物理史话：电与磁的联姻
物理史话：电与磁的联姻
2024年全国高考第一天的考试已经落下帷幕，相信你已经调整好心态准备迎接接下来的考试了，无论你是明天还是后天要踏进物理考场的考生，想必定会“死磕”一把电磁学来拿下高分的成绩。作为高考重难点的电磁学结合了电学、磁学、能量学、力学及运动学等多模块的综合内容，可以说是高考物理压轴题的热门“网红”。不过学了这么久的电磁学，你知道电与磁最初因何而关联吗？这里又有哪些科学家做出了开创性的贡献呢？今天就在复习之余的休息间歇一起来了解这段物理史话吧~
电的实际应用始于19世纪初。1820年，丹麦物理学家兼科学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（Hans Christian Ørsted, 1777—1851）注意到电流可以让罗盘的磁针偏转。这是电与磁相关联的第一个迹象。就在一周后，安德烈-马里埃·安培给出了一个详细得多的描述。他向法国科学院演示，当平行导线载流时，两根导线要么相互吸引要么相互排斥，这取决于流过二者的电流是同向的还是反向的，这就为电动力学奠定了基础。次年，迈克尔·法拉第又做了个实验，他将一块磁体置于一盘水银里，又在该磁体的上方悬挂一根导线，导线刚好浸入水银。法拉第发现，当他给导线通电流时，导线会绕磁体旋转。他把这个装置称为“电磁旋转”（electromagnetic rotations），这构成了电动机的基础。事实上，一个变化的磁场会激发一个电场，反之亦然。
法拉第演示电磁旋转的设备
法拉第无暇迅速跟进自己的电磁学研究，这要留待美国科学家约瑟夫·亨利（Joseph Henry, 1797—1878），后者在1825年开发出了第一个强电磁体。
约瑟夫·亨利（Joseph Henry, 1797—1878）
亨利发现，给一个磁体缠上绝缘导线再通入电流，他就可以大大提高磁体的能力。他制作的电磁体可以提升约1600千克的约瑟夫·亨利重物。亨利还更进一步奠定了电报的基础。他布设了一条1.7千米长的细导线横穿奥尔巴尼学院（Albany Academy），然后给导线通电，成功给导线另一端 的电铃供上了电。虽然进一步开发出电报的是萨缪尔·莫尔斯（Samuel Morse, 1791—1872），但亨利已然证实这个构想是合理的。
在电学领域若有一个名字卓然超群，那或许就是迈克尔·法拉第。虽然，在首次实验后的19世纪20年代，他无暇跟进电磁学研究，但当他在1831年回归这个课题就发现了电感应的原理。
法拉第揭示两个导线圈间电磁感应的仪器。右边的液体电池提供电流，手持小线圈使之在大线圈中进进出出，由此在大线圈中感应出电流，左边的检流计指示电流
法拉第在一个铁环两边分别缠上导线圈，然后给一根导线通电流。这使铁环磁化，在另一线圈中短暂感应出电流，这就制成了一台变压器。6个星期后，他发明了发电机，其中有一块永磁体在导线圈中来回移动，在导线中感应出电流。法拉第感应定律（Faraday’s law of induction）说的是，随时间变化的磁通量激发出与变化速率成比例的电动势。一切发电方式皆基于这个原理。法拉第还引入了术语“电极”（electrode）、“阳极”（anode）、“阴极”（cathode）和“离子”（ion），推测是分子的一部分参与阴阳两极之间的电荷移动。离子溶液及其电导性的真实本质最终是阿伦尼乌斯解释的（见第105页），他因此获得1903年的诺贝尔化学奖。
在奥斯特和法拉第实践工作的基础上，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦引入数学来处理电与磁的关联。其结果是发表于1873年的4个惊天动地的方程，这论证了电磁相互作用是同一种力。
爱因斯坦将麦克斯韦方程组（Maxwell’s equations）视为牛顿系统阐述引力定律以来最伟大的物理学发现。电磁相互作用如今被确认为维持宇宙秩序的四大基本力之一——其余三种是引力、作用于原子内的强核力以及作用于原子间的弱核力。在最小的尺度上，电磁力将离子结合成分子，还提供了原子内的电子与原子核之间的吸引作用。
麦克斯韦解释了电场和磁场何以源出同样的电磁场。变化电场的垂直方向伴有同样在变化的磁场。他还发现，电磁场的波动在真空中的传播速度是3亿米每秒——光速。
这是一个惊人的发现，并非每个人都乐见光是电磁波谱一部分这个推论。爱因斯坦将麦克斯韦的工作纳入自己的相对论，他说是电场还是磁场取决于观察者的参考系。在一个参考系看到的是磁场，在另一个参考系看到的是电场。