指南針的基本原理是磁針的指極性，中國人早在公元前3世紀的戰國時(shí)期就已認識到這一點(diǎn)?！俄n非子·有度》中提到“先王立司南以端朝夕”，表明那時(shí)已經(jīng)有了磁性指向工具，而且被稱(chēng)為“司南”。公元1世紀初東漢王充在《論衡》中有關(guān)于司南的詳細記載：“司南之杓，投之于地，其柢指南?！北砻魉灸系拈_(kāi)關(guān)像一把湯匙，有一根長(cháng)柄和光滑的圓底。司南由磁石制成，靜止時(shí)長(cháng)柄所指方向為南方。司南可能是最早期的指南針。由于磁性指向工具常常被置于一個(gè)標有方位的地盤(pán)之上。因此，早期指南針也被稱(chēng)為“羅盤(pán)”。
物質(zhì)大都是由分子組成的，分子是由原子組成的，原子又是由原子核和電子組成的。在原子內部，電子不停地自轉，并繞原子核旋轉。電子的這兩種運動(dòng)都會(huì )產(chǎn)生磁性。但是在大多數物質(zhì)中，電子運動(dòng)的方向各不相同、雜亂無(wú)章，磁效應相互抵消。因此，大多數物質(zhì)在正常情況下，并不呈現磁性。
鐵、鈷、鎳或鐵氧體等鐵磁類(lèi)物質(zhì)有所不同，它內部的電子自旋可以在小范圍內自發(fā)地排列起來(lái)，形成一個(gè)自發(fā)磁化區，這種自發(fā)磁化區就叫磁疇。鐵磁類(lèi)物質(zhì)磁化后，內部的磁疇整整齊齊、方向一致地排列起來(lái)，使磁性加強，就構成磁鐵了。磁鐵的吸鐵過(guò)程就是對鐵塊的磁化過(guò)程，磁化了的鐵塊和磁鐵不同極性間產(chǎn)生吸引力，鐵塊就牢牢地與磁鐵“粘”在一起了。我們就說(shuō)磁鐵有磁性了。
吉爾伯特1544年5月24日生于英國埃塞克斯郡的科爾切斯特。吉爾伯特盡管以磁學(xué)研究的先驅而聞名于世，但他的終生職業(yè)是位醫生，且是倫敦當時(shí)的名醫。吉爾伯特終生獨身，將閑暇全都用于搞物理實(shí)驗。1600年出版的《論磁》一書(shū)，使他在物理學(xué)史上留下了不朽的位置。
中國人發(fā)明的指向磁針經(jīng)由阿拉伯人傳入歐洲之后，很快在航海業(yè)中得到廣泛的使用。吉爾伯特發(fā)現了磁傾角，即當小磁針?lè )旁诘厍蛏铣媳睒O之外的地方時(shí)，它有一個(gè)朝向地面的小小傾斜。吉爾伯特的天才之處在于，他由磁傾角推測出地球是一塊大磁鐵。
吉爾伯特對近代物理學(xué)的重大貢獻還在于他提出了質(zhì)量、力等新概念。牛頓物理學(xué)的一個(gè)基本要點(diǎn)是區分了質(zhì)量和重量，有了這個(gè)區分，力學(xué)才突破了感性經(jīng)驗的范圍進(jìn)入純理論的領(lǐng)域。在《論磁》中，吉爾伯特說(shuō)，一個(gè)均勻磁石的磁力強度與其質(zhì)量成正比。這大概是歷史上第一次在重量概念之外提到質(zhì)量概念。除了研究磁力外，他還注意到了自然界中其他類(lèi)型的吸引力。比如，人們早就知道摩擦琥珀，琥珀就能將細小物體吸起來(lái)。據說(shuō)，泰勒斯曾做過(guò)有關(guān)的實(shí)驗。吉爾伯特進(jìn)一步發(fā)現，除琥珀以外，還有許多物體經(jīng)摩擦都有吸引力。他將這類(lèi)吸引力歸結為電力，并用希臘文琥珀（Elektron）一詞創(chuàng )造了“電”（electricity）這個(gè)新詞。他還通過(guò)實(shí)驗具體測定了各種吸引力的大小，發(fā)現磁力只吸引鐵，而電力則太弱。
普遍的“力”的概念當然還不成熟，但通過(guò)“磁力”這一特殊的力，吉爾伯特揭示了自然界中存在著(zhù)某種普遍的相互作用。他對力的解釋?zhuān)策€帶有舊時(shí)代的痕跡。他像希臘人那樣相信萬(wàn)物皆有靈魂，而地球的靈魂即是磁力。他認為，力像以太那樣放射和彌漫，將四周的物體拖向自身。這種解釋雖然不夠近代，但對開(kāi)辟新代新的物理學(xué)十分有用。因為，正是在他的思想激勵下，人們才開(kāi)始尋求行星規則運動(dòng)的“力”的原因。
自吉爾伯特的開(kāi)創(chuàng )性研究以來(lái)，電學(xué)一直處在盲目摸索階段?；镜母拍羁蚣苌形唇?，也缺乏定量實(shí)驗。吉爾伯特已經(jīng)認識到一切物體可以分為“電物體”和“非電物體”兩類(lèi)，其中的電物體就是通過(guò)摩擦可以帶電的物體，非電物體則不可能帶電。
1729年，英國卡爾特修道院的養老金領(lǐng)取者格雷通過(guò)實(shí)驗發(fā)現了導電物質(zhì)與非導電物質(zhì)的區分。他先是偶然發(fā)現，當玻璃管經(jīng)摩擦帶電時(shí)，塞住玻璃管兩端的軟木塞也帶電。進(jìn)一步，他有意識地用一根木桿的一端插進(jìn)軟木塞，而另一端插進(jìn)一個(gè)象牙球，結果發(fā)現，當玻璃管帶電時(shí)，連象牙球都可以吸引羽毛。他繼續用各種物質(zhì)實(shí)驗，終于得出結論：有些物質(zhì)可以傳送電，而有些物質(zhì)不能傳送，只能用來(lái)保存電荷?！半娢矬w”不能傳導電，而“非電物體”則可以導電。
格雷的實(shí)驗引起了法國物理學(xué)家迪費（Du Fay, 1698-1739）的注意。他是皇家花園里的一位管家，因而有閑暇從事他所愛(ài)好的物理實(shí)驗工作。1733年，他用帶電的玻璃棒去接觸幾塊懸掛著(zhù)的軟木，使它們帶電。按吉爾伯特和格雷的說(shuō)法，軟木是“非電物體”，只能導電，不能帶電。迪費的實(shí)驗則表明這種看法是錯誤的。迪費還進(jìn)一步親自試驗，將自己懸掛在天花板上，讓助手給自己帶電，結果他們兩人都被電擊，這就說(shuō)明人這種“非電物體”也可以帶電。因此，迪費大膽地否定了“電物體”與“非電物體”之區分，認為所有物體均可以通過(guò)摩擦帶電。
迪費的另一工作是發(fā)現了兩類(lèi)電荷的不同。1734年，迪費發(fā)表了一封信，信中說(shuō)：“我湊巧又發(fā)現了另一原理，它比前一原理更富有普遍性并更加值得注意，而且對于電學(xué)研究提出了新的闡釋。這原理是：有兩種各不相同的電，一種我稱(chēng)為玻璃電（vitreous electricity），另一種我稱(chēng)為樹(shù)脂電（resinous electricity）。第一種是玻璃、巖晶、寶石、獸毛、絨毛和其他許多物體的電；第二種是琥珀、硬樹(shù)膠、樹(shù)脂漆、絲、線(xiàn)、紙和其他大量物質(zhì)的電。這兩種電的特性是，比如說(shuō)，玻璃電物體排斥一切同電的物體，但是相反，吸引一切樹(shù)脂電物體?！钡腺M實(shí)際上發(fā)現了正負電荷的不同，但他的命名不確切。后來(lái)人們現，樹(shù)脂質(zhì)物體可以產(chǎn)生玻璃電，玻璃質(zhì)物體也可以產(chǎn)生樹(shù)脂電。
隨著(zhù)玻璃電研究的深入開(kāi)展，摩擦起電機的制造更趨精致。起電機提供實(shí)驗用的電荷自然不成問(wèn)題，但機器一停，所產(chǎn)生的電荷就逐漸在空氣中消失了，電荷無(wú)法保存下來(lái)。萊頓瓶就是在這個(gè)背景下應運而生的。
