論文摘要：電磁運動是物質的又一種基本運動形式，電磁相互作用是自然界已知的四種基本相互作用之一，也是人們認識得較深入的一種相互作用。在日常生活和生產活動中，在對物質結構的深入認識過程中，都要涉及電磁運動。因此，理解和掌握電磁運動的基本規律，在理論上和實際上都有及其重要的意義，這也就是我們所說的電磁學。本文選自《電子質量》。《電子質量》(國際標準連續出版物號：ISSN1003-0107，國內統一連續出版物號：CN44-1038/TN)是中國電子行業質量權威刊物，國家級中央科技期刊。本刊秉承一貫的專業性和權威性的辦刊宗旨，堅持前瞻性、技術性和實用性的編輯方針，為電子業界的工程師和技術研發、質量管理人員提供全面、可靠的技術應用信息和最領先的質量管理方法。

　　關鍵詞：電磁學,電磁運動,電子質量

　　1.庫倫定律

　　1785年法國物理學家庫倫用扭秤實驗測定了兩個帶電球體之間的相互作用的電力。庫倫在實驗的基礎上提出了兩個點電荷之間的相互作用的規律，即庫侖定律：

　　在真空中，兩個靜止的點電荷之間的相互作用力，其大小和他們電荷的乘積成正比，與他們之間距離的二次方成反比；作用的方向沿著亮點電荷的連線，同號電荷相斥，異號電荷相吸。

　　這是電學以數學描述的第一步。

　　1.1此定律用到了牛頓之力的觀念。這成為了牛頓力學中一種新的力。與駑鈍萬有引力有相同之處。

　　1.2此定律成了電磁學的基礎，如今所有電磁學，第一必須學它。

　　1.3這也是電荷單位的來源。

　　因此，雖然庫倫定律描述電荷靜止時的狀態十分精準，單獨的庫倫定律卻不容易，以靜電效應為主的復印機，靜電除塵、靜電喇叭等，發明年代也在1960以后，距庫倫定律之發現幾乎近兩百年。我們現在用的電器，絕大部份都靠電流，而沒有電荷(甚至接地以免產生多余電荷)。也就是說，正負電仍是抵消，但相互移動。──河中沒水，不可能有水流；但電線中電荷為零，卻仍然可以有電流！

　　2．安培定律

　　法國物理學家安培(AndreMarieAmpere,1775-1836)提出：所有磁性的來源，或許就是電流。他在1820年，聽到奧斯特實驗結果之后，兩個星期之內，便開始實驗。五個月內，便證明了兩根通電的導線之間也有吸力或斥力。這就是電磁學中第二個最重要的定理“安培定律”：

　　兩根平行的長直導線中皆有電流，若電流方向相同，則相吸引。反之，則相斥。力之大小與兩線之間距離成反比，與電流之大小成正比。

　　以后，安培又證實了通了電流的筒狀線圈之磁性，與磁鐵棒完全一樣。故他提出假說：物質之磁性，皆是由物質內的電流而引起的。這使磁性成為電流的生成物──他后來被譽為“電磁學”的始祖(電與磁從此在物理中是分不開的)。他的名字，也成了電流的單位。

　　安培這個發現，在應用上極為重要。它提出了用電流而發出動力，使物體動起來的方法，準確而可靠。因此，它是電流計(以及各種電表)、電馬達、電報，電話之原理。特別是電報，在1835年以后就成了新興事業，大賺其錢。

　　安培定律之后，電磁學理論與應用之發展可以說是風起云涌。

　　3.法拉第定律

　　法拉第早年是達維（1807年發現金屬鈉和鉀）的助手，他對電解有很周密的研究。他發現了通電量與分解量有一定的關系，并且與被分解的元素之原子量有一定的關系。由此，可以大致導致兩個結論：(1)每個原子中有一定的電含量。（2）原子在化合時，這些電量起了作用，而通電可使化合物分解。因此，牛頓尋求的分子中的化合之力，必與電有關。此想法在1807年由達維提出，法拉第進一步加以驗證，至今尚是正確的。

　　牛頓的萬有引力定律提出之初，受到很多質疑。其中之一是：很多人認為，兩個相距遙遠的物體，無所媒介，而相互牽引，是不可置信的。但是由于萬有引力之大獲成功，這種超距力的概念，不久便被普遍接受了。電磁學中的庫倫、安培等力之觀念，起始時亦是這種超距力。

　　在牛頓前一百年的英國人吉伯特是伊利莎白一世的御醫。他的一本”論磁”是有系統地研究電磁現象的第一本書（大部份說磁，因其在當時比較有用），其重要性是揚棄了磁性之神秘色彩，以一種客觀的自然現象來描述之。吉伯特的“論磁”中曾提出’力線’的觀念。這就是說：磁性物質發出一種‘力線’，其它磁性物質遇到了這‘力線’便受到力之作用。這樣就避過了‘超距力’的‘反直覺’。

