電學最初出現在什麽時間？

有關電的記載可追溯到公元前6世紀。早在公元前585年，希臘哲學家泰勒斯已記載了用木塊摩擦過的琥珀能夠吸引碎草等輕小物體，後來又有人發現摩擦過的煤玉也具有吸引輕小物體的能力。在以後的2000年中，這些現象被看成與磁石吸鐵壹樣，屬於物質具有的性質，此外沒有什麽其他重大的發現。在中國，西漢末年已有“碡瑁(玳瑁)吸偌(細小物體之意)”的記載；晉朝時進壹步還有關於摩擦起電引起放電現象的記載“今人梳頭，解著衣時，有隨梳解結有光者，亦有咤聲”。 1600年，英國物理學家吉伯發現，不僅琥珀和煤玉摩擦後能吸引輕小物體，而且相當多的物質經摩擦後也都具有吸引輕小物體的性質，他註意到這些物質經摩擦後並不具備磁石那種指南北的性質。為了表明與磁性的不同，他采用琥珀的希臘字母拼音把這種性質稱為“電的”。吉伯在實驗過程中制作了第壹只驗電器，這是壹根中心固定可轉動的金屬細棒，當與摩擦過的琥珀靠近時，金屬細棒可轉動指向琥珀。大約在1660年，馬德堡的蓋利克發明了第壹臺摩擦起電機。他用硫磺制成形如地球儀的可轉動球體，用幹燥的手掌摩擦轉動球體，使之獲得電。蓋利克的摩擦起電機經過不斷改進，在靜電實驗研究中起著重要的作用，直到19世紀霍耳茨和推普勒分別發明感應起電機後才被取代。 18世紀電的研究迅速發展起來。1729年，英國的格雷在研究琥珀的電效應是否可傳遞給其他物體時發現導體和絕緣體的區別：金屬可導電，絲綢不導電，並且他第壹次使人體帶電。格雷的實驗引起法國迪費的註意。1733年迪費發現絕緣起來的金屬也可摩擦起電，因此他得出所有物體都可摩擦起電的結論。他把玻璃上產生的電叫做“玻璃的”，琥珀上產生的電與樹脂產生的相同，叫做“樹脂的”。他得到：帶相同電的物體互相排斥；帶不同電的物體彼此吸引。 1745年，荷蘭萊頓的穆申布魯克發明了能保存電的萊頓瓶。萊頓瓶的發明為電的進壹步研究提供了條件，它對於電知識的傳播起到了重要的作用。差不多同時，美國的富蘭克林做了許多有意義的工作，使得人們對電的認識更加豐富。1747年他根據實驗提出：在正常條件下電是以壹定的量存在於所有物質中的壹種元素；電跟流體壹樣，摩擦的作用可以使它從壹物體轉移到另壹物體，但不能創造；任何孤立物體的電總量是不變的，這就是通常所說的電荷守恒定律。他把摩擦時物體獲得的電的多余部分叫做帶正電，物體失去電而不足的部分叫做帶負電。嚴格地說，這種關於電的壹元流體理論在今天看來並不正確，但他所使用的正電和負電的術語至今仍被采用，他還觀察到導體的尖端更易於放電等。早在1749年，他就註意到雷閃與放電有許多相同之處，1752年他通過在雷雨天氣將風箏放入雲層，來進行雷擊實驗，證明了雷閃就是放電現象。在這個實驗中最幸運的是富蘭克林居然沒有被電死，因為這是壹個危險的實驗，後來有人重復這種實驗時遭電擊身亡。富蘭克林還建議用避雷針來防護建築物免遭雷擊，1745年首先由狄維斯實現，這大概是電的第壹個實際應用。 18世紀後期開始了電荷相互作用的定量研究。1776年，普裏斯特利發現帶電金屬容器內表面沒有電荷，猜測電力與萬有引力有相似的規律。1769年，魯賓孫通過作用在壹個小球上電力和重力平衡的實驗，第壹次直接測定了兩個電荷相互作用力與距離二次方成反比。1773年，卡文迪什推算出電力與距離的二次方成反比，他的這壹實驗是近代精確驗證電力定律的雛形。 1785年，庫侖設計了精巧的扭秤實驗，直接測定了兩個靜止點電荷的相互作用力與它們之間的距離二次方成反比，與它們的電量乘積成正比。庫侖的實驗得到了世界的公認，從此電學的研究開始進入科學行列。1811年泊松把早先力學中拉普拉斯在萬有引力定律基礎上發展起來的勢論用於靜電，發展了靜電學的解析理論。 18世紀後期電學的另壹個重要的發展是意大利物理學家伏打發明了電池，在這之前，電學實驗只能用摩擦起電機的萊頓瓶進行，而它們只能提供短暫的電流。1780年，意大利的解剖學家伽伐尼偶然觀察到與金屬相接觸的蛙腿發生抽動。