事情是偶然發(fā)生的。1745年，荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué)教授馬森布羅克( Pieter Van Musschenbrock,1692-1761)做了一個(gè)試圖使水帶電的實(shí)驗，結果令他震驚。他在一個(gè)玻璃瓶中倒進(jìn)水，然后用軟木塞塞住瓶口，讓一根銅絲從軟木塞中通入瓶?jì)鹊乃?。馬森布羅克搖動(dòng)起電機使銅絲帶電，他的助手拿著(zhù)玻璃瓶。這時(shí)，這位助手不小心將另一只手碰著(zhù)了黃銅絲，被猛烈地電了一下，大叫起來(lái)。馬森布羅克于是與助手調換了分工，自己親自試一試，結果，正如他后來(lái)描述的：“我的右手遭到了猛擊，全身好像觸了閃電一樣。玻璃瓶雖然很薄，可是沒(méi)有破裂，手也沒(méi)有因此移位，但是手膀和全身都受到了說(shuō)不出來(lái)的的影響：一句話(huà)，我想我這次完蛋了?！边@就表明，玻璃瓶可以?xún)Υ娲罅康碾姾?。這個(gè)消息很快傳開(kāi)了。雖然馬森布羅克警告人們不要冒險做這個(gè)實(shí)驗，但還是有不少勇士知難而上，并且糾正了馬森布羅克的一些錯誤結論。例如，馬氏曾認為只有德國產(chǎn)的玻璃才行，后來(lái)發(fā)現只要是干燥的就行。由于玻璃瓶?jì)﹄妼?shí)驗是從萊頓大學(xué)傳開(kāi)的，這種儲電瓶就被稱(chēng)為萊頓瓶。其實(shí)，比馬森布羅克略早一些，德國波美拉尼亞的牧師克萊斯特也于1745年 現了玻璃瓶可以保存電，發(fā)現的過(guò)程基本類(lèi)似。
萊頓瓶轟動(dòng)了整個(gè)歐洲，各地的業(yè)余愛(ài)好者均爭相實(shí)驗、示范、表演。有人用萊頓瓶放電殺死老鼠，有人用電點(diǎn)燃火藥。最其名的一次電擊表演是法國物理學(xué)家諾萊特做的。他在巴黎修道院門(mén)前調集了七百名修道士，讓他們手拉手排成一排。隊伍全長(cháng)900英尺，規模十分壯觀(guān)。法國國王路易十五及其皇室成員被邀請觀(guān)看。諾萊特讓隊首的修道士拿住萊頓瓶，讓隊尾的修道士手握萊頓瓶的引線(xiàn)。當萊頓瓶放電時(shí)，一瞬間700名修道士全都跳了起來(lái)，其滑稽的舉動(dòng)給人留下深刻的印象，也令人深切地感受到了電的力量。
1746年，美國著(zhù)名的政治家、科學(xué)家富蘭克林（Benjamin Franklin，1706－1790）得到了倫敦友人贈送的一只萊頓瓶，便開(kāi)始研究電現象。富蘭克林的研究使人類(lèi)對電的認識大大前進(jìn)了一步。富蘭克林1706年生于美國麻省波士頓市，是一位肥皂商的第十個(gè)兒子。他年輕時(shí)做過(guò)印刷業(yè)的學(xué)徒工，此后在費城創(chuàng )辦報紙，成為政界名流。18世紀后半期，他致力于美國的獨立斗爭，是贏(yíng)得獨立戰爭的領(lǐng)袖，是美國家喻戶(hù)曉的民族英雄、立國之父。但是早年，他主要以一個(gè)科學(xué)家而聞名歐洲。
富蘭克林最著(zhù)名的發(fā)現是統一了天電和地電，破除了人們對于雷電的迷信。在用萊頓瓶進(jìn)行放電實(shí)驗的過(guò)程中，富蘭克林面對著(zhù)電火花的閃光的劈啪聲，總是禁不住與天空的雷電聯(lián)想起來(lái)。他意識到萊頓瓶的電火花可能就是一種小型的雷電。為了驗證這個(gè)想法，必須將天空中的雷電引到地面上來(lái)。1752年7月的一個(gè)雷雨天，富蘭克林用綢子做了一個(gè)大風(fēng)箏。風(fēng)箏頂上安上一根尖細的鐵絲，絲線(xiàn)將鐵絲聯(lián)起來(lái)通向地面。絲線(xiàn)的末端拴一把銅鑰匙，鑰匙則插進(jìn)一個(gè)萊頓瓶中。富蘭克林將風(fēng)箏放上天空等待打雷。突然，一陣雷電打下來(lái)，只見(jiàn)絲線(xiàn)上的毛毛頭全都豎立起來(lái)。用手靠近銅鑰匙，即發(fā)出電火花。天電終于被捉下來(lái)。富蘭克林發(fā)現，儲存了天電的萊頓瓶可以產(chǎn)生一切地電所能產(chǎn)生的現象，這就證明了天電與地電是一樣的。
富蘭克林的第二大貢獻是發(fā)明了避雷針。早在1747年，富蘭克林就從萊頓瓶實(shí)驗中發(fā)現了尖端更易放電的現象。等他發(fā)現了天電與地電的統一性后，就馬上想到，如果利用尖端放電原理將天空威力巨大的雷電引入地面，那就可以避免建筑物遭雷擊。
富蘭克林在電學(xué)上的第三大貢獻是提出了正電和負電的概念。在1747年的一封信中，富蘭克林提出了自己對電的本性的看法。他認為，電的本性是某種電液體，它不均勻地滲透在一切物體中。當某物體內的電液體與其外界的電液體處于平衡時(shí)，該物體便呈電中性；當內部的電液體多于外界時(shí)，呈正電性，相反則呈負電性。正電與負電可以抵消。由于電液體總量不變，因此電荷總量不變。在摩擦過(guò)程中，電不是被創(chuàng )生而是被轉換。迪費所謂的玻璃電和樹(shù)脂電實(shí)際上分別是正電和負電。富蘭克林的電性理論可以解釋當時(shí)出現的絕大部分電現象，因而獲得了公認。今天，我們知道，電實(shí)際上是帶負電荷的電子造成的，正電恰好意味著(zhù)電子的缺失，負電才是電子的多余。富蘭克林正好弄反了，但他的“缺失”和“多余”模型被繼承下來(lái)了。
電流的發(fā)現純情屬偶然。1752年，有一位名叫祖爾策的意大利學(xué)者，用一片鉛片和一片銀片放在舌尖上，當這兩個(gè)金屬片的另一頭邊在一起時(shí)，他發(fā)現舌尖的感覺(jué)很奇怪，既不是鉛的味道，也不是銀的味道。他反復試驗，發(fā)現確實(shí)有這種現象。由于找不到解釋?zhuān)蜎](méi)有再把這件事情放在心上。實(shí)際上，他的舌尖上流通了兩個(gè)金屬相接觸而產(chǎn)生的接觸電，味覺(jué)因而發(fā)生了變化。
又過(guò)了近30年，意大利波洛尼亞大學(xué)的醫學(xué)教授伽伐尼（Galvani，1737－1756）重新遭遇了這種現象。伽伐尼是一位解剖學(xué)家。1780年9月20日，他正和他的兩個(gè)助手做解剖青蛙的實(shí)驗。他將解剖完了的青蛙放在解剖桌上后，一名助手無(wú)意中將解剖刀碰到了一只蛙腿的神經(jīng)上，頓時(shí)四只蛙腿猛烈地抽動(dòng)。伽伐尼感到奇怪，又重復了這一實(shí)驗，發(fā)現了同樣的現象。他將蛙腿用銅絲掛在鐵格窗上，想看看雷雨時(shí)蛙腿的反應，結果發(fā)現雷電發(fā)作時(shí)，蛙腿抽動(dòng)。這表明蛙腿抽動(dòng)是因為電擊所致。但他進(jìn)一步發(fā)現，沒(méi)有雷電時(shí)，蛙腿也抽動(dòng)，無(wú)論晴天雨天。他又在封閉的屋子里做實(shí)驗，發(fā)現用相同的金屬不能使蛙腿抽動(dòng)，而不同的金屬則抽動(dòng)，只是程度有所不同。
金屬與蛙腿接觸肯定有放電過(guò)程發(fā)生，但電來(lái)自何處呢？伽伐尼是一位解剖學(xué)家，他可能更相信來(lái)自有機體內部，因此，他提出，動(dòng)物體內部存在著(zhù)“動(dòng)物電”，這種電只有用一種以上的金屬與之接觸時(shí)才能激發(fā)出來(lái)。他認為，這種電與摩擦電完全一樣，只是起因不同。今天我們知道，伽伐尼的動(dòng)物電看法是錯誤的。然而，正是他的工作極大地促進(jìn)了人們對該問(wèn)題的深入研究。
伽伐尼的發(fā)現轟動(dòng)一時(shí)，特別引起了他的同胞、意大利物理學(xué)家伏打（Volta，1745－1827）的注意。伏打當時(shí)是意大利帕維亞大學(xué)的自然哲學(xué)教授，已經(jīng)在靜電研究中初露頭角。他發(fā)明的起電盤(pán)有儲存電荷的作用，可以替代萊頓瓶。為此，他于1791年獲得皇家學(xué)會(huì )的科普利獎?wù)?，并被選為會(huì )員。伽伐尼的實(shí)驗傳開(kāi)后，他也重復了該實(shí)驗，但他對伽伐尼的解釋不滿(mǎn)意。雖然當時(shí)的人們聯(lián)想到海里的電鰻等帶電的魚(yú)，因而很快就接受了伽伐尼的“動(dòng)物電”概念，但伏打對此仍深表懷疑。