　　(a)力線不斷、不裂、不交叉打結，但可以有起頭與終止。例如：電場之力線由正電荷發出，由負電荷接受。力線的數量與電荷之大小成正比。

　　(b)力線像有彈性的線，在空中互相排斥又盡量緊繃。其密度與施力之大小成正比。

　　(c)力線有方向性，電力線的方向是對正電荷的施力方向（負電受力方向相反），在磁力線是對‘磁北極’的施力方向。

　　法拉第則更進一步，提出了場的概念：空中任意一點，雖然空無一物，但有電場或磁場之存在，這種場可使帶電或帶磁之物質受力。而’力線’則是表現‘場’的一種方式。但是，法拉第的‘場’觀念，當時也受到強烈的質疑與反對。最重要的理由是這觀念不及‘超距力’之精確。把‘場’觀念精確化，數學化的是后來的麥克斯韋。

　　法拉第發現，一個移動的磁鐵或通了電流的筒狀線圈，也可以使附近的線圈中，產生感應電流──這就是電磁學中第三個最重要的法拉第定律。

　　這個定律與庫倫、安培都不同；它是動態的。第一線圈中的電流變化越快，第二線圈中的電流越大。或磁鐵、有電流的筒狀線圈，移動得越快，第二線圈中的電流也越大。這就是發電機的原理。

　　4.麥克斯韋電磁理論

　　與法拉第之實驗天才對比，麥克斯韋則是長于數學的理論物理學家的典型。他生于蘇格蘭的一個小康之家。自幼便充份顯示了數學之才能。他先在阿伯丁大學任教，以后轉往劍橋。在物理中，今日麥克斯威之重要性，幾可與牛頓、愛因斯坦等量齊觀。但生前，麥克斯威并不受其故鄉蘇格蘭之歡迎。他在劍橋大學則受到重用。

　　他在1855年，發表了《法拉第之力線》一文，受到將退休的法拉第的鼓勵。1862年，他由理論推導出：電場變化時，也會感應出磁場。這與法拉第的電感定律相對而相成，合稱電磁交感。此后他出版了《電磁場的動態理論》，《電磁論》，其重要性可以與牛頓的《自然哲學的數學原理》相提并論。

　　通過了數學中的向量分析，麥克斯韋寫下了著名的麥克斯威方程式，不但完整而精確地描述了所有的已知電磁場之現象，而且有新的預言。其中最重要的是電磁波：

　　(1)由于電磁交感，故電磁場可以在真空中以波的形式傳遞。

　　(2)計算之結果，這波之速度與光速一致，故光是一種可見的電磁波。

　　(3)這種波亦攜帶能量、動量等，并且遵從守恒律。

　　“光是一種電磁波！”這句話現在是常識，在當年則駭人聽聞。麥克斯韋只靠紙上談兵，就做大膽宣言，也難怪當年根本不信有電磁波的人居多。但他自己卻信心滿滿。有人告訴他有關的實驗結果，不完全成功，他毫不在意。他有信心他的理論一定是對的。──以后的理論物理學家很多人就學了他這種態度。

　　德國人赫茲是第一個在實驗室中證明電磁波存在的人。他先把麥克斯韋的電磁學改寫成今天常見的形式。然后在1886-1888年，做了一系列的實驗，不但證明電磁波存在，而且與光有相同波速，并有反射、折射等現象，也對電磁波性質（波長、頻率）定量測定。當然，也同時發展出發射、接收電磁波的方法──這是所有無線通訊的始祖。

　　5．總結

　　麥克斯威的電磁理論，成為現在理工科的學生都要修的電磁學。簡單的說來，電磁學核心只有四個部分：庫倫定律、安培定律、法拉第定律與麥克斯威方程式。并且順序也一定如此。這可以說與電磁學的歷史發展平行。其原因也不難想見；沒有庫倫定律對電荷的觀念，安培定律中的電流就不容易說清楚。不理解法拉第的磁感生電，也很難了解麥克斯威的電磁交感。

　　這套電磁理論，在物理學中，是與牛頓力學分庭抗禮的古典理論之一。如果以應用之廣，經濟價值之大而言，猶在牛頓力學之上。但也不能忘記，如果沒有牛頓力學中力之概念，電磁學也發生不了。電磁學中的各定律，也無法理解。因此，普通物理中，也必然先教力學再教電磁。

　　力學與電磁學被稱為古典理論有兩層意思：(1)它可以自圓其說，沒有內在的矛盾。(2)但是到了廿世紀量子理論確立后，它們被修改了。力學后來被修改為量子力學，電磁學被修改為量子電動力學。然而，在原子之外，這兩個古典理論仍是非常精確，故理工學生仍然不得不學它們。

　　回顧電磁學的歷史，是很有趣的。一直到十八世紀中，電磁似乎只是一種新奇的玩具──科學與藝術一樣，起步時都有游戲性質──但到了后來，其產生的結果，竟然改造了世界。當然，并不是所有科學工作都有這樣大的威力。也有些科學的成果令人不敢恭維。然而，科學有這樣的可能，卻是我們不得不重視科學研究的終極原因。

　　6.參考文獻

　　1.倪光炯，李洪芳，近代物理，上海科學技術出版社，（1979），393。

　　2.人民教育出版社物理室編，高級中學課本，物理（第二冊），人民教育出版社，（1995年第二版），266。