第一節 電學、磁學泰斗吉爾伯特

電將是未來世界的主宰。——諾萊

磁力才是宇宙力的奧秘。——吉爾伯特

吉爾伯特（圖2-1）生于英國一個名門家庭，18歲到劍橋圣約翰學院攻讀數學和醫學。畢業后開業行醫，聲名日隆，后得英皇伊麗莎白一世的賞識，成為一名御醫。吉爾伯特興趣十分廣泛，行醫之暇，他不懈地進行化學實驗和電、磁方面的實驗研究工作。他受古希臘泰勒斯故事的影響，進行了多種物質的摩擦生電實驗，并在佩雷格倫納斯的《有關磁石的信札》一書的啟示下，提出了“磁力才是宇宙力的奧秘”的思想。1600年，吉爾伯特發表了近代電學、磁學的開山巨著De Magnete， Magneticisque Corporibus et de Magno Magnete Tellure，Physiologica Nova（《關于磁石、磁性體及磁性地球的新自然哲學論》，簡稱《磁石論》）（圖2-2）。

《磁石論》記錄了他所進行的電氣實驗和觀察到的電氣現象。他將琥珀、瑪瑙、寶石、樹脂、水晶、硫磺、封蠟等作為實驗對象，用呢絨、毛皮、絲綢等進行摩擦，發現有些物質可以產生“琥珀力”，吸引細小的物體；有些物質則不能產生“琥珀力”無法吸引細小物體。由此，他將物質分為“電氣素”（electric effluvium）和“非電氣素”（anelectrics）兩大類，并認為電氣素中存在一種沒有重量的物體，它是一種具有特定物質性質且有一定大小的粒子。

吉爾伯特還應用琥珀力相互吸引的原理，制成了能測定電的性質的原始儀器。他將一根長約七八厘米的磁針用支點支撐起來，將摩擦過的物體靠近磁針一端，根據磁針是否發生偏轉，即可判定摩擦后的物體是否帶電（即是“電氣素”還是“非電氣素”）。

在《磁石論》中，吉爾伯特以較長篇幅介紹了對天然磁石和地球磁場的實驗研究成果。他利用天然磁石制成的小磁石球（他取名為“小地球”）進行實驗，發現在小磁石球作用下，小磁針的偏轉行為與地球上的指南針極為相似，由此他聯想到地球可能是一個大磁石，只是上面浮著一層水、巖石和泥土，指南針的指向作用就是地球大磁石和指南針（磁針）之間同極相斥、異極相吸而產生的。從這一推斷出發，他對磁傾角和磁偏角現象進行了解釋。他認為磁傾角是由于指南針在地球不同緯度上的受力方向與該緯度水平方向間存在一個夾角所致；而磁偏角是由于地球上磁性僅存在于陸地，水不會磁化，不同地方陸地對磁針的吸引力不同而造成的（顯然這種解釋是不正確的）。在認定地球是一塊大磁石的前提下，吉爾伯特還設想太陽也是一塊大磁石，它對行星發出的磁性引力使行星繞太陽旋轉。

吉爾伯特還將電和磁進行了對比，指出：“琥珀力的大小能夠用潮氣、紙或麻布來加以控制，而磁石的吸力能透過水、厚木板和石板。磁性物質只能相互吸引，而電卻能夠吸引一切物質”，認為“這是兩種截然不相同的自然現象，不能把它們混為一談。”現在看來，吉爾伯特的這種認識是不正確的。另外，他在電、磁學上最先使用了電吸引、電力、磁極等術語。

吉爾伯特是世界上第一個對電、磁進行科學實驗和研究的科學家，是建立近代電學、磁學的先行者，因此被譽為“磁學之父”“磁學的伽利略”“電學之父”。他的著作《磁石論》對后世影響深遠，許多科學家正是沿著他開辟的道路繼續進行電、磁學的探索。當然，作為科學泰斗，他一言九鼎，認為“電和磁是截然不同的兩種自然現象”的錯誤觀點，也束縛了某些科學家（如庫侖、安培）的思想，一定程度上影響了人們對電、磁現象間相互聯系、相互作用的探索。