1792年，他從實(shí)驗上證明了，伽伐尼電本質(zhì)上是因為兩種金屬與濕的動(dòng)物體相連造成的，蛙腿只起驗電器的作用。1794年，他決定只用金屬而不用肌肉組織進(jìn)行試驗，立即發(fā)現電流的產(chǎn)生與生物組織無(wú)關(guān)。這樣一來(lái)，在伽伐尼與伏打之間便發(fā)生了一場(chǎng)爭論。雙方都有支持者，但實(shí)驗證據對伏打越來(lái)越有利。
伏打用各種金屬做實(shí)驗，結果得出了著(zhù)名的伏打序列：鋅、錫、鉛、銅、銀、金… 他發(fā)現，只要將這個(gè)序列里前面的金屬與后面的金屬相接觸，前者就帶正電，后者帶負電；在序列中的距離越遠，帶電越多。1800年，伏打制成了著(zhù)名的伏打電堆。他在3月20日致皇家學(xué)會(huì )會(huì )長(cháng)的信中說(shuō)，在進(jìn)行接觸電實(shí)驗的過(guò)程中，他制造了一種新裝置，這種裝置可以自發(fā)地生電?！?0片，40片，60片或更多的銅片，最好是用一些銀片，每片都與一塊錫片，更好是用一些鋅片，還有等數目的水層，或比純水更能傳導的其他某種液體如鹽水、或堿水等，或用浸透這種液體的卡片或革片相接觸。當這種水層夾在每副由兩種不同金屬的耦合之間時(shí)（三種導體的交替必須按照同樣次序），我的儀器就造成了?！币院?，伏打又將他的電堆做了進(jìn)一步的改進(jìn)，使其更便于使用。
伏打電堆的出現，使人們第一次有可能獲得穩定而持續的電流，從而為研究動(dòng)電現象打下了基礎。同時(shí)，它也推動(dòng)了電化學(xué)的發(fā)展。電流的出現標志著(zhù)一個(gè)電氣時(shí)代的來(lái)臨，伏打電堆在科學(xué)史上具有十分重要的地位。
自萊頓瓶出現以來(lái)，關(guān)于靜電現象的定性研究取得了十分突出的成就。人們已經(jīng)認識到電荷分正電和負電，同性相斥，異性相吸。從18世紀中葉開(kāi)始，不少人定量地研究了電荷力，他們中最著(zhù)名的是卡文迪許與庫侖。
卡文迪許（Henry Cavendish，1731－1810）是英國的一位貴族，1731年生于法國尼斯，因為那時(shí)候他母親正在法國旅游。他終生未婚、獨居，一心獻身于科學(xué)研究事業(yè)。他性格孤僻、過(guò)分靦腆。據說(shuō)他從不接觸陌生人，連女傭人都不能見(jiàn)面，需要她干什么就寫(xiě)在紙條上。
卡文迪許被認是氫氣的發(fā)現者。他的論文表明他懂得如何將酸與金屬相作用制備氫氣。他還證明了氫氣燃燒生成水。
在實(shí)驗物理學(xué)史上，卡文迪許的最重要工作也許是用英國地質(zhì)學(xué)家密切爾發(fā)明的扭秤在實(shí)驗中測定了萬(wàn)有引力常數G。他用一根線(xiàn)將一根很輕的棒懸掛起來(lái)，棒可以繞線(xiàn)自由轉動(dòng)，棒兩頭各固定一個(gè)輕的鉛球?？ㄎ牡显S測定了棒的扭轉與棒所受力的定量關(guān)系后，將兩個(gè)大球分別靠近兩個(gè)小鉛球。從扭轉程度可以先算出兩對球之間的萬(wàn)有引力，再運用萬(wàn)有引力定律反算出萬(wàn)有引力常數G。知道了萬(wàn)有引力常數，由重力加速度又可以算出地球的質(zhì)量，以及地球的密度。
卡文迪許在電學(xué)方面也做出了開(kāi)創(chuàng )性貢獻，但他在18世紀70年代所做的電學(xué)研究直到半個(gè)世紀后才被發(fā)現。他生前只給皇學(xué)學(xué)會(huì )投寄了兩篇論文。在1777年的論文里，他提出了電荷作用的平方反比律：“電的吸引力和排斥力很可能反比于電荷間距離的平方。如果是這樣的話(huà)，那么物體中多余的電幾乎全部堆積在緊靠物體表面的地方。而且這些電緊緊地壓在一起，物體的其余部分處于中性狀態(tài)?！彼趯?shí)驗中發(fā)現，將一個(gè)金屬球殼帶電后，所有的電荷均分布在表面，而球腔中沒(méi)有任何電作用，這意味著(zhù)球腔內任何一點(diǎn)所受到的電力均相互抵消了。電力與作用距離保持一種什么樣的關(guān)系，才可能做到相互抵消呢？他用數學(xué)證明了只有當力與距離的平方成反比時(shí)才可能。
重新發(fā)現的卡文迪許的手稿表明，他已經(jīng)提出了靜電電容、電容率、電勢等概念。這些在當時(shí)均為第一流的成就，都沒(méi)有發(fā)表。1810年，卡文迪許在倫敦出世。當今最為著(zhù)名的劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗室就是為了紀念這位偉大的科學(xué)家而命名的。
卡文迪許用來(lái)測量萬(wàn)有引力常數的的扭秤，被法國物理學(xué)家庫侖（Coulomb，1736 －1806）用來(lái)測定電荷之間的相互作用力。不過(guò)庫侖的扭秤是自己獨自發(fā)明的，為此曾于1781年選為法國科學(xué)院院士。1785年，他使用自己的扭秤測定帶電小球之間的作用力，發(fā)現電的引力或斥力與兩個(gè)小球上的電荷之積成正比，而與小球球心之間的距離的平方成反比。這個(gè)規律現在被稱(chēng)為庫侖定律。庫侖也做過(guò)與卡文迪許同樣的球殼實(shí)驗，以此進(jìn)一步證明平方反比律的正確。
庫侖1773年發(fā)表有關(guān)材料強度的論文，所提出的計算物體上應力和應變分布情況的方法沿用到現在，是結構工程的理論基礎。1777年開(kāi)始研究靜電和磁力問(wèn)題。當時(shí)法國科學(xué)院懸賞征求改良航海指南針中的磁針問(wèn)題。庫侖認為磁針支架在軸上，必然會(huì )帶來(lái)摩擦，提出用細頭發(fā)絲或絲線(xiàn)懸掛磁針。研究中發(fā)現線(xiàn)扭轉時(shí)的扭力和針轉過(guò)的角度成比例關(guān)系，從而可利用這種裝置測出靜電力和磁力的大小，這導致他發(fā)明扭秤。他還根據絲線(xiàn)或金屬細絲扭轉時(shí)扭力和指針轉過(guò)的角度成正比，因而確立了彈性扭轉定律。他根據1779年對摩擦力進(jìn)行分析，提出有關(guān)潤滑劑的科學(xué)理論，于1781年發(fā)現了摩擦力與壓力的關(guān)系，表述出摩擦定律、滾動(dòng)定律和滑動(dòng)定律。設計出水下作業(yè)法，類(lèi)似現代的沉箱。1785~1789年，用扭秤測量靜電力和磁力，導出著(zhù)名的庫侖定律。庫侖定律使電磁學(xué)的研究從定性進(jìn)入定量階段，是電磁學(xué)史上一塊重要的里程碑。
庫侖定律與牛頓的萬(wàn)有引力定律形式上十分相似。它的發(fā)現，使人們對物理世界的普遍規律有了進(jìn)一步的認識，為電磁學(xué)的大發(fā)展開(kāi)辟了道理。
18世紀行將結束之際，電學(xué)達到了它的最高成就－庫侖定律。但是，電與磁聯(lián)系依然未被正確地認識。吉爾伯特在當時(shí)實(shí)驗的基礎上認為電與磁沒(méi)有什么共同性。這一看法延續了很長(cháng)時(shí)間。庫侖也探討過(guò)電與磁的相關(guān)性，但在實(shí)驗上一無(wú)所獲，結果也相信電與磁沒(méi)有什么關(guān)系。19世紀電磁學(xué)的大發(fā)展正是從認識到電磁的內存統一性開(kāi)始的。
