电磁学理论的建立

“电”这个词源于希腊语“琥珀”。中国西晋时期，《吴波年谱》中也有摩擦起电的记载。电和磁的使用与人类的生产和生活密切相关。对电和磁的研究促进了世界科学技术的迅速发展。电磁学直接促进社会进步。

静电学的发展

自从盖里克在1660年发明了摩擦马达，对电现象的研究就变得可行了。1720年，格雷发现了导体和绝缘体，并发现了导体的静电感应现象。1733年，杜菲通过实验区分了两种电荷，他称之为松节油电(负电)和玻璃电(正电)，并由此总结了静电相互作用的基本特征:同性相斥，异性相吸。莱顿罐的发明使电现象的研究更加深入。富兰克林发现了尖端放电，发明了避雷针，研究了闪电现象，并从莱顿瓶提出了电荷守恒原理。后来，在1734年，康登用电流体假说解释了静电感应现象。迄今为止，静电力、电荷守恒和静电感应的基本原理已经确立。

在1760年，D·伯努利首先猜测:电会像重力一样服从平方反比定律吗？1767年，普里斯特利推测电荷之间的相互作用应该具有类似于引力定律的特征。1785年，库仑利用扭转平衡试验得出结论，真空中两个静态点电荷之间的作用力与它们电荷的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比，作用力的方向在它们的连线上。库仑定律已经被实验不断验证，现在已经成为精确的实验定律之一。

稳流研究

18世纪末，意大利学者加尔瓦尼和沃尔特使电从静电场转移到电流场。加尔瓦尼是解剖学教授。1780年9月的一天，他在解剖青蛙时意外地发现了电效应。加尔瓦尼的发现引发了欧洲国家动物电学研究的热潮。意大利自然哲学教授沃尔特重复了加尔瓦尼的实验，发现加尔瓦尼的神经电流理论是不正确的。他拿起一只活青蛙，用两种不同金属制成的弧形叉子叉住它。当一端碰到青蛙的腿，另一端碰到青蛙的背时，青蛙就会抽搐。使用莱登罐将青蛙从青蛙体内排出时，青蛙会抽搐，这表明由两种不同金属制成的弧形叉与莱登罐具有相同的功能。可以说，这些现象是外部电流的结果。后来，沃尔特的外部电(金属接触理论)和加尔瓦尼的内部电(神经电流理论)之间有了长期的争论。为了阐明他的观点，沃尔特继续进行了大量的实验。他比较了各种金属，并根据它们的接触电动势把它们排列成一张表格。其中一些是:锌、铅、锡、铁、铜、银、金(石墨)。只要手表中的任何两种金属接触，前面的金属就会带正电，后面的金属就会带负电。这样，伏打充分解释了加尔瓦尼等人对各种动物的电流实验。1800年，伏打进一步将锌片和铜片夹在盐水浸泡过的薄片中，反复堆叠成一堆，形成了非常强大的电源。这是著名的伏打堆。当锌和铜片插入盐水或稀酸杯中时，也可以形成一个电源，称为伏打电池。伏打堆(电池)的发明为产生恒定电流提供了电源，使人们有可能从各个方面研究电流的各种效应。塞贝克在1821年发明的热电偶使电源更加稳定。从那以后，电学进入了一个快速发展的时期——一个研究电流和电磁效应的新时期。

电和磁的关系

1731年，一位英国商人描述说，在雷闪现之后，他的一盒新刀叉被磁化了。富兰克林在1751年发现，莱顿罐子被卸下后，针被磁化了。电真的会产生磁性吗？1774年，这个问题促使一家德国研究机构颁发了一个奖项，并问:“电和磁在物理和实际上有什么相似之处吗？”

丹麦物理学家奥斯特信奉康德哲学，认为自然界中的各种基本力量可以相互转化。他确信电和磁之间有某种联系。1820年4月，奥斯特在发表关于电和磁的演讲时，试图把磁针放在电线的一边。就在他打开电源的时候，他发现磁针在微微晃动。他立刻意识到这是他期待多年的效果。经过反复实验，奥斯特终于发现电流的磁效应是沿着绕线的螺旋方向。

