电磁学之发展与世界之电化

电磁学之发展与世界之电化

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。(电视连续剧“大宅门”描写清末民初电灯、电话初到北京城的情形，相当有意思。)

一百多年间，这个世界上大部份的人的生活，从几乎没有电器用品，到充满了电器用品，这变化不但是巨大得令人难以想象，并且深入到生活、思想、感情…，所有的人生面向。举个有诗意的例子：爱情上受挫折是古今中外诗歌中最常见的题材。古诗中固然有怨恨情人变心的，但也很常见的是所爱之人远在他乡，衷情难诉，以致相思甚苦。例如：古诗十九首“采之欲谁遗，所思在远道”。李白长相思“天长路远魂飞苦”等等。如今的流行歌曲中，第二种越来越少，第一种却很多。──今日的手机、e-mail等等，使距离不再成为谈情说爱的障碍，但却防不了情人变心。──这也显示了，要了解古人，就要从古人当时的情境来看才能妥切。

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。这段历史，也最能鲜明地描绘出：以理解大自然为目标的科学研究，对全人类可能（但不必然）产生的巨大影响。

二、古代的电磁观察与应用

1936年，考古学家在巴格达附近挖出了一些铜罐，罐中铺了沥青，沥青上插着铁条。在大约同一地点，还发掘出了一些镀金物品。有研究者便认为这些铜罐就是巴比伦人发明的电池，而镀金物（如果是电镀）是这些东西确是电池之证据。而这些东西，其年代有早到公元前2000年以上的。

如果这是真的，巴比伦人领先了近代电池(伏特，1793)与电镀(1800-35)，将近四千年。

别的文明在电磁方面就没有这样可惊的成绩了。古希腊人发现了琥珀、毛皮等摩擦可以生电，至今英文Electricity的字根，尚是希腊文的琥珀。但对他们说来，天上的雷电，仍然是宙斯大神的脱手武器。中国人很早就知道天然磁石会吸铁，带电物会吸小物体（东汉王充27-97“论衡”电磁力之记述：“顿牟拾介，慈石引针”），以及利用磁针导航，甚至对磁偏角有所记述(方以智，~1600)。“磁针导航”这技术，传到西方，促成了西方的“大探险时代”(15-16世纪。1492哥伦布发现美洲，1498达伽马绕过好望角到达印度，1519-22麦哲伦环绕世界一周，称为“三大航海”。他们都用磁针罗盘。)也引起了十八世纪以后的殖民主义。

这些电磁的观察与应用，可以使我们感叹古人之智能，特别是巴比伦电池。但巴比伦电池即使是事实，对日后电磁学发展，却没有什么影响。摩擦生电与磁性现象却在停滞千余年之后，在十八世纪的西欧，成为电磁学发展的出发点。

三、电之捕捉与库伦定律

十七世纪末(1684年)，牛顿出版其“自然哲学之数学原理”。从此，研究自然界之力之种种，成为物理学之中心课题，一直到今天。但这本书太成功了，力学的现象，从天上行星之运转，到地面苹果落地，似乎它都能精准描述。然而，牛顿此书中只有一种力：万有引力。牛顿也知道自然界绝不止这一种力，例如，杯子打破了，碎片不可能凑起来就合而为一，可见原来把杯子各部份连合成一块的力不是万有引力；万有引力太微弱，不足以使物体聚合成形。故牛顿以后，要做有挑战性的研究，莫过于研究万有引力之外的力。

电与磁都会产生力，而且比万有引力大很多。（如果两块磁铁，吸在一起，使其相聚之力是磁力，就可以分分合合。）因此，十八世纪的欧洲，很多人在研究电与磁。特别是电，更富挑战性。因为电这个东西，虽然摩擦两个适当的物体，就能产生。带电物体会吸小纸片，有时还会在黑暗处冒火花，好玩得很。(当时，还有人发明了摩电器。)但是，却不容易驾驭，一不小心就被它溜掉。

1734年，法国人杜菲（Charles-Francois du Fay，1696-1739），玩来玩去，玩出心得。他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”。只有不同类的电，相互靠近时才会相吸或冒火花，同类的不但不冒火花，还会相斥。他又发明了一个器具：密封的玻璃瓶中，插入一根金属棒，瓶内的一端，挂上两片金箔；瓶外的一端，做成一个小球。带电的物体靠近小球时，金箔就会张开。──这些，今日看来都没有什么了不起，但在电还是“神出鬼没”的时候，这是不简单的成就。