18世紀后期在德國興起的自然哲學(xué)思潮，弘揚自然界中聯(lián)系、發(fā)展的觀(guān)點(diǎn)，批評牛頓科學(xué)中機械論的成分，在當時(shí)的科學(xué)家中產(chǎn)生了重要的影響。丹麥物理學(xué)家奧斯特（Oersted，1777-1851）青年時(shí)代是康德哲學(xué)的崇拜者，1799年的博士論文討論的就是康德哲學(xué)。后來(lái)，他周游歐洲，成了德國自然哲學(xué)學(xué)派的追隨者。1806年回國后，被母校哥本哈根大學(xué)聘為教授。
基于其哲學(xué)傾向，奧斯特一直堅信電磁之間一定有某種關(guān)系，電一定可以轉化為磁。在1812年出版的《關(guān)于化學(xué)力和電力的統一的研究》一書(shū)中，奧斯特推測，既然電流通過(guò)較細的電線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生熱，那么通過(guò)更細的導線(xiàn)就可能發(fā)光。導線(xiàn)直徑再小下去，還可能產(chǎn)生磁效應。沿著(zhù)這個(gè)思路，奧斯特做了許多實(shí)驗，但均沒(méi)有成功。
1819年冬天，他受命主持一個(gè)電磁講座，有機會(huì )繼續研究電流的磁效應問(wèn)題。他產(chǎn)生了一個(gè)新的想法，即電流的磁效應可能不在電流流動(dòng)的方向上。為了驗證這個(gè)想法，他于次年春設計了幾個(gè)實(shí)驗，但還是沒(méi)有成功。1820年4月，在一次討論快結束時(shí)，他靈機一動(dòng)又重復了這個(gè)實(shí)驗，果然發(fā)現了電流接通時(shí)附近的小磁針動(dòng)了一下。奧斯特驚喜萬(wàn)分，又反復實(shí)驗，終于在1820年7月21日發(fā)表了“關(guān)于磁針上電流碰撞的實(shí)驗”的論文。論文指出，電流所產(chǎn)生的磁力既不與電流方向相同也不與之相反，而是與電流方向相垂直。還指出，電流對周?chē)裴樀挠绊懣梢酝高^(guò)各種非磁性物質(zhì)。
奧斯特的發(fā)現馬上轟動(dòng)了整個(gè)歐洲科學(xué)界。當年8月，法國物理學(xué)家阿拉果在瑞士聽(tīng)到了這一消息，迅即返回法國，于9月11日向科學(xué)院報告了奧斯特的新發(fā)現。阿拉果的報告使法國物理學(xué)界十分震驚。因為他們一直受庫侖的影響，以為電與磁不可能相互作用。法國物理學(xué)家安培敏銳地感到這一發(fā)現的重要性，第二天即重復了奧斯特的實(shí)驗。一周后，他向科學(xué)院提交了第一篇論文，提出了磁針轉動(dòng)方向與電流方向相關(guān)判定的右手定則。再一周后，安培向科學(xué)院提交了第二篇論文，討論了平行載流導線(xiàn)之間的相互作用問(wèn)題。1820年底，安培提出了著(zhù)名的安培定律。
安培（Ampère，1775－1836）生于一個(gè)富貴的商人之家。由于大革命時(shí)期父親被處決，他的心情一直十分憂(yōu)郁。拿破侖時(shí)期，他曾就任綜合技術(shù)學(xué)校的數學(xué)教授。據說(shuō)，他是一位心不在焉的“教授”，常常沉入思考而忘記周?chē)囊磺?，有一次連皇帝拿破化的宴會(huì )都忘了去。但安培是一位天才的物理學(xué)家，不僅有良好的數學(xué)基礎，而且精于實(shí)驗。奧斯特只是發(fā)現了電流對磁針有作用，安培卻在極短的時(shí)間里將這一發(fā)現推廣到電流與電流之間的相互作用，并接連發(fā)現了作用的方向和大小，給出了判定方向的方法及計算大小的公式。安培定律指出，兩電流元之間的作用力與距離平方成反比。這一極為重要的定律，構成了電動(dòng)力學(xué)的基礎?！半妱?dòng)力學(xué)”這一名稱(chēng)也是安培首先提出來(lái)的，用來(lái)指研究運動(dòng)電荷（電流）的科學(xué)。與之相對的是“電靜力學(xué)”，庫侖定律則是電靜力學(xué)中的基本定律。
安培之前，“電流”的概念尚未成為一個(gè)科學(xué)的概念。正是安培首先規定了電流的方向。他大概受富蘭克林影響，認為電流是電液體由正極向負極流動(dòng)所致，因此，他把電流的方向規定為由正極指向負極。今天我們知道，電流的本質(zhì)是電子由負極向正極的運動(dòng)。安培的規定正好反了。不過(guò)，只要徹底一貫地堅持這個(gè)規定，也不會(huì )帶來(lái)什么麻煩，因此物理學(xué)界依然因襲了安培的這個(gè)規定。
電流磁效應的發(fā)現也使測量“電流”的大小成為可能，從而使電動(dòng)力學(xué)真正走上了定量實(shí)驗的發(fā)展道理。
1821年初，安培進(jìn)一步提出了分子電流假說(shuō)。他認為，物體內部的每一個(gè)分子中都帶有回旋電流，因而構成了物體的宏觀(guān)磁性。這一假說(shuō)當時(shí)不被人所重視，直到70多年后真的發(fā)現了這種帶電粒子，人們才驚嘆安培過(guò)人的天才。
歐姆定律今天已成為中學(xué)物理課本中最淺顯的一個(gè)基本定律。盡管今天看來(lái)十分簡(jiǎn)單，當初發(fā)現它卻不那么容易。要知道，構成歐姆定律的“電阻”、“電壓”概念尚未出現，有待歐姆本人去創(chuàng )造，而“電流”概念也才剛剛由安培定量化。
德國物理學(xué)家歐姆（Ohm，1789－1854）生于埃爾蘭根的一個(gè)匠人家里，從小學(xué)到了機械制造技能。他沒(méi)有正式上過(guò)大學(xué)，只有在埃爾蘭根大學(xué)旁聽(tīng)過(guò)，以后一直當中學(xué)教師。他熱心于電學(xué)研究，曾多次測量過(guò)不同金屬的導電率。由于他所使用的伏打電堆的電流不太穩定，使他的研究總是不理想。1822年，德國物理學(xué)家塞班克發(fā)現了溫差電效應，從而發(fā)明了溫差電池。溫差電池可以提供穩定的電流，這使歐姆的金屬導電率研究有了重要的突破。
法國數學(xué)家傅里葉已經(jīng)發(fā)現，熱傳導過(guò)程中熱流量與兩點(diǎn)間的溫度差成正比。受此啟發(fā)，歐姆猜測電流也應該與導線(xiàn)兩端之間的某種驅動(dòng)力成正比。他把這種驅動(dòng)力叫作“驗電力”，今天稱(chēng)為電勢差。要驗證這一猜想，就必須測量電流的大小。歐姆起初利用電流的熱效應導致的熱脹冷縮來(lái)測量電流的大小，但實(shí)際操作起來(lái)效果很差。電流的磁效應發(fā)現后，歐姆依此原理設計了一桿扭秤，可以很方便地測定電流的大小。這樣，他利用溫差電池和電磁扭秤繼續進(jìn)行金屬的導電實(shí)驗，終于得出了“通過(guò)導體的電流與電勢差成正比，與電阻成反比”的結論。這就是著(zhù)名的歐姆定律。
歐姆將他的實(shí)驗結果發(fā)表于1826年，次年又出版了《關(guān)于電路的數學(xué)研究》，給出了歐姆定律的理論推導。他的實(shí)驗論文少有人知，而這本數學(xué)著(zhù)作又遭到了非難。人們認為它僅僅是一種理論推測，并沒(méi)有實(shí)驗依據。但他的工作在國外越來(lái)越受到重視。倫敦皇家學(xué)會(huì )于1841年授予他科普利獎?wù)拢?842年接受他為會(huì )員。他的祖國終于認識到了他的價(jià)值。1849年，慕尼黑大學(xué)聘請他為教授，歐姆終于實(shí)現了他青年時(shí)代當一名大學(xué)教授的理想。
