第一节 电学、磁学泰斗吉尔伯特

电将是未来世界的主宰。——诺莱

磁力才是宇宙力的奥秘。——吉尔伯特

吉尔伯特（图2-1）生于英国一个名门家庭，18岁到剑桥圣约翰学院攻读数学和医学。毕业后开业行医，声名日隆，后得英皇伊丽莎白一世的赏识，成为一名御医。吉尔伯特兴趣十分广泛，行医之暇，他不懈地进行化学实验和电、磁方面的实验研究工作。他受古希腊泰勒斯故事的影响，进行了多种物质的摩擦生电实验，并在佩雷格伦纳斯的《有关磁石的信札》一书的启示下，提出了“磁力才是宇宙力的奥秘”的思想。1600年，吉尔伯特发表了近代电学、磁学的开山巨著De Magnete， Magneticisque Corporibus et de Magno Magnete Tellure，Physiologica Nova（《关于磁石、磁性体及磁性地球的新自然哲学论》，简称《磁石论》）（图2-2）。

《磁石论》记录了他所进行的电气实验和观察到的电气现象。他将琥珀、玛瑙、宝石、树脂、水晶、硫磺、封蜡等作为实验对象，用呢绒、毛皮、丝绸等进行摩擦，发现有些物质可以产生“琥珀力”，吸引细小的物体；有些物质则不能产生“琥珀力”无法吸引细小物体。由此，他将物质分为“电气素”（electric effluvium）和“非电气素”（anelectrics）两大类，并认为电气素中存在一种没有重量的物体，它是一种具有特定物质性质且有一定大小的粒子。

吉尔伯特还应用琥珀力相互吸引的原理，制成了能测定电的性质的原始仪器。他将一根长约七八厘米的磁针用支点支撑起来，将摩擦过的物体靠近磁针一端，根据磁针是否发生偏转，即可判定摩擦后的物体是否带电（即是“电气素”还是“非电气素”）。

在《磁石论》中，吉尔伯特以较长篇幅介绍了对天然磁石和地球磁场的实验研究成果。他利用天然磁石制成的小磁石球（他取名为“小地球”）进行实验，发现在小磁石球作用下，小磁针的偏转行为与地球上的指南针极为相似，由此他联想到地球可能是一个大磁石，只是上面浮着一层水、岩石和泥土，指南针的指向作用就是地球大磁石和指南针（磁针）之间同极相斥、异极相吸而产生的。从这一推断出发，他对磁倾角和磁偏角现象进行了解释。他认为磁倾角是由于指南针在地球不同纬度上的受力方向与该纬度水平方向间存在一个夹角所致；而磁偏角是由于地球上磁性仅存在于陆地，水不会磁化，不同地方陆地对磁针的吸引力不同而造成的（显然这种解释是不正确的）。在认定地球是一块大磁石的前提下，吉尔伯特还设想太阳也是一块大磁石，它对行星发出的磁性引力使行星绕太阳旋转。

吉尔伯特还将电和磁进行了对比，指出：“琥珀力的大小能够用潮气、纸或麻布来加以控制，而磁石的吸力能透过水、厚木板和石板。磁性物质只能相互吸引，而电却能够吸引一切物质”，认为“这是两种截然不相同的自然现象，不能把它们混为一谈。”现在看来，吉尔伯特的这种认识是不正确的。另外，他在电、磁学上最先使用了电吸引、电力、磁极等术语。

吉尔伯特是世界上第一个对电、磁进行科学实验和研究的科学家，是建立近代电学、磁学的先行者，因此被誉为“磁学之父”“磁学的伽利略”“电学之父”。他的著作《磁石论》对后世影响深远，许多科学家正是沿着他开辟的道路继续进行电、磁学的探索。当然，作为科学泰斗，他一言九鼎，认为“电和磁是截然不同的两种自然现象”的错误观点，也束缚了某些科学家（如库仑、安培）的思想，一定程度上影响了人们对电、磁现象间相互联系、相互作用的探索。

