早期的电磁学

如果说力学和光学是17世纪物理学取得最大进展的两个科目，那么静电学则是18世纪物理学取得引人注目的发展的科目。从研究摩擦起电开始的静电学起初进行得很缓慢，因为它依赖于那些没有任何理论指导的偶然观察。每一门精密科学都要经历这样的最初阶段，而电学是物理学各分支学科中最后一个脱离这个阶段的。直到进入18世纪很久以后，电学才进入以在假说性概念指导下的系统实验为表征的第二阶段。这一阶段特别突出的是库仑的工作。后来使静电学终于成为一门精密科学的数学演绎正是建立在他的实验研究之上。

（一）摩擦电

1675年皮卡尔发现在黑暗中摇动一个气压计的水银柱，就可以在托里拆里真空中观察到一种独特的磷光。这一奇特现象引来不少猜测。最后英国皇家学会会员弗朗西斯·豪克斯贝作出了正确的解释，他用实验证明，这种现象起因于水银摩擦玻璃管壁而生成电。1729年，斯蒂芬·格雷在实验中发现经摩擦产生的电能够传递，在他的实验中电被传送了765英尺远。

让·泰奥菲尔·德扎古利埃在继续格雷而做的一些实验中，把能够让电透过的物质称为导体，而把不具备这种性质的，在实验中用来支撑导体的物质称为电本体或载体。电物质和非电物质相区别的真正本性大约同时为其他几位研究者认识到。

（二）电的产生和储存

利用摩擦起电的原理，人们自然想到制造专门的机器来获得电荷。真正意义上的起电机是从1743年莱比锡的豪森开始的。他在那年出版的《电学史上新进展》中描述了这样一种起电机。接着人们造出了各式各样的起电机，绝大多数富有的业余爱好者都拥有一台起电机。摩擦电的其余现象如电火花的引燃作用等也相继被发现。

在实验过程中，人们发现一些液体如水也能起电，同时人们希望把产生的电荷保存起来。这两者的结合促成了现在称为莱顿瓶的装置的发明。1745年，莱顿大学制造出一个金属衬里的玻璃瓶，从瓶口的软木塞插入一根金属棒，它能储存由起电机产生的大量静电。只要瓶内储存的电足够多，当人手靠近金属棒时会感受到电击。如果将瓶靠近金属，会产生电火花，并伴随着清脆的爆裂声。

（三）电的本质

在积累了大量的电现象的新发现之后，人们开始探究电现象的原因。起先人们认为物体带电是因为一种叫电素的物质与之相结合的缘故。但是如果电素是一种物质，那么物体起电后的重量应当有所增加，但是一切想证明这一点的尝试都没有成功。同样的问题也出现在热、光、磁等物理现象中。人们把这些物质说成是没有质量的实体，这在逻辑上难以成立，但是在18世纪却提供了唯一可能的解释。事实上，无质物体的概念直到20世纪初才在物理学的所有分支领域中被推翻。在解释电的本质问题上，一个杰出的人物是富兰克林。这似乎也是新大陆上第一位加入到欧洲科学行列的科学家。

富兰克林1706年1月17日出生于波士顿，在17个孩子中排行15，家境并不富裕。他只受过两年正规教育。他当过印刷工人、作家、政治家、外交家和科学家，并被奉为美国的“立国之父”之一。1743年他创立了美国第一个科学学会——美国哲学学会。他的科学创造才能表现在许多发明上，像改进火炉和双焦眼镜等，但他的最大成就是在电学方面。

当时很多科学家都用莱顿瓶做实验，富兰克林是其中之一。他注意到电火花和爆裂声，联想到这可能是一种微型的闪电和雷鸣。从另一个角度看，地球可能就是一个巨大的莱顿瓶，雷鸣闪电可能就是天空和这个巨大莱顿瓶之间的相互作用。为了验证这种想法，他在1752年的一个雷雨天气里放出一只风筝，风筝上有一根带尖头的金属线，它连着一根丝线。要是空中有电，就会使丝线带电。风云积聚，电闪雷鸣。富兰克林把手靠近拴在丝线上的金属钥匙，金属钥匙像莱顿瓶一样放出火花。富兰克林接着用这个钥匙给莱顿瓶充了电。风筝实验给科学界造成很大震动，富兰克林也因此被选为英国皇家学会会员。

这里需要说明的是，这个实验高度危险。富兰克林是幸运到了极点，后来有两个试图重做这个实验的人都丧了命。认识闪电也是一种放电现象之后，富兰克林马上设计出了避雷针，并投入使用。1782年仅费城一地就有400根避雷针。

富兰克林对电现象提出这样的解释：他设想电中包含一种微妙的流体，无论这种流体多了还是少了，都会表现出电性来。两种含有多余流体的物体相互排斥，两种缺少这种流体的物体也相互排斥。多余的流入不足的，这两种电就中和了。富兰克林建议将有多余流体的情况称为带正电，流体不足的情况称为带负电。