既然電流有磁效應，科學(xué)家自然想到磁可能也會(huì )有電流效應。盡管許多人為此做了不少實(shí)驗，但磁的電流效應并未立即被發(fā)現。直到奧斯特的發(fā)現10年以后，英國物理學(xué)家法拉第和美國物理學(xué)家亨利才完成了這一壯舉。
19世紀最偉大的實(shí)驗科學(xué)家法拉第（Michael Faraday，1791－1867）的一生，是在逆境中頑強奮斗的一生。他于1791年9月22日生于倫敦郊區紐因頓的一個(gè)貧窮的家庭。父親是個(gè)鐵匠，有10個(gè)孩子，家境十分不佳。少年法拉第只學(xué)會(huì )了讀書(shū)寫(xiě)字便失學(xué)了。1804年，他進(jìn)了一家印刷廠(chǎng)當童工，次年成為裝訂學(xué)徒。利用工作之便，法拉第經(jīng)常禁不住翻開(kāi)他要裝訂的書(shū)籍，讀讀其中的內容。正是在這樣的條件下，法拉第學(xué)到了不少科學(xué)知識。業(yè)余時(shí)間，他也試著(zhù)做了幾個(gè)化學(xué)實(shí)驗，還裝了一臺起電機。1812年，當時(shí)著(zhù)名的化學(xué)家戴維在皇家研究院做一系列化學(xué)講演，法拉第得到了一張票。他十分驚喜地發(fā)現自己完全能聽(tīng)懂戴維的講演，這說(shuō)明多少年的苦讀并非徒勞。這一年，他到了一家法國人開(kāi)的印刷廠(chǎng)當正式裝訂工，但工廠(chǎng)主對工人很不好。法拉第每每想起從事科學(xué)事業(yè)是多么光榮和崇高，可眼前的工作環(huán)境充滿(mǎn)了欺詐和自私自利，遂決定離開(kāi)這里。他先是給皇家學(xué)會(huì )的會(huì )長(cháng)寫(xiě)了一封信，請求得到學(xué)會(huì )的推薦，在皇家研究院的化學(xué)實(shí)驗室里找一份差使。這封信石沉大海，杳無(wú)音訊。法拉第又斗膽給大化學(xué)家戴維本人寫(xiě)信，并將自己記的戴維的講演筆記裝訂得很漂亮，一起寄給了戴維。戴維為這位自學(xué)青年的才能和好學(xué)精神所感動(dòng)，立即回了一封信予以鼓勵，但沒(méi)有答應法拉第的求職要求。后來(lái)，戴維與一位助手鬧翻了，這位助手被解雇后，他想到法拉第的一再要求，便通知法拉第說(shuō)實(shí)驗室有一個(gè)刷洗瓶子的工作。法拉第愉快地接受了這個(gè)工作，雖然工資比當裝訂工時(shí)還低。
1813年，22歲的法拉第正式當上了戴維的助手，走進(jìn)了夢(mèng)寐以求的科學(xué)殿堂。不久，戴維夫婦到歐洲大陸旅游，法拉第作為助手和仆人跟隨。雖然戴維夫人甚至很不客氣地將法拉第當奴隸使，他也虔誠地忍受了。這次旅行，法拉第大開(kāi)眼界。他見(jiàn)到了電化學(xué)的始祖伏打和其他著(zhù)名的科學(xué)家。1815年回國后，法拉第逐漸在實(shí)驗室里顯示出了卓越的實(shí)驗才能。他先是與戴維一起研究礦井使用的安全礦燈，后來(lái)又投入化學(xué)研究。1816年，法拉第發(fā)表了第一篇學(xué)術(shù)論文。1823年，他發(fā)現了加壓液化二氧化碳、硫化氫、溴化氫和氯氣等氣體的方法。1825年，又發(fā)現了笨。他還在電化學(xué)方面做出了開(kāi)創(chuàng )性工作，“電解”、“電極”以及陽(yáng)極、陰極等名詞就是法拉第最先使用的。由于他在實(shí)驗方面的出色成就，1824年被選為皇家學(xué)會(huì )會(huì )員，1825年被任命為皇家研究院實(shí)驗室主任。戴維很快發(fā)現法拉第有著(zhù)極為出色的實(shí)驗天才，對他產(chǎn)生了妒忌。據說(shuō)在選舉皇家學(xué)會(huì )新會(huì )員時(shí)，只有他一個(gè)人反對法拉第當選。盡管如此，法拉第還是懷著(zhù)敬慕的心情稱(chēng)頌戴維，感謝他早期對他的培養和教導。
奧斯特實(shí)驗傳到英國后，在英國物理學(xué)界也引起了強烈的反響。1821年，戴維和另一位英國物理學(xué)家沃拉斯通重復了奧斯特的實(shí)驗，并且試圖用固定的強磁鐵讓載流導線(xiàn)繞自己的軸旋轉，但是沒(méi)有成功。法拉第受他們的啟發(fā)，在同年成功地使一根小磁針繞著(zhù)通電導線(xiàn)不停地轉動(dòng)。這使他相信，電流對磁鐵的作用力本質(zhì)上是圓形的。法拉第實(shí)驗成功的這個(gè)裝置大概是歷史上第一臺電動(dòng)機。雖然還只是玩具，但不久就改變了世界。
法拉第也像許多科學(xué)家一樣，相信不僅有電流的磁效應，而且也應有磁的電流效應。1824年，他曾設計了一個(gè)實(shí)驗以檢驗這種效應。他讓兩極導線(xiàn)平行放置，然后在一根導線(xiàn)中通電，看看另一根導線(xiàn)中會(huì )不會(huì )有電流感應。他當時(shí)希望看到導線(xiàn)中產(chǎn)生穩定的電流，結果瞬間的電流感應未被他注意。以后多次實(shí)驗均無(wú)結果。
1831年8月29日，他又設計了一個(gè)新的實(shí)驗。他在一個(gè)軟鐵環(huán)上繞了兩段線(xiàn)圈，一段線(xiàn)圈與電池相連，另一個(gè)則與電流計相連。這時(shí)他發(fā)現，當電池接通時(shí)，電流計產(chǎn)生強烈的振蕩，但不久回復到零位置，而當電池斷開(kāi)時(shí)，電流計又發(fā)生同樣的現象。法拉第起先不明白這里的含義。9月24日，他將與電流計相連的線(xiàn)圈繞在一個(gè)鐵圓筒上，又發(fā)現了每當磁鐵接近或離開(kāi)圓筒時(shí)，電流計都有短暫的反應。這表明，磁確實(shí)可以產(chǎn)生電，雖然只是短暫的。
同年10月1日，法拉第將兩根絕緣銅線(xiàn)分別繞在同一根木頭上，形成兩組線(xiàn)圈，一組與電流計相連，另一組與電池相連。當電池接通或斷開(kāi)時(shí)，電流計指針跳動(dòng)，隨后就回到零位。17日，法拉第進(jìn)一步發(fā)現，僅僅用一根永磁棒插入或拔出線(xiàn)圈，就能從與線(xiàn)圈相連的電流計中發(fā)現指針偏轉。法拉第十分清楚，他已經(jīng)用實(shí)驗證明了感生電流的存在。11月24日，他向皇家學(xué)會(huì )提交了一篇論文，報告了他的重大發(fā)現。感生電流的發(fā)現在著(zhù)重大意義，它意味著(zhù)通過(guò)連續的運動(dòng)磁體可以不間斷地得到電流。據說(shuō)法拉第本人很快就做了一個(gè)模型發(fā)電機。電動(dòng)機和發(fā)電機的問(wèn)世預示著(zhù)人類(lèi)電氣時(shí)代的到來(lái)。
1834年，法拉第發(fā)現了自感現象。單獨一個(gè)線(xiàn)圈在接通或斷開(kāi)電流的一瞬間總會(huì )產(chǎn)生一個(gè)很強的“額外”電流，這個(gè)額外電流在斷電時(shí)與原電流方向相同，試圖加強它，在通電時(shí)與通電電流方向相反，試圖反抗它。
應該提到，另外還有一個(gè)人與法拉第同時(shí)作出了電磁感應的偉大發(fā)現。他就是美國物理學(xué)家亨利。1827年8月，亨利因為試制電磁鐵而發(fā)現了自感現象。1830年8月，他又初步發(fā)現了電流引起的磁場(chǎng)在通電或斷電時(shí)能產(chǎn)生瞬間的電流。亨利的實(shí)驗時(shí)間均在法拉第之前，但由于他的實(shí)驗結果一直沒(méi)有發(fā)表，人們還是將電磁感應現象的發(fā)現歸功于法拉第。
