漫談電磁科學史

同學們，你們一定知道冰箱貼、指南針吧？日常生產生活中，冰箱貼可將便利貼吸附在冰箱上，指南針用於指明方向。12世紀初，我國已將指南針用於航海。

1405——1433年的鄭和下西洋是中國古代規模最大、船隻最多、海員最多、時間最久的海上航行，比歐洲國家航海時間早半個多世紀。鄭和的航行之舉遠遠超過將近一個世紀之後的葡萄牙、西班牙等國的航海家，如麥哲倫、哥倫布、達伽瑪等人，堪稱是「大航海時代」的先驅。而羅盤（指南針）正是那240多艘船上重要的導航工具。

冰箱貼、羅盤都屬於磁體。中學教科書上對磁體有明確的定義：先定義磁性（能吸引鐵質物體的性質），然後順其自然地給出磁體的定義（具有磁性的物體）。

在初三物理課中，我們已經知道，電荷與電荷存在相互作用；磁體與磁體、磁體與通電導線、通電導線與通電導線之間也存在相互作用。

教科書上首次提到電場、磁場時一筆帶過。以磁場為例，「磁體與磁體之間、磁體與通電導體之間、以及通電導體與通電導體之間的相互作用，是通過磁場發生的。」

因為這不是考試重點，老師們往往只是蜻蜓點水過一下概念。一定有不少熱愛物理的同學遺憾於不能酣暢淋漓地理解磁場的概念。

為了幫助同學們更深入地體會「磁場」，交大思源書舍和大家聊點兒關於電和磁的科學史。

歷史上當人們對自然現象的理解還不足夠深刻時，曾有人認為上面提到的相互作用是超距作用。何謂超距作用？即既不需要媒介也不需要經歷時間，而是超越時間與空間直接發生的相互作用。

在當時的科學技術條件下，尚沒有跡象能證明這些作用是超距或非超距的。不需要理會這些相互作用是否為超距的，就可以很好地定性、定量描述這些相互作用。如：運用庫侖定律可精確地計算靜電荷之間的作用力，而通過安培力、洛倫茲力公式很容易就計算出通電導線、運動電荷在磁場中受到的力。（同學們若不知道這幾個詞不要緊，高中會學到。）

「超距學說」在當時已發現的自然規律中沒有顯現出其謬誤。

然而高瞻遠矚的物理學家們是難於接受富於神秘色彩的「超距作用學說」，他們認為這與人類的理智和科學追求不符。19世紀30年代，法拉第提出電場和磁場的概念。以磁場為例。磁體的周圍存在著由它產生的磁場，處在該磁場中的其他磁體或通電導線受到的作用力就是這個磁場給予的。

磁場是一種物質，它和分子、原子組成的實物一樣具有能量和動量。作為物質，它只能以不超過光速的速度在空間傳播。

學習、領會「磁場」這一概念的著眼點在於認識：磁體之間的相互作用需要媒介（即磁場）也需要經歷時間，它不是一種超距作用。

物理家探索自然的腳步從未停止過。

受啟蒙運動思想解放影響，從18世紀末人們開始思索各種自然現象之間的聯繫。

1820年奧斯特發現電流具有磁效應。法拉第敏銳地察覺到：磁與電之間也應該有類似的「感應」。他花了十年時間，經過無數次的探索之後，終於發現了「磁生電」效應！即所謂的電磁感應。

1834年楞次提出楞次定律，可簡明扼要地判斷「磁生電」時電流的方向；紐曼和韋伯在1845年和1846年先後指出了閉合電路中感應電動勢大小的計算方法，也即法拉第電磁感應定律。至此，人們能很好地描述並預測電磁感應現象了。

實際上，法拉第電磁感應現象，能從側面證明了磁場是客觀存在的。（電磁感應是高中物理知識。沒學過的同學若感興趣可以自行預習高中課本。）

舉一個小例子。將小燈泡、開關、密匝線圈、電源按下面的電路圖連接。先閉合開關使燈泡發光。然後斷開開關，可發現燈泡的發光還能維持一小段時間，有時甚至會比開關斷開之前更亮。

這是大家所熟知的自感現象，電磁感應的一種。

我們都知道能量守恆定律。能量不可能產生，也不可能消失。只能從一種形式轉化為另一種形式；從一個物體轉移到另一個物體或從一個物體的某部位轉移到其他部位。

現在我們來思考，這時燈泡的能量從哪裡來的呢？

能量是依存於物質的。沒有物質，談何能量？真空是沒有能量的。因此，若不建立起「磁場」（磁場是一種物質，具有能量）的概念，是很難解釋上述現象的。

電源斷開以後，由於電磁感應線圈中產生感應電流，這時的電流依然可以做功，說明線圈儲存了能量。線圈中有電流，有電流就有磁場，能量很有可能儲存在磁場中。

實際上，當開關閉合時，線圈中的電流從無到有，其中的磁場也是由無到有，這可以看做電源把能量輸送給磁場，磁場將這部分能量儲存在線圈中。等到開關斷開時，磁場的能量釋放出來，轉化為電能，從而給予了燈泡發光的能量。

當然，這只是一個假設。有關電磁場能量的直接實驗，要在我們認識了電磁波後才有可能。

麥克斯韋系統地總結了人類直至19世紀中葉對電磁規律的研究成果，站在庫侖、安培、奧斯特、法拉第和亨利等「巨人」的「肩膀」上，同時加上了他本人的創造性工作，最終建立起了經典電磁場理論。1864年麥克斯韋提出 「麥克斯韋方程組」，「麥克斯韋方程組」定量地描述變化的電磁場隨時間的變化及在空間的分布。

麥克斯韋集電磁學研究成果之大成，不僅預言了電磁波的存在，而且揭示了電、磁、光現象在本質上的統一性。麥克斯韋電磁理論的意義足以與牛頓力學體系相媲美，它是物理學發展中一個劃時代的里程碑。

赫茲從實驗上證明了麥克斯韋電磁場理論的正確性。1886年赫茲通過一系列實驗證實了電磁波的存在，並觀察到了電磁波的反射、折射、偏振和衍射等現象。他還通過測量證明，電磁波在真空中具有與光相同的速度。

至此，科學界終於構築完了「電磁波」這座大廈的基本框架。

手機、收音機、電視機、雷達等都是在人類對「電磁波」深入認知的基礎上才得以發明的。

也許在中學生看來，「電場」、「磁場」、「電磁場」的說明，只是課本上的一兩行字，並且非考試重點。事實上，它們的每一個，都代表著人類在科學的道路上前進了一大步，凝結了無數科學前輩的辛勤勞動和智慧靈光。

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