古希腊哲学家泰利斯曾叙述过织衣者所观察到的现象，那就是用毛织物摩擦过的玻珀能够吸引某些轻的物体。

   在古代中国，大约在春秋末期 ( 约公元前四五世纪 ) 成书的《管子·地数管》、战国时期的《鬼谷子》、战国末期的《吕氏春秋》等，都曾记述了天然磁石及其吸铁现象，记述了世界上最古老的指南针“司南”。汉代王充在其著作《论衡》中对世界上最古老的指南针“司南”作了进一步详细的记述，他写道：“司南之杓，投之以地，其柢指南。”汉代初期，已有玳瑁、玻珀经摩擦吸引轻小物体的记载。晋代张华(232-300) 曾发现用梳子梳理头发和解脱丝绸毛制衣服时的起电现象，他看到静电火花，听到放电的噼啪声。

中国宋代静磁学取得当时世界上的最好成就。沈括(公元1033 — 1097)和寇宗爽都讲到了人工磁化材料的方法，即将铁针与磁石摩擦即可获得磁性。沈括在《梦溪笔谈》(卷廿四)中写道：“方家以磁石摩铁峰，则能指南，然常微偏东，不全南也。”这是世界上最早的关于地磁偏角的文字记载。

对世界文明有重要影响的指南针是中国古代人的发明。沈括指出了4 种指南针的安放办法，即水浮水、指甲法、碗唇法、丝悬法。

中国还是最早将指南针用于航海的国家。南宋后，罗盘在航海中普遍使用，约 12 世纪13世纪初中国指南针由海路传入阿拉伯，又由阿拉伯传到欧洲。

罗盘传到欧洲，正值13世纪欧洲的工艺商业等各方面都取得了重大进步的好时候，当时还掀起了营造教堂和兴建大学的高潮。不少学者崇尚古希腊的科学著作，纷纷把古代科学著作翻译出来，而且还相应地兴起了一股短暂的实验风气。当时牛津大学的著名学者罗吉尔·培根认为：“过去那种靠有名无实的权威和传统的习惯来发表自己意见的人，算不得真正的学者”，真正的学者“应当靠实验来弄懂自然科学、医学、炼金术和天下地下的一切事物”。在培根这种崇高的实验思想影响下，他的朋友皮特写了一本小册子，记述了他自己在磁力实验中的发现。例如，异性磁极相吸，同性磁极相斥；一根磁针断为两半时，每一半又成为一根单独完整的有两极的小磁针。

然而，由培根倡导的这股实验风气，遭到教廷的强烈反对，很快被压了下去，这以后一段长时期内，电磁现象的研究没有什么起色。

( 二 ) 对电、磁现象研究的开始

英国人马里古特对磁的实验工作，是关于磁现象研究工作的萌芽。

一直到了 16 世纪，欧洲工艺、航海、军工在各国普遍得到新的发展，对此起了特别重大推动作用的是中国的火药、造纸术、印刷术和指南针等四大发明的传入。

1581 年英国伦敦的一名退休海员罗伯特·诺曼，写了一本题为《新奇的吸引力》的小册子，谈到他在关于磁力实验中的重要发现。他用一根绳子把磁针吊在空中，发现磁针指向北方，且与水平面成一倾角，这就是磁倾角，这已经比中国宋代曾公亮在磁化铁片时利用磁倾角获得最佳磁性晚了整整 500 年！然而中国却仍处在封建社会的缓慢发展阶段，科学上的领先地位逐渐让位于欧洲了。罗伯特·诺曼在书中还讲述了他把一根磁针插入软木上，将这软木浮在水面仅发现磁针朝着南北方向转动，并不沿着向南方向或向北方向移动，即磁力不是“运动力 ”，而是一种“定向力”。现在我们知道，磁针受到的是一个力矩的作用，引起转动，而合力为零。第一个从理论高度来研究电和磁，从而提出了比较系统的初步理论的人是英国的吉尔伯特(1544— 1603) ，在16世纪末发表的《论磁石》一书中记述了他对天然磁石和地球磁场的研究。其中著名的是“小地球”实验。他在马里古特的磁石球实验的启发下，把一块大天然磁石 磨制成一个大磁石球，用小铁丝制成小磁针放在磁石球上面，观察小磁针的取向。他发现，在天然磁石球的作用下，小磁针的行为与地球上的指南针极为相似。由此吉尔伯特联想到地球可能是一块大磁石，它与指针之间的同极相斥、异极相吸的作用引起了指南针的朝南、北方向的偏转。他还对磁倾角现象进行解释，认为这是由于指南针在地球的不同纬度上受力的方向与该纬度的水平方向有一个夹角的缘故。现在人类已认识到：地理上的南北极与地磁的南、北极并不重合，磁针是指向地磁的南极或北极的，而我们所说的南北方向是地理上的南北极之间的方向，这两个走向之间存在一个依不同纬度而有所不同的夹角，在同一纬度也会因地球磁场的变化而会发生这个夹角的改变。这才是磁倾角存在的原因。