這本來(lái)也是歷史的公正。法拉第不僅獨自發(fā)現了電磁感應現象，其研究的深度與廣度無(wú)人能及，而且運用他自己創(chuàng )造的“場(chǎng)”和“力線(xiàn)”概念，建立了電磁感應定律。在法拉第以前，人們已經(jīng)知道了許多物理作用力不是通過(guò)直接接觸實(shí)現的，如牛頓的萬(wàn)有引力、庫侖的靜電力、磁極之間的作用力，以及新近發(fā)現的電流之間的磁作用力等，而且它們遵守距離的平方反比關(guān)系。牛頓本人相信引力是即時(shí)作用，既不需要傳播媒介，也不需要時(shí)間。但是法拉第不同意這種超距作用觀(guān)，天才地創(chuàng )造了“場(chǎng)”和“力線(xiàn)”的概念。
法拉第認為，電磁作用力均需要媒介傳遞，因為他從實(shí)驗中得知，電介質(zhì)影響帶電體之間的電磁作用。他設想，帶電體或磁體周?chē)幸环N由電磁本身產(chǎn)生的連續的介質(zhì)，來(lái)傳遞電磁相互作用。這種看不見(jiàn)、摸不著(zhù)的介質(zhì)，被他稱(chēng)作“場(chǎng)”。為了直觀(guān)地顯示“場(chǎng)”的存在，他以引入了“力線(xiàn)”的概念。他設想，電力線(xiàn)和磁力線(xiàn)由帶電體或磁體發(fā)出，散布于空間之中，作用于其中的每一電磁物體。演示磁力線(xiàn)的實(shí)驗今天為每一個(gè)初中生所熟悉。將鐵屑灑在一張紙上，紙下放一磁鐵，輕輕彈動(dòng)這張紙，紙上的鐵屑就會(huì )排成一個(gè)規則的圖形。法拉第說(shuō)，鐵屑所排成的形狀就是磁力線(xiàn)的形狀。
有了力線(xiàn)的概念，法拉第就能進(jìn)一步解釋電磁感應現象。他在發(fā)表于1851年的《論磁力線(xiàn)》一文中說(shuō)，只要導線(xiàn)垂直地切割磁力線(xiàn)，導線(xiàn)中就有電流產(chǎn)生，電流的大小與所切割的磁力線(xiàn)數成正比。這篇論文實(shí)際上正式將電磁感應現象確立為一條定律。法拉第由于從小沒(méi)有受過(guò)正規教育，其數學(xué)能力十分欠缺，但他對物理世界天才的洞察力彌補了這一不足?！傲€(xiàn)”概念就是一種極為出色的非數學(xué)化的圖像式想像，至今仍為物理教學(xué)所喜用。
1938年，在皇家學(xué)會(huì )的檔案里發(fā)現了法拉第1832年3月12日寫(xiě)給皇家學(xué)會(huì )的一封信，信中，他先提到電力和磁力的傳播需要時(shí)間，接著(zhù)他說(shuō)：“我認為，磁力從磁極出發(fā)的類(lèi)似于起波紋的水面的振動(dòng)或者空氣粒子的聲振動(dòng)，也就是說(shuō)，我打算把振動(dòng)理論應用于磁現象，就像對聲音所做的那樣，而且這也是光現象最可能的解釋?！痹谶@封信里，法拉第實(shí)際上預言了電磁波的存在。
1845年，法拉第發(fā)現了磁的旋光效應即著(zhù)名的法拉第效應。次年，他又提出光的本性是電力線(xiàn)和磁力線(xiàn)的振動(dòng)。這一看法后來(lái)被麥克斯韋發(fā)展成為光的電磁學(xué)。
自進(jìn)入皇家研究院以來(lái)，法拉第的新發(fā)現一個(gè)接著(zhù)一個(gè)。及至19世紀40年代，法拉第聲名大振，數不清的榮譽(yù)向他襲來(lái)，但他依然像當年那個(gè)學(xué)徒工那樣對科學(xué)一往情深，對金錢(qián)和地位不屑一顧。由于他在電磁學(xué)方面做出了偉大貢獻，被稱(chēng)為“電學(xué)之父”和“交流電之父”。愛(ài)因斯坦在他的學(xué)習墻上放著(zhù)法拉第的一張照片，并將其與牛頓和麥克斯韋放在一起。
法拉第有美好的婚姻，雖然兩人一起經(jīng)歷貧窮、不孕、失憶癥的危機，但這一切卻使得兩個(gè)人的愛(ài)情，維系更深。在法拉第年老最后的一場(chǎng)演講中，法拉第最感謝的是她的妻子：“她，是我一生第一個(gè)愛(ài)，也是最后的愛(ài)。她讓我年輕時(shí)最燦爛的夢(mèng)想得以實(shí)現；她讓我年老時(shí)仍得安慰。每一天的相處，都是淡淡的喜悅；每一個(gè)時(shí)刻，她仍是我的顧念。有她，我的一生沒(méi)有遺憾。我唯一的掛念是，當我離開(kāi)之后，一生相顧、親愛(ài)的同伴，如何能忍受折翼之痛，我只能用一顆單純的信心，向那位永生的神呼吁：‘我沒(méi)有留下什么給她，但我不害怕，我知道，你一定會(huì )照顧她，你一定會(huì )照顧她?！?/p>
法拉第的創(chuàng )造性工作奠定了電磁學(xué)的物理概念基礎，但是由于法拉第不懂數學(xué)，不能用精確的數學(xué)語(yǔ)言表述他的物理思想。在他總結性的著(zhù)作《電學(xué)實(shí)驗研究》一書(shū)里，幾乎找不到一條數學(xué)公式，以致有人認為它只是關(guān)于電磁實(shí)驗的實(shí)驗報告，談不上是一部科學(xué)論著(zhù)。另一方面，由于分析力學(xué)的高度發(fā)達，電磁學(xué)領(lǐng)域每取得一個(gè)突破性的定律，就有數學(xué)、物理學(xué)家將之用嚴密精確的數學(xué)公式數學(xué)化。庫侖定律、安培定律和法拉第電磁感應定律均秀快被表述成一般的數學(xué)形式，現在就等待著(zhù)一個(gè)偉大的綜合出現。英國物理學(xué)家麥克斯韋擔當了這一歷史使命。
麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831－1879）1831年11月13日出生在愛(ài)丁堡一個(gè)名門(mén)望族，從小便顯露出數學(xué)天才。15歲時(shí)寫(xiě)了一篇論卵形曲線(xiàn)的論文，發(fā)表在愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì )的刊物上，令許多數學(xué)家不相信它出自一個(gè)孩子之手。1847年，麥克斯韋進(jìn)入愛(ài)丁堡大學(xué)學(xué)習數學(xué)和物理學(xué)。1850年，考入劍橋大學(xué)三一學(xué)院，主攻數學(xué)物理學(xué)。1854年大學(xué)畢業(yè)。數學(xué)成績(jì)非常優(yōu)秀。1856年麥克斯韋被阿伯丁馬里歇爾學(xué)院聘為教授，1860年轉往倫敦皇家學(xué)院，1871年回到母校劍橋大學(xué)任實(shí)驗物理學(xué)教授。據說(shuō)他不是一個(gè)很好的教師，他的課深奧難懂，往往只有幾個(gè)特別優(yōu)秀的學(xué)生才能跟得上。在劍橋期間，他出版了卡文迪許的手稿，從而使世人認識到這位科學(xué)怪人曾取得了多少遠遠超出其時(shí)代的成就。他還親自創(chuàng )辦了著(zhù)名的卡文迪許實(shí)驗室，任實(shí)驗室主任一直到去世。
麥克斯韋的科學(xué)成就是多方面的 。1857年他曾提出土星光環(huán)的顆粒構成理論。這個(gè)光環(huán)從地球上看很像一個(gè)圓盤(pán)，但麥克斯韋認為，如果它真是一個(gè)固體或流體的結構，那么引力和離心力等作用必定會(huì )使它分崩離析。除非它是一條帶狀的小天體群，否則不會(huì )保持穩定。后來(lái)的觀(guān)測證明，麥克斯韋的看法是正確的。由于其杰出的數學(xué)才能，麥克斯韋還在新興的分子運動(dòng)領(lǐng)域做出過(guò)重要的貢獻。