他進壹步的實驗發現，若用兩種金屬分別接觸蛙腿的筋腱和肌肉，則當兩種金屬相碰時，蛙腿也會發生抽動。 1792年，伏打對此進行了仔細研究之後，認為蛙腿的抽動是壹種對電流的靈敏反應。電流是兩種不同金屬插在壹定的溶液內並構成回路時產生的，而肌肉提供了這種溶液。基於這壹思想，1799年，他制造了第壹個能產生持續電流的化學電池，其裝置為壹系列按同樣順序疊起來的銀片、鋅片和用鹽水浸泡過的硬紙板組成的柱體，叫做伏打電堆。此後，各種化學電源蓬勃發展起來。1822年塞貝克進壹步發現，將銅線和壹根別種金屬(鉍)線連成回路，並維持兩個接頭的不同溫度，也可獲得微弱而持續的電流，這就是熱電效應。化學電源發明後，很快發現利用它可以作出許多不尋常的事情。1800年卡萊爾和尼科爾森用低壓電流分解水；同年裏特成功地從水的電解中搜集了兩種氣體，並從硫酸銅溶液中電解出金屬銅；1807年，戴維利用龐大的電池組先後電解得到鉀、鈉、鈣、鎂等金屬；1811年他用2000個電池組成的電池組制成了碳極電弧；從19世紀50年代起它成為燈塔、劇院等場所使用的強烈光電源，直到70年代才逐漸被愛迪生發明的白熾燈所代替。此外伏打電池也促進了電鍍的發展，電鍍是1839年由西門子等人發明的。雖然早在1750年富蘭克林已經觀察到萊頓瓶放電可使鋼針磁化，甚至更早在1640年，已有人觀察到閃電使羅盤的磁針旋轉，但到19世紀初，科學界仍普遍認為電和磁是兩種獨立的作用。與這種傳統觀念相反，丹麥的自然哲學家奧斯特接受了德國哲學家康德和謝林關於自然力統壹的哲學思想，堅信電與磁之間有著某種聯系。經過多年的研究，他終於在1820年發現電流的磁效應：當電流通過導線時，引起導線近旁的磁針偏轉。電流磁效應的發現開拓了電學研究的新紀元。奧斯特的發現首先引起法國物理學家的註意，同年即取得壹些重要成果，如安培關於載流螺線管與磁鐵等效性的實驗；阿喇戈關於鋼和鐵在電流作用下的磁化現象；畢奧和薩伐爾關於長直載流導線對磁極作用力的實驗；此外安培還進壹步做了壹系列電流相互作用的精巧實驗。由這些實驗分析得到的電流元之間相互作用力的規律，是認識電流產生磁場以及磁場對電流作用的基礎。電流磁效應的發現打開了電應用的新領域。1825年斯特金發明電磁鐵，為電的廣泛應用創造了條件。1833年高斯和韋伯制造了第壹臺簡陋的單線電報；1837年惠斯通和莫爾斯分別獨立發明了電報機，莫爾斯還發明了壹套電碼，利用他所制造的電報機可通過在移動的紙條上打上點和劃來傳遞信息。 1855年湯姆孫(即開爾文)解決了水下電纜信號輸送速度慢的問題，1866年按照湯姆孫設計的大西洋電纜鋪設成功。1854年，法國電報家布爾瑟提出用電來傳送聲音的設想，但未變成現實；後來，賴斯於1861年實驗成功，但未引起重視。1861年貝爾發明了電話，作為收話機，它仍用於現代，而其發話機則被愛迪生的發明的碳發話機以及休士的發明的傳聲器所改進。電流磁效應發現不久，幾種不同類型的檢流計設計制成，為歐姆發現電路定律提供了條件。1826年，受到傅裏葉關於固體中熱傳導理論的啟發，歐姆認為電的傳導和熱的傳導很相似，電源的作用好像熱傳導中的溫差壹樣。為了確定電路定律，開始他用伏打電堆作電源進行實驗，由於當時的伏打電堆性能很不穩定，實驗沒有成功；後來他改用兩個接觸點溫度恒定因而高度穩定的熱電動勢做實驗，得到電路中的電流強度與他所謂的電源的“驗電力”成正比，比例系數為電路的電阻。由於當時的能量守恒定律尚未確立，驗電力的概念是含混的，直到1848年基爾霍夫從能量的角度考查，才橙清了電位差、電動勢、電場強度等概念，使得歐姆理論與靜電學概念協調起來。在此基礎上，基爾霍夫解決了分支電路問題。傑出的英國物理學家法拉第從事電磁現象的實驗研究，對電磁學的發展作出極重要的貢獻，其中最重要的貢獻是1831年發現電磁感應現象。緊接著他做了許多實驗確定電磁感應的規律，他發現當閉合線圈中的磁通量發生變化時，線圈中就產生感應電動勢，感應電動勢的大小取決於磁通量隨時間的變化率。