在吉尔伯特《磁石论》的启发下，许多科学家都进行了电的实验研究工作，如培根（F．Bacon）、玻里（Boyle）、牛顿（I．Newton）等。1629年，意大利人科贝奥发现同性电荷相斥现象。1663年，德国物理学家、马德堡市市长格里克（O．Guericke，1602—1686）制成硫磺球起电机（图2-3），他将一个硫磺球支承在一个旋转的支架上，用手摩擦硫磺球即可使它带电。实验中，他还观察到用这种方法产生静电时可以使硫磺球表面发光。所以，格里克不仅是制成世界上第一只人工起电装置的科学家，也是首次发现电致发光的科学家。1705年，他在《哲学汇刊》上发表文章，注意到放电现象和雷电间有某些相似之处。此外，他还发现地磁场能使铁屑磁化。

1705年12月9日，英国自学成才的科学家霍克斯比（F．Hauksbee，1666—1713）改进格里克的起电机，制成一台玻璃球手摇起电机（图2-4）。同年，他还发现了水银管中的辉光发光效应。英国著名科学家牛顿也制成玻璃球起电机，并进行了实验研究。1709年，霍克斯比制成棉线验电器，它是最早的静电检验器具。

1729年，英国物理学家、电工实验师格雷（S．Gray，1696—1736）发表“关于一些新电学实验的说明”。1729年，格雷发现绝缘导体的电荷仅分布在导体外表面。同年7月3日，他还发现了电传导现象，根据材料的电性能，他把材料分为能传送电荷的物体和不能传送电荷的物体。1731—1732年间，格雷在《皇家学会哲学汇刊》（第37卷，18—44页）上发表A Letter—Containing Several Expriments Concerning Electricity（《关于电学实验的信札》），介绍了他的实验。1739年，法国人德萨居里埃（J．T．Desaguliers，1683—1744）第一次建议将它们分别称为导体（或非电介质）和绝缘体（或电介质）。

为了判定人体能否传送电荷，格雷进行了著名的人体链导电实验（图2-5）。实验时，他用绳索将人水平悬挂起来，四肢平伸，身体和手的下面放一些纸屑，然后将带电体与人接触，结果发现手和身体将纸屑吸引起来，从而证明人体能够传送电荷。

1733年，法国人杜费（C．F．du Fay，1698—1739）和英国人西默（Symmer）发表重要论文《论电》，提出电的二元流体假设。杜费还认为存在两种不同性质的电荷，一种是丝绸摩擦玻璃棒而产生的电荷，他取名为玻璃电（vitreous electricity）；另一种是毛皮摩擦树脂或琥珀而产生的电荷，他取名为树脂电（resinous electricity）。同时，杜费总结出静电学的第一个基本原理——带同样性质电荷的物体互相排斥，带不同性质电荷的物体互相吸引，以及物体带电的3种方式——摩擦带电、传导带电和感应带电。另外，他还与在电学上多有建树的诺莱（Nollet，1700—1770）一道，亲身进行过人体导电实验。

1746年1月，荷兰物理学家穆申布鲁克（P．Muesschenbroeck，1692—1761）和他的学生居赖（A．Cunaeus）发明了一种储存电荷的装置（图2-6）；而德国主教克莱斯特（E．G．von Kleist，1700—1748）在1745年就发明了一种储存电荷的装置。但由于穆申布鲁克时任莱顿大学教授，加之他名气很大，并首先将该装置用于实验，因此习惯上称这种装置为莱顿瓶（Leyden jar）。后来，许多科学家都进行了莱顿瓶的实验、改进工作。图2-7为一种经改造的莱顿瓶，玻璃瓶内外壁分别贴上锡箔，瓶内壁的锡箔通过金属链、金属棒与金属球相连。当用一个带电体（假如带正电）与金属球接触，瓶内壁锡箔就会带正电，瓶外壁锡箔将带负电；移开带电体后，带电体传给瓶内壁锡箔的电荷就可保持一段时间。使用时，只需用导体的一端与瓶外壁锡箔相接，另一端靠近金属球，即可在金属球与导体间产生放电，发出火花。莱顿瓶的发明很快传遍欧洲，它给电学研究带来了很大的方便，而莱顿瓶放电时产生的光和声也刺激和吸引了更多的人从事电的研究，在一定程度上推动了电学的发展。

1748—1751年间，俄国人Г．В．里赫曼发现静电感应现象。