他突然打開了科學中一個黑暗領域之門,使其充滿光明。---------法拉第
1731年,一名英國商人發現,雷電過後,他的一箱刀叉竟然有了磁性。1751年,富蘭克林發現萊頓瓶放電能使縫衣針磁化。但直到19世紀初,科學家仍然認為電與磁之間是互不相關的兩回事。不過在十九世紀初,受自然界中各種運動形式之間的相互轉化思想的影響,丹麥科學家奧斯特相信電和磁之間也應該存在的某種聯繫。
劃時代的發現
受歷史觀念的影響,奧斯特剛開始的實驗研究都一失敗告終。直到1840年4月,在一次講課中,奧斯特偶然把一根導線放在帶玻璃罩的指南針上面,通電時指針發生轉動。經過反覆試驗,奧斯特終於查明電流的磁效應是沿圍繞導體的螺旋方向。他的這一發現引起的科學界的震動,被作為劃時代的一頁載入史冊。
安倍定則和電動力基礎
此後不久,畢奧和薩伐爾提出了著名了畢奧-薩伐爾定律,可以算出任意電流在空間產生的磁場大小。再後來,安倍通過大量實驗研究,發現總結出電流方向和磁場方向的規律,這就是右手定則(右手螺旋定則)。還得出了普通的電動力公式,這為電動力學的研究提供了基礎。
法拉第的電磁感應
1820年電磁熱席捲歐洲,法拉第通過反覆的實驗,終於在1931年取得突破性的進展,提出電磁感應定律,並引入電場和磁場的概念,指出電和磁周圍都有場的存在。其實早在1930年美國物理學家亨利就先於法拉第發明電磁感應現象,但他並沒有馬上發表實驗結果。1931年,俄國物理學家楞次,通過實驗研究發現電流感應方向的規律。
然而,法拉第是一名實驗物理學家,他後面並未能通過數學能力來證明自己的理論。隨後湯姆生等人運用類比方法把法拉第思量轉變為定量的表述,他們的研究也為麥克斯韋的工作提供了十分有益的經驗。
電磁場理論的建立
在法拉第發現電磁感應後的一個月麥克斯韋出世,自幼天資聰穎,得到精心培養。1850年進入劍橋大學,對於湯姆生的電磁理論早有了解;大學剛畢業,就著手把法拉第的力線思想用數學分析方法進行表述。對電磁理論的洞悉和研究,他發現了內部的不對稱性和矛盾,大膽地提出了「位移電流」和「渦旋電場」假說。
通過對前輩和自己的研究,麥克斯韋將電磁場理論用簡單,對稱,完美的數學形式表示出來,成為了經典的電動力學主要基礎的麥克斯韋方程式。
而後,1865年,麥克斯韋預言電磁波的存在,認為電場磁場共同構成的電磁場以橫波的形式在空間傳播,並推算出電磁波傳播速度等於光速,得出結論:光也是電磁波的一種形式,從而揭示了光與電磁之間的關係。1888年,在麥克斯韋逝世的9年後,德國物理學家赫茲通過實驗驗證了電磁波的存在。
對於麥克斯韋來說,他沒有辜負時代的要求,站在法拉第和湯姆生兩位巨人的肩膀上,開創了物理學的新領域。他的成果也不是一蹴而就,在創建電磁場理論的奮鬥中,前後經歷了十餘年。對電磁場這樣一次偉大的綜合,實現了科學的革命性變革。