于10的負(fù)10次方厘米的微小距離，也就是比一個(gè)原子小100倍的距離。 由于麥克斯韋方程組完全不能表達(dá)光子的概念，任何涉及到單獨(dú)光子的現(xiàn)象，例如光電效應(yīng)、普朗克定律、單光子探測(cè)器等等，假若使用麥克斯韋方程組來(lái)解釋，都會(huì)遇到困難。對(duì)于這些案例，必須用量子電動(dòng)力學(xué)的理論來(lái)給予解釋。 1884年，奧利弗·亥維賽將麥克斯韋方程組改寫(xiě)為今天人們所熟知的形式。赫茲以標(biāo)量形式獨(dú)立重寫(xiě)了麥克斯韋方程，使用了12個(gè)沒(méi)有電勢(shì)函數(shù)的方程。赫茲是在亥維賽之后才提出這些方程的。1884年，坡印廷計(jì)算了電磁波傳輸?shù)墓β?。認(rèn)識(shí)到亥維賽和赫茲在重新制定麥克斯韋方程組方面的貢獻(xiàn)，洛倫茨稱電磁場(chǎng)方程為麥克斯韋-海維塞德-赫茲方程。 盡管麥克斯韋的觀點(diǎn)很優(yōu)雅，但在英國(guó)以外的地方很少有人接受，直到1886年，德國(guó)物理學(xué)家海因里希-赫茲驗(yàn)證了以光速運(yùn)動(dòng)的電磁波的存在；他發(fā)現(xiàn)的波現(xiàn)在被稱為無(wú)線電波。 在研究電磁波的過(guò)程中，赫茲發(fā)明了以赫茲偶極子作為發(fā)射天線，矩形線環(huán)作為接收天線，以及火花間隙作為發(fā)射器和探測(cè)器來(lái)檢測(cè)傳播的電磁波的裝置。因此，他在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了麥克斯韋方程的有效性，并打開(kāi)了無(wú)線通信的宏偉大門(mén)。
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來(lái)自： 漢無(wú)為 > 《電磁學(xué)》
