一波未平一波又起談電磁波

資料來源
科學研習月刊40-7
涂世雄

古典電磁學發展史基本上可以分為三期:
法拉第之前,是電與磁的發現
法拉第時期,是電磁感應現象的萌芽與發展
馬克士威時期,則是馬克士威的方程式以及電磁波的發現

第1時期:電與磁的發現
本時期人類逐漸累積電與磁的知 識,這時候的電學與磁學是分開發展的。西元前約600年,當時希臘的婦女很喜歡將琥珀做為裝飾品,但琥珀擦拭乾淨後卻很快又蒙上灰塵,泰勒斯(Thales)細心觀察,發現起因於琥 珀與絲綢衣服的摩擦,經小心實驗,發現絲綢摩擦過的琥珀,具有吸引灰塵等輕小東西的作用;這是摩擦產生靜電。十六世紀中期,英國吉爾伯特 (Gilbert),發現除了琥珀外,金鋼石、水晶、硫磺、玻璃、松香等,都能夠摩擦生靜電,吸引一些重量輕的小東西。他同時也提出「地球是一個 大磁石」的看法。吉爾伯特被尊稱為 「電學之父」。

1746 年,荷蘭萊頓大學馬森布羅克(Musschen)發明萊頓瓶蓄電。萊頓 瓶是一個內外貼上錫箔的玻璃瓶,內壁錫箔透過一條金屬鏈與瓶口木塞上 的金屬球相通。馬森布羅克意外發 現,帶電的鐵釘放在玻璃瓶內,玻璃 瓶用絲綢吊起,他無意間觸電了。此外,玻璃瓶內留半瓶水,木拴塞住瓶 口,木拴上插了一條鐵線,鐵線的一端剛好碰到水面,另一端連到靜電產 生器,有位學生一手拿住瓶子,通電 後想要用另一手卸下鐵線,碰到鐵線 時竟然受到激烈電擊,而甩破玻璃瓶。1729 年,英國的格雷(Gray)發 現,除了摩擦能夠使物體帶電,傳遞 也可以帶電。他同時提出,絕緣體能 夠長期保存摩擦所生的電,但導體無法長期保存住摩擦產生的靜電。 1752年,美國的富蘭克林(Franklin) 與兒子威廉在大雷雨中做實驗,他使 用了一個鐵絲與絹布糊成風箏,將閃電接引下來,發現閃電就是空中正負 電中和的結果,從而證實了雷電與摩 擦電是一模一樣的東西。同時又由此 發明了避雷針,保障了許許多多人的安全。1875年,法國的庫倫(Coulomb)經 由實驗結果,提出靜電力與距離平方 成反比的庫倫定律。

第2 時期:電磁感應的發展
本時期最主要的兩個重大發現是厄斯特(Oersted)發現電流會產生磁 場,以及法拉第(Faraday)發現變化磁場能夠產生電流。 1820 年,厄斯特發現電流的磁效 應,通電的導線四周會產生磁場,使 得磁針偏轉;這是電與磁統一的開端。有了厄斯特的發現,人們得以製造電磁鐵。同年安培(Ampere)發表了安培右手定則;並發現平行導線之間 的作用力,也就是電流與電流的磁效 應;安培也把正電荷流動的方向訂為 電流方向。 1831 年,法拉第發現電磁感應必 定「與某種變化有關」,最後發現電 磁感應定律,也就是由磁場產生電 流;並設計了人類第一部發電機。電 磁感應所產生的電流方向,可以使用 冷次定律(Lenz)來解釋,即磁場變化 產生電流,電流又產生磁場,而產生 的磁場方向是「阻止」原來磁場變化的方向。

第3時期:電磁波的發現
本時期主要的兩個重大發現,是 馬克士威(Maxwell)提出電磁學方程式,預言空間存在電磁波,以及赫玆 (Hertz)以實驗證實了電磁波的存在。 1855 年,馬克士威在劍橋哲學學會宣讀一篇「論法拉第的力線」的論文,使用場論的概念闡明法拉第力線 的意義,讓這些觀念更精確化、定量化。1862 年,他在英國的哲學雜誌上發表第二篇" 論物理的力線" ,提出了位移電流的觀念,在建立馬克士威描 述電磁理論的方程式裏,這是一個相 當重要的關鍵。

1864 年馬克士威在倫敦皇家學會 宣讀(1865年發表)論文「電磁場的動力學理論」,這篇論文將他之前的科 學家在電磁學這個領域所有的發現做 了一次總整理,並且再加入自己的研究成果,成功地將所有的電磁現象統 一起來,而建立起電磁學領域裡,著 名的馬克士威方程式。1873年,馬克士威出版「電磁通論」,歷經兩世紀庫倫、厄斯特、安培、法拉第等人的努力,最後在馬克士威的手中,古典電磁學終於統一。 這部巨著闡述電磁學理論,其重要性媲美1687年牛頓在力學上的巨著「自然 哲學數學原理」,更與1859 年達爾文在 進化論上的成果「物種起源」相提並 論。

馬克士威提出的方程式,「預言」了電磁波的存在,並沒有去「證實」它;1879年馬克士威逝世,享年49歲,八年以後赫玆終於以實驗發現了電磁波,驗證了馬克士威的預言;雖然他未能親眼目睹,但自此電磁學的理論更加完備,各類相關發展也更多采多姿。

電流產生磁場
導線通電後,周圍會產生磁場,這個現象稱為「電流的磁效應」,這個現象是由丹麥物理學家厄斯特 (Oersted)發現的。 自從十八世紀80 年代末,庫倫依 據電荷可以傳導、磁荷不能傳導的事實,進一步肯定電和磁是不同的實體 以後,當時的物理學家如安培、必歐 等人,普遍都認為電和磁不會有任何 關聯,但厄斯特卻是堅信電力和磁力 有著共同的根源。厄斯特發現電流磁效應是很偶然 的。1820 年4 月,厄斯特做完一場演 講,在觀眾面前拿出電池、導線、指北針,他將導線擺在指北針旁通上 電,不過指北針並沒有任何變化,但是當他將導線轉個角度擺放時,指北 針偏轉了。指北針偏轉,代表著周圍 有個磁場產生,但厄斯特所做的只是 將導線通電而已,旁邊並沒有擺放永久磁鐵。這是人類史上第一次發現電 流的磁效應,從而徹底否定了那種不正確的關點。
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電流磁效應的論文在7月21日發表後,在歐洲引起了極大的迴響。厄斯 特的發現是產生電磁學的契機,促進了安培對電磁力的研究,這方面的研 究工作發展迅速,並導致電與磁關係的一系列發現以及應用廣泛的電磁鐵 的出現。也由於這個原因,厄斯特被稱為「電磁學之父」。 電流的磁效應描述著,導體或線 圈通電流,會在四周建立磁場;而且 電流越大,磁場強度也越強;當電流 方面相反過來,磁場方向也會跟著相 反過來。
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