1855年，麥克斯韋寫(xiě)了《論法拉第的力線(xiàn)》一文，第一次試圖將法拉第的力線(xiàn)概念賦予數學(xué)形式，從而初步建立了電與磁之間的數學(xué)關(guān)系。麥克斯韋的理論表明，電與磁不能孤立地存在，總是不可分離地結合在一起。這篇論文于次年發(fā)表在《英國科學(xué)促進(jìn)會(huì )報告集》中，使法拉第的力線(xiàn)概念由一種直觀(guān)的想象上升為科學(xué)的理論，引起了物理學(xué)界的重視。法拉第讀過(guò)這篇論文后，大加贊揚。
1862年，麥克斯韋發(fā)表了第二篇論文《論物理學(xué)的力線(xiàn)》。在這篇論文中，他提出了自己首創(chuàng )的“位移電流”和“電磁場(chǎng)”等新概念，并在此基礎上給出了電磁場(chǎng)理念的更完整的數學(xué)表述。
電磁場(chǎng)中廣泛存在的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交相變化，使麥克斯韋意識到它是一種新的波動(dòng)過(guò)程。1864年，他向皇家學(xué)會(huì )宣讀了另一篇著(zhù)名的論文《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》。該文于次年發(fā)表在學(xué)會(huì )的機關(guān)刊物《哲學(xué)雜志》上。文中不僅給出了今天被稱(chēng)為麥克斯韋方程的電磁場(chǎng)方程，而且提出了電磁波的概念。他認為，變化的電場(chǎng)必激發(fā)磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又激發(fā)電場(chǎng)，這種變化著(zhù)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同構成了統一的電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)以橫波的形式在空間中傳播，形成所謂電磁波。
麥克斯韋推算出了電磁波的傳播速度，發(fā)現與光速十分接近。他本來(lái)就猜測光與電磁現象有著(zhù)內在的聯(lián)系，在完整的電磁理論之后，他更明確提出了光的電磁理論。麥克斯韋寫(xiě)道：“電磁波的這種速度與光的速度如此之接近，好像我們有充分理由得出結論說(shuō)，光本身（包括輻射熱和其他輻射熱）是一種電磁干擾，它是波的形式，并按照電磁定律通過(guò)電磁場(chǎng)傳播?！?/p>
1865年，麥克斯韋得了一場(chǎng)重病，不得不辭去皇家學(xué)院的職務(wù)回家養病。這以后，他把主要精力放在整理、總結電磁學(xué)理論已取得的成就上面。1873年，他出版了其偉大的著(zhù)作《電磁通論》。這本書(shū)全面總結了一個(gè)世紀以來(lái)電磁學(xué)所取得的成果，是一部電磁學(xué)的百科全書(shū)，是集電磁理論之大成的經(jīng)典著(zhù)作。
1879年11月5日，麥克斯韋因長(cháng)期患病，終于與世長(cháng)辭，時(shí)年僅48歲。他沒(méi)能看到他所預言的電磁波真的在實(shí)驗室里被發(fā)現。但是今天，電磁波已經(jīng)成了信息時(shí)代最基本的物質(zhì)載體。
麥克斯韋的主要貢獻是建立了麥克斯韋方程組，創(chuàng )立了經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，并且預言了電磁波的存在，提出了光的電磁說(shuō)。麥克斯韋是電磁學(xué)理論的集大成者。他出生于電磁學(xué)理論奠基人法拉第提出電磁感應定理的1831年，后來(lái)又與法拉第結成忘年之交，共同構筑了電磁學(xué)理論的科學(xué)體系。物理學(xué)歷史上認為牛頓的經(jīng)典力學(xué)打開(kāi)了機械時(shí)代的大門(mén)，而麥克斯韋電磁學(xué)理論則為電氣時(shí)代奠定了基石。
1878年，德國著(zhù)名的物理學(xué)家赫爾姆荷茲向他在柏林大學(xué)的學(xué)生們提出了一個(gè)競賽題目，即用實(shí)驗方法驗證麥克斯韋的理論。赫爾姆荷茲的學(xué)生之一赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857－1894）從那起就致力于這個(gè)課題的研究。1886年，他在做放電實(shí)驗時(shí)發(fā)現近處的線(xiàn)圈也發(fā)出火花。他敏銳地意識到這可能是電磁波在起作用。為了更好地確認這一點(diǎn)。赫茲再度布置實(shí)驗。他設計了一個(gè)振蕩電路用來(lái)在兩個(gè)金屬球之間周期性地發(fā)出電火花，按照麥克斯韋理論，在電火花出現時(shí)應該有電磁波發(fā)出。然后，赫茲又設計了一個(gè)有缺口的金屬環(huán)狀線(xiàn)圈，用來(lái)檢測電磁波。結果，當振蕩電路發(fā)出火花時(shí)，金屬缺口處果然也有較小的火花出現。這就證明了電磁的確是存在的。赫茲還進(jìn)一步在不同的距離觀(guān)測檢測線(xiàn)圈，由電火花的強度的變化大致算出了電磁波的波長(cháng)。1887年11月5日，赫茲給他的老師赫爾姆荷茲寄去了論文《論在絕緣體中電過(guò)程引起的感應現象》。1888年1月，赫茲發(fā)表了《論動(dòng)電效應的傳播速度》，證明了電磁波具有與光完全類(lèi)似的特性，還證明了電磁波的傳播速度與光速有相同的量級。赫茲的實(shí)驗發(fā)現不僅證明了麥克斯韋理論的正確，也為人類(lèi)利用無(wú)線(xiàn)電波開(kāi)辟了道理?？上У氖?，赫茲英年早逝，沒(méi)能在電磁波的應用技術(shù)方面做出他本來(lái)完全可能做出的重大貢獻。不久以后，意大利青年物理學(xué)家馬可尼就實(shí)現了無(wú)線(xiàn)電波通訊。
19世紀前，人們對電的認識極為有限。1820年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特和法國物理學(xué)家安培發(fā)現電流的磁效應。10多年后，法拉第等人又發(fā)現了電磁感應現象。在這個(gè)世紀的前半葉，電磁學(xué)理論得到了巨大的 展。與此相呼應，工程技術(shù)專(zhuān)家敏銳地意識到電力技術(shù)對人類(lèi)生活的意義，紛紛投身于電力開(kāi)發(fā)、傳輸和利用方法的研究，推出了一個(gè)前人從未想過(guò)的電氣時(shí)代。
電是人類(lèi)面臨的一種前所未有的新型能量。所謂電力革命指的是，新興的電能開(kāi)始作為一種主要的能量形式支配著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟生活。電能的突出優(yōu)點(diǎn)在于，它是一種易于傳輸的工業(yè)動(dòng)力，同時(shí)，它又是極為有效可靠的信息載體。因此，電力革命主要體現在動(dòng)力傳輸與信息傳輸兩個(gè)方法。與動(dòng)力傳輸系統相關(guān)聯(lián)，出現了大型發(fā)電機、高壓輸電網(wǎng)、各種各樣的電動(dòng)機（馬達）和照明電燈。與信息傳輸相關(guān)聯(lián)，出現了電報、電話(huà)和無(wú)線(xiàn)電通訊。這些偉大的發(fā)明使人類(lèi)的生活進(jìn)入了一個(gè)更光明、更美好的新時(shí)期。