在认定地球是一块大磁石球之后，吉尔伯特设想太阳也是一块磁石，它对行星发出磁性引力致使行星绕太阳旋转。他认为磁力的大小随物体间的距离增大而减小，所以离太阳越远的行星运动越慢。对天体运动的这种解释固然是一种不正确的推测，但对开普勒等人研究此问题给予了很好的启示。

在研究静磁现象的同时，人们对静电现象进行了研究。从吉尔伯特起，首先研究了摩擦起电的现象。他从琥珀经摩擦后会吸引轻小物体的现象中受到启发，特地收集许多材料，如金刚石、蓝宝石、硫磺、树脂、明矾等，吉尔伯特对这些材料一一作摩擦实验，他发现这些材料经摩擦后全都有吸引轻小物体的能力。吉尔伯特为这种作用与磁作用加以区别，他引入一个形容词——“电的 (electric) ”。材料经摩擦后具有这种性能叫“电的作用”。

吉尔伯特从对电磁现象的实验研究形成了他的关于电磁现象的初步理论：

(1) 磁性质是磁体本身具备的一种性质，而电性质是需要通过摩擦手段激发才产生。

(2) 磁石只以可以磁化的物质才有力的作用，而带电体可以吸引任何轻小物体。

(3) 磁体之间的作用不受中间的纸片、亚麻布等物体的影响，而带电体之间的作用要受到中间布片的影响。当带电体浸在水中时，电力的作用甚至可以消失，而磁体的磁力不会消失。

(4) 磁力是一种定向力，而电力是一种移动力。

(5) 磁力既有吸引力也有排斥力，而电力只有吸引力一种。电和磁是两种截然无关的现象。

显然最后这条论断是错误的，并在很长时间里影响了后人的认识。

1600 年出版的这部《论磁石》名著，是英国有史以来第一部重要的物理学著作，伽利略曾说它“伟大到令人妒忌”。

( 三 ) 电荷的获得及莱顿瓶的产生

1. 摩擦起电机的出现

    人工简单摩擦起电来使物体带电是很有局限性的，要对电现象作进一步研究，必须用有效的方法来获得较多的电荷及电流。

    大约在1660年，德国的一位酿酒商和工程师格里凯(1622 — 1686)发明了第一台能产生大量电流的摩擦起电机。他用一个球状玻璃瓶盛满粉末状的硫横，用火烧玻璃瓶直至硫磺全部熔化，等其冷下来硫磺成球状再将玻璃瓶打掉，在硫磺上个一孔并将其支在一根轴上，使硫磺球可以自由转动。格里凯在1672年描述了这架仪器的构造及其使用情况。起电时，他用一只手握住摇柄把，使硫磺球不停转动，另一只手紧贴在硫磺球面上摩擦，结果使人体和硫磺球都带上了电荷。1709 年，德国人豪克斯比(1688 — 1763)制造了一台用抽去空气的玻璃球代替硫磺球的起电机，并在实验中发现，玻璃球由摩擦带电时，产生了类似磷光的现象。1750 年还有人用巨大的飞轮带动很大的玻璃柱转动，通过皮带与玻璃柱摩擦起电。

 在英国卡尔特修道院领养老金过活的格雷(约1675—1736)，发现摩擦的玻璃管上所带的电荷可以转移到木塞上，他用一根带有骨质小球的棍子插到带电的木塞中，骨质小球也带上了电，格雷还用一条长为24米的绳子将电荷传送过去。他还发现导体和绝缘体的区别，并把物体分成两类：一种是非电性物体，但却可以传电；另一类是电性物体，然而不能传电。

    法国王家花园里的一位管家杜菲(1698—1739) 对格雷的实验产生了极大兴趣，他也作了不少实验，取得了一些重要的发现。1733年杜菲发现绝缘起来的金属也可以通过摩擦的办法起电，从而否定了吉尔伯特、格雷等人把物体分为“电的”和“非电的”的论断，得出了所有物体都可以摩擦起电的结论。