不巧的是，富兰克林猜测的含有多余流体的情况恰恰是物体缺少了电子。甚至现在电工技师在设计电路时还假设电流从正极流向负极。但物理学家明白，电子实际上是从负极流到正极。在这里电流的流向当然只是个约定问题，只要大家遵守同一个约定就行了。

（四）感应和热电

在富兰克林同时代从事电学实验的许多人当中，最突出的是两位欧洲大陆的物理学家——德籍瑞典人维尔克和其合作者埃皮努斯。维尔克发现，当两个物体摩擦时，总产生两种电。他把他研究过的物体材料排成一个系列，其中的物体与系列中的下一个物体摩擦时带正电，与上一个摩擦时带负电。这个系列是：玻璃、羊毛、木材、火漆、金属、硫。英国一位物理学家坎顿进一步注意到：一种给定物质在摩擦时产生的电荷可以是正的，也可以是负的，视其表面的性质以及所用的摩擦物的性质而定。他在同一根玻璃管的两端产生了相反的电荷。维尔克还发现了一种新的产生电的方法：硫和树脂在熔化后再放进一个绝缘陶瓷容器中让其凝固时，会强烈地带负电，这是可熔性非导体一个特有的性质。

大约在1753年，坎顿研究了将一个带电体接近由两根亚麻线悬吊着并相互接触的一对软木球时的效应。他发现，在这种条件下两个球互相排斥，尽管没有电从带电体传给它们。当带电体撤走后，两球又重新并拢。坎顿还观察到，将一个带电体靠近一个绝缘的中性导体时，后者能显现两种相对的电荷：靠近的一端带异性电，远离的一端带同性电。

维尔克和埃皮努斯更精确地重复了坎顿的实验。他们发现当被置于一个带电物体附近的一个中性物体短暂接地后，它就获得了与影响物体所带电荷相反的电荷。埃皮努斯解释说这是因为带电物体上过多的流体把流体从中性物体中排挤了出去的缘故。埃皮努斯还对导体和非导体提出了合理的见解，认为不可能在两者之间划出一条决然分明的界限，差别仅在于不同物质对一个电荷通过所给予的相对电阻。导体的电阻很小，而非导体的电阻很大。这些思想后来成为法拉第剩余电荷理论的基础。埃皮努斯还发现当加热电气石晶体时，一端带正电，一端带负电。热电是摩擦起电之外另一种获得电荷的方式。

（五）静电学

当把数学引入电现象的研究中去，一门新科学即静电学兴起了。在静电学的确立过程中，普利斯特列、卡文迪许和库仑作出了重要的贡献。

普利斯特列用一架起电机做实验，在多次造访伦敦期间结实了富兰克林、坎顿等一流的电学家。受到他们的鼓励，他在不到一年的时间里写出了他的第一部科学著作《电学的历史与现状及原始实验》。该书使他在1766年当选为皇家学会会员。普利斯特列描述了许多放电现象，但最有意义的工作是他想用实验证明电的引力和斥力随距离的变化遵循平方反比定律。这在他还仅仅是尝试，细致的研究等待卡文迪许来完成。

卡文迪许出身于贵族家庭，他天生腼腆，不愿与人打交道，说话口吃。他虽然在剑桥大学度过了四年，但没有取得学位，部分原因是害怕面对教授。他从不跟一个以上的男人说话，更从不跟女人说话，只用便条通知他的女佣人。这个怪癖的人只有一个爱好，就是做科学研究。他独自进行研究度过了将近60年。他出于一种纯粹的好奇而进行研究，不关心他的成果是否发表，是否能得到荣誉。因此，直到他死后若干年，他做的许多工作才被人们知道——1879年麦克斯韦审查了他的笔记并将他的成果发表出来。而此时，法拉第已经通过独立的研究重新发现了其中的绝大部分。

卡文迪许总共只发表了两篇电学论文，都投给了《哲学学报》。1771年发表的第一篇也是较重要的一篇题为《试以一种弹性流体解释若干基本电现象》，在文中他试图为静电学的数学理论奠定基础。他的基本假设同富兰克林等人的一样，认为电是一种流体，其微粒互相排斥，其力与距离的某小于立方的幂成反比。他用数学方法研究了带电导体中流体的分布、物质和流体的各种分布对微粒的作用力或相互之间的作用力以及电流体在两个相连通的带电导体间的运动，等等。他尽可能根据普通实验的结果来证实自己的理论结论。以下的结果都没有发表：他用亲身遭受电击的方法，根据电击的强度来判别不同物体的电阻，并指出一个导体的电阻与放电强度无关；还证明了一个导体上的电荷全部驻留在它的表面，由此推出了电斥力的平方反比定律。