後來，楞次於1834年給出感應電流方向的描述，而諾埃曼概括了他們的結果給出感應電動勢的數學公式。法拉第在電磁感應的基礎上制出了第壹臺發電機。此外，他把電現象和其他現象聯系起來廣泛進行研究，在1833年成功地證明了摩擦起電和伏打電池產生的電相同，1834年發現電解定律，1845年發現磁光效應，並解釋了物質的順磁性和抗磁性，他還詳細研究了極化現象和靜電感應現象，並首次用實驗證明了電荷守恒定律。電磁感應的發現為能源的開發和廣泛利用開創了嶄新的前景。1866年西門子發明了可供實用的自激發電機；19世紀末實現了電能的遠距離輸送；電動機在生產和交通運輸中得到廣泛使用，從而極大地改變了工業生產的面貌。對於電磁現象的廣泛研究使法拉第逐漸形成了他特有的“場”的觀念。他認為：力線是物質的，它彌漫在全部空間，並把異號電荷和相異磁板分別連結起來；電力和磁力不是通過空虛空間的超距作用，而是通過電力線和磁力線來傳遞的，它們是認識電磁現象必不可少的組成部分，甚至它們比產生或“匯集”力線的“源”更富有研究的價值。法拉第的豐碩的實驗研究成果以及他的新穎的場的觀念，為電磁現象的統壹理論準備了條件。諾埃曼、韋伯等物理學家對電磁現象的認識曾有過不少重要貢獻，但他們從超距作用觀點出發，概括庫侖以來已有的全部電學知識，在建立統壹理論方面並未取得成功。這壹工作在19世紀60年代由卓越的英國物理學家麥克斯韋完成。麥克斯韋認為變化的磁場在其周圍的空間激發渦旋電場；變化的電場引起媒質電位移的變化，電位移的變化與電流壹樣在周圍的空間激發渦旋磁場。麥克斯韋明確地用數學公式把它們表示出來，從而得到了電磁場的普遍方程組——麥克斯韋方程組。法拉第的力線思想以及電磁作用傳遞的思想在其中得到了充分的體現。麥克斯韋進而根據他的方程組，得出電磁作用以波的形式傳播，電磁波在真空中的傳播速度等於電量的電磁單位與靜電單位的比值，其值與光在真空中傳播的速度相同，由此麥克斯韋預言光也是壹種電磁波。 1888年，赫茲根據電容器放電的振蕩性質，設計制作了電磁波源和電磁波檢測器，通過實驗檢測到電磁波，測定了電磁波的波速，並觀察到電磁波與光波壹樣，具有偏振性質，能夠反射、折射和聚焦。從此麥克斯韋的理論逐漸為人們所接受。麥克斯韋電磁理論通過赫茲電磁波實驗的證實，開辟了壹個全新的領域——電磁波的應用和研究。1895年，俄國的波波夫和意大利的馬可尼分別實現了無線電信號的傳送。後來馬可尼將赫茲的振子改進為豎直的天線；德國的布勞恩進壹步將發射器分為兩個振藕線路，為擴大信號傳遞範圍創造了條件。1901年馬可尼第壹次建立了橫跨大西洋的無線電聯系。電子管的發明及其在線路中的應用，使得電磁波的發射和接收都成為易事，推動了無線電技術的發展，極大地改變了人類的生活。 1896年洛倫茲提出的電子論，將麥克斯韋方程組應用到微觀領域，並把物質的電磁性質歸結為原子中電子的效應。這樣不僅可以解釋物質的極化、磁化、導電等現象以及物質對光的吸收、散射和色散現象；而且還成功地說明了關於光譜在磁場中分裂的正常塞曼效應；此外，洛倫茲還根據電子論導出了關於運動介質中的光速公式，把麥克斯韋理論向前推進了壹步。在法拉第、麥克斯韋和洛倫茲的理論體系中，假定了有壹種特殊媒質“以太”存在，它是電磁波的荷載者，只有在以太參照系中，真空中光速才嚴格地與方向無關，麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式也只在以太參照系中才嚴格成立。這意味著電磁規律不符合相對性原理。關於這方面問題的進壹步研究，導致了愛因斯坦在1905年建立了狹義相對論，它改變了原來的觀點，認定狹義相對論是物理學的壹個基本原理，它否定了以太參照系的存在並修改了慣性參照系之間的時空變換關系，使得麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式有可能在所有慣性參照系中都成立。狹義相對論的建立不僅發展了電磁理論，並且對以後理論物理的發展具有巨大的作用。