11.1 電動(dòng)機與發(fā)電機：皮克希、惠斯通、西門(mén)子
最早發(fā)現的電流磁效應的那些實(shí)驗裝置，均可以看成是原始的電動(dòng)機。小磁針在電流導線(xiàn)所形成的磁場(chǎng)中的運動(dòng)，是電能轉變?yōu)榇拍茉俎D變?yōu)闄C械能的真實(shí)寫(xiě)照。法拉第使小磁針繞載流導線(xiàn)連續運動(dòng)的裝置，是第一臺電動(dòng)機。在最初展出時(shí)，曾有人問(wèn)法拉第這個(gè)玩意兒有什么用。法拉第機智地回答：“新生的嬰兒有什么用？”的確，這個(gè)嬰兒不久就長(cháng)成了巨人。
11.2 發(fā)電站與遠距輸電：德波里
11.3 電燈、電影：愛(ài)迪生
11.4 電報：亨利、莫爾斯
11.5 電話(huà)：貝爾
11.6 無(wú)線(xiàn)電：馬可尼、波波夫
繼以蒸汽機為代表的第一次技術(shù)革命和以電動(dòng)機為代表的第二次技術(shù)革命后，世界近代史上的第三次技術(shù)革命于20世紀中葉爆發(fā)，其核心技術(shù)是電子計算機技術(shù)。
12.1 電子管、晶體管和集成電路：弗萊明、德福雷斯特、肖克萊
1833年，美國發(fā)明大王愛(ài)迪生在研制燈泡時(shí)無(wú)意中發(fā)現一個(gè)有趣的現象：把一塊金屬板與燈絲一起密封在燈泡內，給燈泡通電后，如果給金屬板加正電壓，則發(fā)熱的燈絲與金屬板之間就會(huì )有電流流過(guò)，相反則沒(méi)有電流流過(guò)。這一現象后來(lái)被稱(chēng)為愛(ài)迪生效應。但當時(shí)愛(ài)迪生沒(méi)有更多地去研究它。直到1897年湯姆遜發(fā)現電子，人們才知道，原來(lái)燈絲加熱后有電子射出，與金屬板之間正好形成回路。
1904年，英國發(fā)明家弗萊明打算利用愛(ài)迪生效應制造一種高性能的電磁波檢波器，以提高無(wú)線(xiàn)電通訊效果，結果研制成了真空二極管。他在真空管中放置兩塊金屬板，一個(gè)是正極，一個(gè)是負極。當加熱負板時(shí)，就有電子流入正極。當正極加上無(wú)線(xiàn)電信號時(shí)，通過(guò)的電流就隨之發(fā)生波動(dòng)，這樣，二極管就能夠起到檢波作用。美中不足的是，電信號過(guò)于微弱，主要原因是，人們無(wú)法控制二極管內的電子流大小。
1906年，美國物理學(xué)家德福雷斯特把弗萊明的二極管發(fā)展成為三極管，實(shí)現了信號的放大功能。三極管是在熱的燈絲和冷的陽(yáng)極之間安置一個(gè)柵極，柵極的作用是控制由燈絲到陽(yáng)極所通過(guò)的電子流。但是柵極的控制作用可以用來(lái)實(shí)現信號放大：在柵極上微弱的電勢變化卻能使在陽(yáng)極和陰極之間很強的電流產(chǎn)生類(lèi)似的變化，這樣電子管就可以放大柵極的電壓變化。三極管的電子流更大，檢波更靈敏，無(wú)線(xiàn)電信號的放大問(wèn)題從此可以解決了。
電子管元件在三極管發(fā)明后又有了很大的發(fā)展，四極管、五極管、微波管相繼問(wèn)世，使可利用的電波頻率區段大大擴展、電子設備大大增加。
20世紀初，有些無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者發(fā)現有些半導體礦石有單向導電性，因此很適合做檢波器。這使科學(xué)家想到，用半導體可以制作與電子管同樣性能的晶體管。由于許多理論和技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決，真正發(fā)明晶體管時(shí)已經(jīng)到了20世紀40年代末。美國貝爾電話(huà)實(shí)驗室的肖克萊、馬丁和布拉坦，經(jīng)過(guò)十幾年的努力，終于在1947年12月23日研制成功了以鍺為材料的第一只晶體管。三人因此而獲得1956年度諾貝爾物理學(xué)獎。1950年，肖克萊等人又發(fā)明了晶體三極管，放大能力更強。鍺比較稀少，因此第一批晶體管價(jià)格很貴，但到了20世紀50年代初發(fā)現更合適的半導體材料硅之后，實(shí)用性晶體管才大規模地普及開(kāi)來(lái)。地球上到處都是硅，真可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭，用它加工制作的晶體管卻要改變這個(gè)世界。
與電子管相比，晶體管具有體積小、重量輕、耗能低、壽命長(cháng)、制造工藝簡(jiǎn)單、使用時(shí)不需預熱等優(yōu)點(diǎn)，它的問(wèn)世大大加速了電子技術(shù)的發(fā)展。用高純硅制作的晶體管只有米粒大小，耗電量只有電子管的十萬(wàn)分之一。晶體管首先在收音機行當大顯神通，原先擺在家里的像大箱子一樣的電子管收音機，一經(jīng)更換晶體管，就由“柜子”變成了“盒子”，再由“盒子”變成了“煙盒”。
晶體管出現后，20世紀50年代人們又推出了集成電路。所謂集成電路，就是將電子元器件（即晶體管）與電子線(xiàn)路組合起來(lái)，構成一個(gè)整體，并將其連在同一塊硅晶片上。它能完成從前需要幾個(gè)分立電子元件才能完成的功能。集成電路是在晶體管的微型化基礎上出現的，它開(kāi)創(chuàng )了晶體管微型化的新思路和新方法。隨著(zhù)工藝水平的不斷提高，集成電路的集成度不度上升，價(jià)格則不斷下降。1959年1月，美國德克薩斯儀器公司（Texas Instruments）率先推出了第一塊集成電路。大約同時(shí)，美國仙童公司（Fairchild Semiconductor）也宣布研制出集成電路。
集成電路今日也稱(chēng)“芯片”。它在一塊硅晶片上埋管鋪線(xiàn)。其鋪線(xiàn)方式是利用半導體再摻雜一些特殊的雜質(zhì)來(lái)使其導電，其埋（晶體）管的方式是高溫熔化。集成電路的制作有如頭發(fā)絲上刻字，微電子技術(shù)有如微雕藝術(shù)。在郵票那么大的地方，一開(kāi)始只有4個(gè)晶體管，到20世紀60年代中期達到10個(gè)。
20世紀60年代以來(lái)，集成電路向大規模集成電路，甚至超大規模集成電路發(fā)展，其集成度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強。20世紀70年代中期，出現了在一塊硅片上包含有十萬(wàn)個(gè)晶體管的大規模集成電路。由于電子元件的變革，電子產(chǎn)品的性能價(jià)格比急劇下降，達到了空前普及，使人類(lèi)進(jìn)入了電子化時(shí)代。
12.2 無(wú)線(xiàn)廣播：費森登
12.3 電視：尼普科、茲沃里金
12.4 電子計算機：巴貝奇、莫克萊、馮 ·諾依曼
電子管一問(wèn)世，有些目光敏銳的發(fā)明家和科學(xué)家就意識到它可以被用于制造計算機，因為它的開(kāi)閉速度比繼電器快1萬(wàn)倍，性能也可靠得多。
隨著(zhù)電子技術(shù)的 展，計算機也出現了數次較重大的變革。電子真空管計算機是第一代，晶體管計算機是第二代，集成電路和大規模集成電路計算機則為第三和第四代。
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