2. 莱顿瓶的产生

   荷兰莱顿大学的物理学教授穆欣布罗克(1692—1761)和德国的克莱斯特(1700 — 1784)分别发现，物体好不容易获得的电往往在空气中逐渐消失。为了寻找一种保存电的方法，穆欣布罗克于1746年做了如下的实验：他将一枪管悬挂在空中，用起电机与枪管相连，另用一根铜线一端与枪管相连，另一端浸入盛有水的玻璃瓶中，当他的助手一只手握着玻璃瓶，另一只手不小心触到枪管上，助手因猛然感到一次强烈的电击而喊了起来，穆欣布罗克替下助手亲自体验了给他带来极大恐怖感觉的实验。这使人们认识到：人体作导体参与放电过程的瞬间，电会使人感到一种可怕的突然震动和打击，这就是常说的电击(或叫电震)。穆欣布罗克还由此认识到，盛水的玻璃瓶通电后，可以将电保存起来。

   穆欣布罗克以亲身的体验劝人不要做这种人体放电实验，却反而引起了更多的人对这类电现象的注意，以致在荷兰和德国公开进行电实验的表演，有许多人为了娱乐也做起电实验来。在这些人当中，有法国的电学家诺莱特，他开始把这种能蓄电的瓶子称为莱顿瓶(以穆欣布罗克所在的大学名称命名)。

    克莱斯特于1645 年也发现盛水的瓶中插入导体通电，瓶子能贮电，在德国就把贮电性的瓶子叫克莱斯特瓶。

    当时所进行的电实验表演中，有用莱顿瓶作火花放电杀老鼠的表演，有用电火花点酒精和火药的表演。其中最为壮观的一次表演是诺莱特在巴黎一座大教堂前作的，诺莱特邀请了法路易十五的皇室成员临场观看，他让 700 个修道士手拉手排成一行，形成长达900 英尺的队伍，然后让排头的修道士用手握住莱顿瓶，让排尾的修道士用手握莱顿瓶的引线(引线另一端插入瓶中水中) ，准备就绪后，诺莱特令人用起电机通过引线向莱顿瓶送电。瞬间，700名修道士因受电击同时跳了起来，在场观众无不为之目瞪口呆，诺莱特以事实表明了电的威力。

( 四 ) 对电本质的研究及富兰克林的献身精神

    1746年英国物理学家考林森通过邮寄向美国费城的本杰明·富兰克林 (1706 — 1790) 赠送了一只莱顿瓶，并介绍了使用方法。富兰克林对此极有兴趣，用这只莱顿瓶进行了一系列实验，对电的本质及电现象的规律开始了一系列深入的研究，得到了许多重要成果。

    富兰克林第一个提出存在正电和负电及电荷守恒定律。1747年7月他写信给好友考林森，报告了收到莱顿瓶后一年来的实验结果。在这封信中富兰克林描述了这样一个实验：他让两人分别站在绝缘的箱上，其一人摩擦玻璃管，另一人用肘部接触一下这个玻璃管，并让两人分别与站在地上的第三人接触时，都有火花产生，这说明前两人都带电。重复进行前述的起电操作，让两人先相互接触再与站在地上的第三者分别接触时，结果都没有火花产生，这说明两人带电后只要一接触都不带电。为此富兰克林提出了单元电液理论。认为带电的两人是通过玻璃管发生了电液的迁移，其一人具有比正常情况少一些的电液，另一人具有了比正常情况多一些的电液。相互接触后，又恢复到都具有正常数量的电液，则两人都不显电性。他提出了正电和负电的概念，他认为缺少电液，就是带负电，可以用“—”号表示；带超过正常情况的电液就带正电，用“ + ”号表示。正、负电可互相抵消。正、负电的提出，为定量研究电现象提供了基础，使人们第一次可以用数学来表示带电现象，其重要性是显而易见的。

    富兰克林还认为摩擦只能使电液从一个物体转移到另一个物体上，即“电不是摩擦玻璃管而产生的，而只是从摩擦者转移到了玻璃管，摩擦者失去的电与玻璃管获得的电严格相同”。这就告诉人们，在任一绝缘体系中电的总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒原理。