在吉爾伯特《磁石論》的啟發下，許多科學家都進行了電的實驗研究工作，如培根（F．Bacon）、玻里（Boyle）、牛頓（I．Newton）等。1629年，意大利人科貝奧發現同性電荷相斥現象。1663年，德國物理學家、馬德堡市市長格里克（O．Guericke，1602—1686）制成硫磺球起電機（圖2-3），他將一個硫磺球支承在一個旋轉的支架上，用手摩擦硫磺球即可使它帶電。實驗中，他還觀察到用這種方法產生靜電時可以使硫磺球表面發光。所以，格里克不僅是制成世界上第一只人工起電裝置的科學家，也是首次發現電致發光的科學家。1705年，他在《哲學匯刊》上發表文章，注意到放電現象和雷電間有某些相似之處。此外，他還發現地磁場能使鐵屑磁化。

1705年12月9日，英國自學成才的科學家霍克斯比（F．Hauksbee，1666—1713）改進格里克的起電機，制成一臺玻璃球手搖起電機（圖2-4）。同年，他還發現了水銀管中的輝光發光效應。英國著名科學家牛頓也制成玻璃球起電機，并進行了實驗研究。1709年，霍克斯比制成棉線驗電器，它是最早的靜電檢驗器具。

1729年，英國物理學家、電工實驗師格雷（S．Gray，1696—1736）發表“關于一些新電學實驗的說明”。1729年，格雷發現絕緣導體的電荷僅分布在導體外表面。同年7月3日，他還發現了電傳導現象，根據材料的電性能，他把材料分為能傳送電荷的物體和不能傳送電荷的物體。1731—1732年間，格雷在《皇家學會哲學匯刊》（第37卷，18—44頁）上發表A Letter—Containing Several Expriments Concerning Electricity（《關于電學實驗的信札》），介紹了他的實驗。1739年，法國人德薩居里埃（J．T．Desaguliers，1683—1744）第一次建議將它們分別稱為導體（或非電介質）和絕緣體（或電介質）。

為了判定人體能否傳送電荷，格雷進行了著名的人體鏈導電實驗（圖2-5）。實驗時，他用繩索將人水平懸掛起來，四肢平伸，身體和手的下面放一些紙屑，然后將帶電體與人接觸，結果發現手和身體將紙屑吸引起來，從而證明人體能夠傳送電荷。

1733年，法國人杜費（C．F．du Fay，1698—1739）和英國人西默（Symmer）發表重要論文《論電》，提出電的二元流體假設。杜費還認為存在兩種不同性質的電荷，一種是絲綢摩擦玻璃棒而產生的電荷，他取名為玻璃電（vitreous electricity）；另一種是毛皮摩擦樹脂或琥珀而產生的電荷，他取名為樹脂電（resinous electricity）。同時，杜費總結出靜電學的第一個基本原理——帶同樣性質電荷的物體互相排斥，帶不同性質電荷的物體互相吸引，以及物體帶電的3種方式——摩擦帶電、傳導帶電和感應帶電。另外，他還與在電學上多有建樹的諾萊（Nollet，1700—1770）一道，親身進行過人體導電實驗。

1746年1月，荷蘭物理學家穆申布魯克（P．Muesschenbroeck，1692—1761）和他的學生居賴（A．Cunaeus）發明了一種儲存電荷的裝置（圖2-6）；而德國主教克萊斯特（E．G．von Kleist，1700—1748）在1745年就發明了一種儲存電荷的裝置。但由于穆申布魯克時任萊頓大學教授，加之他名氣很大，并首先將該裝置用于實驗，因此習慣上稱這種裝置為萊頓瓶（Leyden jar）。后來，許多科學家都進行了萊頓瓶的實驗、改進工作。圖2-7為一種經改造的萊頓瓶，玻璃瓶內外壁分別貼上錫箔，瓶內壁的錫箔通過金屬鏈、金屬棒與金屬球相連。當用一個帶電體（假如帶正電）與金屬球接觸，瓶內壁錫箔就會帶正電，瓶外壁錫箔將帶負電；移開帶電體后，帶電體傳給瓶內壁錫箔的電荷就可保持一段時間。使用時，只需用導體的一端與瓶外壁錫箔相接，另一端靠近金屬球，即可在金屬球與導體間產生放電，發出火花。萊頓瓶的發明很快傳遍歐洲，它給電學研究帶來了很大的方便，而萊頓瓶放電時產生的光和聲也刺激和吸引了更多的人從事電的研究，在一定程度上推動了電學的發展。

1748—1751年間，俄國人Г．В．里赫曼發現靜電感應現象。