1820年7月21日，他简要报告了60多项拉丁语实验的结果。后来，比克斯瓦更仔细地研究了直载流导线对磁针的影响，并确定作用力与电流强度成正比，与电流和磁极之间的距离成反比，力的方向垂直于这个距离。安培讨论了电流和电流之间的相互作用。他把磁性归因于电流之间的相互作用，并提出了“分子电流假说”。为了定量研究电流之间的相互作用，安培设计了四个极其精细的实验，并在这些实验的基础上进行数学推导，得到了一个通用的电动力学公式，为电动力学奠定了基础。

自1820年以来，电磁热席卷欧洲。法拉第相信自然力的统一，并相信“磁发电”是不可避免的。从1824年到1828年，法拉第进行了许多电磁实验。1831年8月29日，法拉第终于取得了突破。这一次，他使用了一个软铁环，两个互相绝缘的线圈A和B，法拉第，总结了实验，并把感应电流分为五类:改变电流，改变磁场，移动稳定电流，移动磁铁和移动电线。法拉第只是用文字定性地表达了电磁感应现象。1833年，冷词用冷词法则解释了感应电流的方向。1845年，纽曼以定律的形式提出了电磁感应的定量定律。

1847年，汤慕荪进一步研究了电磁现象和弹性现象之间的相似性。在《论电力、磁力和电偶力的力学表现》一文中，他基于不可压缩流体流线的连续性，讨论了电磁现象和流体力学现象的共性。汤慕荪用类比的方法把法拉第的力线思想转化为定量的表达式，为麦克斯韦的工作提供了非常有益的经验。

1856年，麦克斯韦发表了第一篇关于电磁理论的论文，题为“关于法拉第力线”。本文发展了汤慕孙的类比方法，利用不可压缩流体的流线来类比法拉第的力线，并将流线的数学表达式应用于静电理论。流线不会中断，也不会强制线条；它们只能来自电荷或磁极，或者形成闭合曲线。麦克斯韦通过类比定义了两个不同的概念:一个等同于流体中的力，电场强度e和磁场强度h属于这一类；另一个相当于流体的流速，电位移矢量D和磁感应强度B属于这一类。麦克斯韦进一步讨论了这两种量的性质。流动遵循连续性方程，可以沿着表面积分，而力沿着线段积分。

麦克斯韦介绍了六个定律，他写道:“在这六个定律中，我想表达的思想，我相信，是法拉第在《电学实验研究》中提出的思维模式的数学基础。"

1861年，麦克斯韦写了他的第二篇论文《论物理力》，分为四部分，分别于1861年和1862年发表在哲学杂志上。“目的是研究介质中某些应力和运动状态的机械效应，并将其与观察到的电磁现象进行比较，以便为理解力线的本质做准备。”麦克斯韦为此创造了“位移电流”。“位移电流”假说在电磁场理论中起着非常重要的作用。1865年，麦克斯韦发表了关于电磁场理论的第三篇论文《电磁场动力学》，全面讨论了电磁场理论。

爱因斯坦高度评价了麦克斯韦的成就。在纪念麦克斯韦逝世100周年的文章中，爱因斯坦写道:“自从牛顿奠定了理论物理学的基础，物理学公理基础的最大变化是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作引起的。”“如此巨大的变化总是与法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字联系在一起。这场革命最伟大的部分来自麦克斯韦。”

洛伦茨于1892年发表了麦克斯韦电磁理论及其在运动物体中的应用。基于对麦克斯韦电磁理论的修正，洛伦茨提出了著名的经典电子理论。他将电磁波(包括可见光)穿过物质时的各种宏观电磁现象归因于电磁波和物质中的电子在准弹性力的作用下的相互作用。从这个简单的假设出发，洛伦兹成功地解释了物质中的一系列电磁现象和电磁场中物质运动的一些效应。洛伦兹的电子理论为塞曼效应提供了理论基础和科学解释。在洛伦兹的电子理论中，电子的运动是所有电磁场的根源。