另一位法国军事工程师库仑用精密的扭秤独立地证实了电斥力和引力的平方反比定律。1777年库仑发明了一种扭力天平，这种天平用一根拉紧的细纤维所产生的扭转的多少来度量力的大小。在实验中库仑将两个带电小球安放在不同的距离上，根据它们使扭力天平产生扭转的多少来度量引力或斥力。他用这种方法于1785年证明，电的引力或斥力与两个小球上的电荷的乘积成正比，与两个小球球心之间的距离成反比。这表明电力也遵循与牛顿所创立的引力论相似的法则。这一规律现在仍称做库仑定律，电量的单位也命名为库仑。

（六）流电学

到此时为止，人们已经认识到了：摩擦能够起电；加热晶体能够起电；大气中也能收集到电。人们还发现一些海洋鱼类在攻击时也放电。在18世纪末，人们发现了第五种起电的方法即接触电。对此现象的充分研究和从理论上加以解释是19世纪物理学的最大成就。在此先介绍接触电的发现过程。

1750年前后，一个德国教授祖尔策首先注意到，在一定条件下，仅使两种金属接触，就能产生一种奇异的感觉。祖尔策有一次碰巧用他的舌尖放进两块不同的金属之间，它们的边缘是接触的，他注意到一种刺激性的感觉。后来人们把这种效应与电联系起来。

对接触电的真正研究开始于意大利解剖学家伽伐尼的偶然观察。伽伐尼在1771年注意到，当切下来的青蛙腿——有人说这是准备做汤用的——拿到了实验室，若碰到电器发出火花，就会猛然抽动；或者当电器开动时，即使不直接接触火花，只用金属刀触一下，也是如此。这时富兰克林已经证明了闪电的本质也是电，那么雷雨时青蛙腿应该也会抽动。伽伐尼把青蛙腿挂在铜钩上放到屋外，靠在铁格子上。蛙腿在雷雨时当真抽动了，可是在没有雷雨时偶尔也会抽动。他猜想这是大气电状态的变化引起的，于是在一天的不同时间里观察这些蛙腿，但是其上的肌肉难得有明显的运动。最后他等得不耐烦了，便把铜钩贴压在铁格子上，结果立即看到了蛙腿的反复痉挛。同样的事情放在屋里做时，也发生同样的现象。他进一步把蛙腿放在绝缘的玻璃板上，用铜钩把蛙腿连接起来。如果用另一种金属作连线则痉挛会产生，如果用同种金属或非导体，就没有这种痉挛。

对伽伐尼发现的蛙腿痉挛现象有两种可能的解释：它或者是由于动物机体内存在电的缘故；或者包含某种取决于不同金属接触的电过程，而蛙腿只是起到了一种灵敏验电器的作用。作为一个解剖学家，伽伐尼自然偏重活组织，于是他认为电来自肌肉，宣称有“生物电”这样一种东西，并且十分固执地坚持这一观点。后来他的同胞伏打证明他错了。

伏打是伽伐尼的朋友，在静电学方面也有自己的发明和贡献。得到伽伐尼送给他的论文后，他重复并证实了伽伐尼的实验。起先他赞同伽伐尼的观点，认为肌肉接触两个不同金属产生的电流是由肌肉组织引起的。但是在他设计的各种实验中他发现，电流的产生和持续与生命组织无关。他只用金属而不用肌肉组织也测到了电。于是两个意大利人之间发生了一场论战。伽伐尼的支持者有德国人洪堡，伏打的支持者有法国人库仑。论据越来越有利于伏打，伽伐尼在怨恨中去世。1800年伏打制成了能产生很大电流的装置。他使用几个盛有盐溶液的碗，将相邻的盐溶液用弓形金属条连接。金属条为两类，一类为铜，另一类为锡或锌，两者间隔放置。这样便产生了一股稳定的电流，两只碗相隔越远，能产生的电流越大。这是世界上第一组电池。伏打又用小圆铜极板和小圆锌极板以及浸透了盐溶液的硬纸板圆片，做成体积小、含水少的装置，这个装置被叫做“伏打电堆”。电池的发明使得伏打声名远播，1801年拿破仑将他招徕到法国，表演他的实验。他获得一连串的奖章和勋章，被封为伯爵。但他最高的荣誉应该是由同辈的科学家给予的，电压的单位——伏特以他的名字命名。

（七）磁学

18世纪磁学方面的探索有一些具体的进展，但理论上的飞跃则要等待之后的19世纪来完成。在18世纪，人们发现除铁以外，其他一些物质也受磁体影响，而且这种影响并非总是吸引，如新发现的元素钴和镍就具有轻微的磁性。

18世纪磁学上的最大成就应该是库仑确定了磁极的力随距离的变化而变化的定律。牛顿、哈雷等前辈都为确定这条定律做过研究，但都没有成功。库仑用他的设计巧妙的实验证实了磁力也遵循距离的平方反比规律。

另外，18世纪对磁偏角进行了更为广泛、系统的测量，观察到磁偏角的周日波动和不规则波动，发现了地磁场强度从两极向赤道递减。