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1、电磁世界 -电磁学之发展与世界之电气化电磁学之发展与世界之电气化 湖南大学电气工程学院 黄科元 博士1一、前言 现代人的生活，似乎离不开电。电灯、电话、电视、电影、 计算机、电冰箱，样样都是生活必须用品。一旦停电，日子不知怎么过。但世界上第一个有规模的发电厂（尼加 拉水力发电厂，显示了当时电力的需求已渐普遍）开动， 不过是1896年的事，距今只有一百多年。 也许，很多人有兴趣知道最新奇的发明。但从物理概念的发 展而言，更有趣的，也更重要的是；人们怎么会从不知道 用电，一步一步，变成了有了用电的能力，终于到了离不开它的地步。 2二、古代的电磁观察与应用 l公元2000年前，巴比伦人发明的电池 l
2、古希腊人发现了琥珀、毛皮等摩擦可以 生电 。英文Electricity的字根，是希腊文的琥珀 l中国人很早就知道天然磁石会吸铁，带 电物会吸小物体 3三、电之捕捉与库伦定律 l 十七世纪末(1684年)，牛顿出版其自然哲学的数学原理 。 l 1734年，法国人杜菲发觉不管是用什么东西摩出来的，电只有 两种。他命名之为玻璃电与树脂电。 l 1745年，荷兰莱顿大学教授穆森布洛克发明的储电器莱顿瓶 。 l 1752年，美国的富兰克林在大雷雨中放风筝，把天上的电，收 到莱顿瓶中 l1785发现了库伦定律：电荷与电荷之间，同性相斥，异性相吸。其力之方向在两电荷间之联机上。其大 小与电荷间之距离之平方成
3、反比，而与两电荷量之大小成正比。 这是电学以数学来描述的第一步。 4四 从伏特电池到安培定律 l 1793年，比萨大学教授伏特发明伏特电池 l 1820年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯特电流可以产生磁力 。不久，便有人把导线绕成很多重的线圈，只要很小的电流，就能产生 很大的磁力。线圈电流固可使小磁针转动，但如果是一个固定的大磁铁， 线圈也会反向而动。从此，电流成为物理（或工业）中测定最方便的量之 一。这也就是为什么在公制中，先订电流单位安培，再订电量单位 库伦之原因。l 1820年，法国物理学家安培听到奥斯特实验结果之后 ，证明 了两根通电的导线之间也有吸力或斥力。这就是电磁学中第 二个最重要的定
4、理安培定律： 两根平行的长直导线中皆有电流，若电流方向相同，则相吸引。反之，则相 斥。力之大小与两线之间距离成反比，与电流之大小成正比。 这就是电动机的运行基本原理！5欧姆定律和焦耳定律l1826年，德国教授欧姆(George S. Ohm, 1789- 1854)，发表了欧姆定律，厘清了电 压、电流、电阻间的关系(V=iR) l1839 年，英国的焦耳发现电流消耗能量 的关系式焦耳定律P=i2R ，这成为以后电 力买卖的计价基础61831年 经过无数次实验，英国科学家法 拉第发现法拉第定律 ：变化的磁场产生电 场。这个定律与库伦、安培都不同；它是动态的。第一 线圈中的电流变化越快，第二线圈中
5、的电流越大 。（这是变压器原理）。或磁铁、有电流的筒状 线圈，移动得越快，第二线圈中的电流也越大。 这就是发电机(把动能化成电能)的原理。 然而实用的发电机却不是那么简单，法拉第定律之 后五十年才在美国做出来 五 法拉第定律与发电机 7爱迪生 与 特斯拉 1879爱迪生发明的白炽电灯(以碳化纤维为灯丝) ，造成轰动，是第一个人人都感到非要不可的电 器。在发电机的竞争上，却输给了对手。可能的原因是他太执着于直流电（他 甚至宣扬交流电危害人类）。以法拉第定律而言，交流发电机的 制作比较顺理成章，而且，交流电才能使用变压器，利于长途输电。 他的竞争对手是西屋(George Westinghouse)
6、 与特斯 拉 (Nicola Tesla），1882年，特斯拉制成第一部交 流发电机。 1896尼加拉瀑布水力发电开始。世界的电化，从此展开。 8六、麦克斯威与电磁学 麦克斯威（James Clerk Maxwell, 1831-1879）建 立了完整的电磁场理论，并预言了电磁波德国人赫兹(Heinrich R. Hertz ,1857-1894, Karlsruhe Polytechnic)是第一个在实验室中证 明电磁波存在的人。 意大利的马可尼发明无线电，1901年，马可尼实验 越洋广播成功，轰动一时，从此开始了广播工业 。 9结语l 麦克斯威的电磁理论（经赫兹改写），成为现在 理工科的学生都要修的电磁学。简单的说来，电 磁学核心只有四个部份：库伦定律、安培定律、 法拉第定律与麦克斯威方程式。并且顺序也一定 如此。这可以说与电磁学的历史发展平行。其原 因也不难想见；没有库伦定律对电荷的观念，安 培定律中的电流就不容易说清楚。不理解法拉第 的磁感生电，也很难了解麦克斯威的电磁交感。 l 回顾电磁学的历史，是很有趣的。一直到十八世 纪中，电磁似乎只是一种新奇的玩具。科学 与艺术一样，起步时都有游戏性质。但到了 后来，其产生的结果，竟然改造了世界。 10