    富兰克林的理论足以解释当时人们已知的绝大部分静电现象。现在我们知道，所谓的电液是不存在的，比较容易迁移的是带负电的载体——电子，用电液迁移来解释电现象并不科学。尽管这样，正、负电的概念和电荷守恒的观念是至今仍然有效的科学观念，是富兰克林对电学的一大贡献。

    富兰克林所做的另一项重大贡献是统一了天电和地电。

    富兰克林通过亲自进行大量实验来说明现象，彻底破除了人们对雷电的恐惧、迷信心理。当时的欧洲和美国的大多数人认为雷电是“上帝之火”，是天神发怒的结果。为破除这种迷信，富兰克林一直思考着这样一个问题：雷电的电与摩擦电本质上是否一样，区别在什么地方。为了加大电容量，富兰克林将几只莱顿瓶联起来做实验，有次实验正在进行，他的夫人进来观看，不小心碰了莱顿瓶，突然闪过一团火，随着“轰”的一声响，她被电击倒在地，不省人事，经抢救脱险。这次事故使富兰克林联想起暴风雨中的雷电，于是下决心要把雷电捉下来进行研究。在 1752年7月的一个雷雨天他做了著名的费城实验。

    富兰克林用绸子做了一个大风筝，风筝上安上一根尖细的铁丝，用来捉电，并用麻绳与这铁丝相连，麻绳的末端拴一把铜钥匙，钥匙塞在莱顿瓶中间。他和儿子一起将风筝放飞到空中，一阵雷电打下来，富兰克林顿时感到一阵电麻，他赶紧用丝绸手帕把手里麻绳包起来继续捕捉天电。又一阵雷电打下来，这时麻绳上松散的麻一丝丝向四周竖起，靠近钥匙的手和钥匙之间产生了火花。天电终于捉下来了。富兰克林用这种方法使莱顿瓶充电，发现天电同样可以点酒精，可以做摩擦起电机产生的地电所做过的许多电的实验，从而证明了天电与地电的一致性。

    富兰克林深知这类实验的危险性，有次他想做电击火鸡的实验，不小心碰了莱顿瓶，立即将他击晕了过去。富兰克林没有知险而退，成功地进行着一系列实验。冒险捕捉天电的壮举还有法国科学家阿里巴等人，他们用一根40英尺高的金属杆引获天电取得成功。俄国的里赫曼和罗蒙诺索夫(1711—1765) 对雷电现象也作了大量的研究，他们曾设计制作了一个装有金属尖杆的“检雷器”，想用它来测定云中有无天电。 1753年7月26日，值雷雨欲来，里赫曼赶紧准备做实验观测，不料一个劈雷下来将他击倒，里赫曼为科学事业献出了自己的生命。罗蒙诺索夫还在 1753 年发表了电是以太微粒很迅速地转动的观点。在这一年里彼得堡科学院向全世界悬赏征文，题目《论电力的性质》。1755 年，欧勒获得此项征文奖，他用以太中张力来说明带电体的作用。

    18世纪神学教会有广泛的社会影响，富兰克林的实验是对这些神学影响的公开挑战，这自然会使费城教会震怒，他们斥责富兰克林是对上帝的大逆不道，富兰克林毫不畏惧，不仅将实验坚持做下去，还于1753年制成世界上第一个避雷针。100 多年之后，费城盖了一座新教堂，教会怕遭雷击，也不得不装了避雷针，这个历史事实是对嘲弄科学的教会的极大讽刺。避雷针的发明是人类应用电学研究为自身服务的第一个明显例子。

( 五 ) 伽伐尼效应和伏打电堆的发明

    意大利生物解剖学教授伽伐尼(1737—1798)和他的两位助手于1780年9月20日做青蛙解剖实验，一名助手不慎将手中的解剖刀的刀尖触到了桌上一只剖开的蛙腿神经上，顿时青蛙的4条腿猛烈地发生痉挛，另一名助手看到放在一帝的起电机跳了火花，这一现象引起了伽伐尼的极大注意。他选择不同的条件，在不同的天气里多次重复这一现象的观察实验，并在题为《论肌肉运动中的电力》一文中对此作了归纳总结。伽伐尼起先认为，可能是由于放电引起了蛙腿的收缩，他把蛙腿用铜钩子挂到庭院的铁栏杆上，试图观察雷雨天的放电能否引起蛙腿收缩，结果证实确能引起。伽伐尼进一步设想，晴天不放电会有这种收缩现象吗？他发现，只要把铜钩子挂到铁栏杆上，蛙腿也有抽搐现象。由此，伽伐尼认识到，放电现象的存在不是蛙腿抽搐的必须条件。他在实验中发现只要有两种不同的金属分别接触蛙腿的神经和肌肉，并且使这两种金属彼此连结形成一个闭合回路( 加铁栏杆和铜钩)，蛙腿就会产生抽搐。现在我们知道，既然两种金属与蛙腿连结可产生和通电一样的效果，这就证明了两种金属与蛙腿接触可以产生电流。可是当时伽伐尼没有形成这样的观念，他坚持动物体内存在着“动物电”，用两种金属与动物接触，就能把这种“动物电”激发出来，金属与蛙腿接触只是起了放电作用，就像莱顿瓶的放电作用一样。

   伽伐尼的发现引起了意大利的实验电学家伏打(1745—1827)的注意。那时他正在做生物电的实验。当他用一根由两种金属组成的弯杆的两端分别与舌头和眼睛附近部位接触时，眼睛里就有光亮的感觉。这些实验使伏打认识到两种金属的接触是产生电流的必要条件，只要有两种金属与另一个第二类导体( 某些化学溶液或生物体的器官) 连成一个回路，就能产生电流。伏打认为不存在伽伐尼提出的“动物电”，蛙腿只是起到验电器的作用。这之后，伏打花了3年时间，用各种金属搭配成一对一对，做了许多实验。从实验中他找到这样一个序列：锌、锡、铅、铜、银、金等，按这个序列将前面的金属与紧接着的下一种金属搭配起来，接触在一起，那么前者就带正电，后者带负电，无一例外。我们现在知道，用量子力学费米能 级可以解释金属存在接触电位差的原因，当然伏打那时还不能解释存在这一“伏打序列”的原因。至于“动物电”，1793年伏打明确否定了它的存在。他在给一家物理杂志编辑的信中指出：“用不同的导体，特别是金属导体接触在一起，包括黄铁矿、其他矿石以及炭等，我们称之为干导体或第一类导体，再与第二类导体或湿导体接触，就会扰动电液，引起电激动”。伏打的意见一发表，立即轰动了科学界，学者们议论纷纷。

    意大利者费伯鲁尼(1752—1822)在1796年作了一个实验，他将两种金属一起放在水中，也观察到了伽伐尼效应，但他特别强调还观察到了其中一片金属部分地氧化了，从而得到一个新的重要论断，即某些化学作用不可分离地与伽伐尼效应联系在一起。伏打不管学术界如何议论，加紧进行自己的研究工作。1800 年春，伏打制成了历史上著名的伏打电堆，他在给英国皇家学会的一个报告中谈到“无疑你们会感到惊讶，我所要介绍的装置，只是用一些不同导体按一定的方式叠起来的装置。用30片、 40片、60 片，甚至更多的铜片(当然最好是银片) ，将它们中的每一片与一片锡片( 最好是锌片) 接触，然后充一层水或导电性能比纯水更好的食盐水、碱水等液层，或填上一层用这些液体浸透的纸皮或皮革等，就能产生相当多的电荷”。伏打这个电堆既能产生同莱顿瓶里一样的电，而且有优于莱顿瓶之处，那就是把电堆的两端的金属导线连接起来可以获得持续不断的电流，而莱顿瓶在放电后已不再带电，再次 使用需要重新起电。伏打的成就深得各界的赞赏。1801年法军占领了意大利北部之后，法国 皇帝拿破仑一世于9月26日把伏打召到巴黎；10月6日拿破仑在一次学术聚会上观看了伏打的实验表演，并将一枚特制的金质奖章授于伏打。伏打电堆，就是我们现今使用的电池的雏形。

    电堆的发明，使人们第一次获得稳定而持续的电流，这就为研究动电现象提供了坚实的技术基础。有了伏打电堆，一方面促进人们研究产生电荷的原因，从而使电化学、化学电源的研究工作有了很大的进展；另一方面促进人们研究电流的各种效应，从而使人们开始对“电有什么作用”的问题展开了广泛研究。一个突出的例子，是 1812年化学家戴维曾用2000个电池组成的电池组供给碳极电弧以大电流，产生了很强的电孤光，成为爱迪生发明白炽灯泡之前的一种有效的电光源。随着伏打电池的发明，电磁学的研究兴起了高潮，进入了用科学的定量方法来研究的近阶段。