然而，每次玩电，都要从头摩起，相当烦人。1745年，荷兰莱顿大学教授穆森布洛克(Petrus van Musschenbrock，1692-1761)，根据克莱斯特(E. G. Kleist, 1700-48)发明的储电器，发表了“莱顿瓶”。这也是一个玻璃瓶，内外壁上各贴一圈锡箔纸。内壁可以“充电”（把摩擦来的电碰触而输进去），这些电很久都不会跑掉。如果用两根金属线，把内外相连，两金属线的缝隙中就可以产生火花。

今日来看，“莱顿瓶”不过是个简单的电容器，但当时极受欢迎。瓶子越做越大，火花也更壮观。可是，电到一下可不是好玩的(也有人特意去尝一下被电的滋味)。这可以说这是人类驯服电的开始（姑且不算巴比伦），但也开始领教了电的威力。

十八世纪初，美国还是欧洲的化外之地，文化落后，更无所谓科学。波士顿的一个做肥皂与蜡烛的工匠，十七个子女中的第十个，自学有成，文采斐然。与欧洲，特别是英国的科学家，保持通信。他从英国进口仪器开始，研究电学而成名，到后来被英国皇家学院选为院士。在美国的独立革命中，他以著名科学家的身份，出使法国，立下大功。也在独立宣言(1776)上签名，成为美国的开国元勋之一。他就是鼎鼎大名的富兰克林(Benjamin Franklin，1709-1790)。

1752年，他在大雷雨中放风筝，把天上的电，收到莱顿瓶中。从此证明了天上的电，与摩擦出来的电是一样的；一般人所怕的雷，声势吓人，其实并不可怕，伤人破屋的是电。进一步，他就发明了避雷针：建筑物上装一根金属针，通到地下，屋中的人就不怕雷了，因为电就会被导入地下。（新英格兰有一教堂中的牧师，认为避雷针保护好人，也保护坏人，有碍上帝的意旨，故在讲道中大加谴责。不料没几天，教堂受到雷击，塌了一角，只好也装上避雷针。）此外，他注意到了两种电有相互扺消的现象，所以他建议把“玻璃电”与“树脂电”改名为“正电”与“负电”（模拟于正数与负数之相互扺消）。

富兰克林的正负电命名，沿用至今，但是却有些不幸。因为常用的金属导线中流动的都是电子，而电子上所带的电，却被命名为负电。以致电线中的电流若是向左，其中电子其实是向右跑。

“正数与负数之相互扺消”这事中，含有量的关系（+3,-3可以相消，+3,-2就消不干净。）“电荷量”之测定，却要归功于法国人库伦(Charles Augustin Coulomb, 1736- 1806)。(也有人得到类似的结果，但以他的发表最早，影响也最大。)

库伦出身兵工军官，早年在中美洲驻扎时，把身体搞坏，回国做研究。法国大革命(1789)后退隐家园。他发现了用细长绳索吊挂一根细棍，细棍两端对称以维持水平。两端若受水平方向之微力，则以的绳索之扭曲以平衡之。这“扭称”(torsion balance)可以做很精准的力的测量(至今尚是的测量微小力的最精准工具，但这种实验都是很难做的)。在1785-91年间，他用这工具，反复测量，终于发现了库伦定律:

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。请注意：

(1)  此定律用到了牛顿之力之观念。(若无牛顿对力之阐述，很难想象此定律是何形式)。这成了牛顿力学中一种新的力。其与牛顿万有引力有相同之处，如：与距离之平方成反比；亦有不同，如：可以相吸，亦可以相斥。

(2)  这定律成了“静电学”(即电荷静止时之各种现象)之基础。如今所有电磁学，第一个课题必然是它。

(3)  这也是电荷单位的来源。例如：两个相同之电荷，相距一公尺，若其相斥之力为“若干”时，称之为一单位。原理上，这“若干”可以任意选定，所以电荷单位有好几种。但今日“公制”(MKSA)的做法，却是先决定电流单位“安培”(理由见后)，再以一安培之电流一秒中的累计量为一“库伦”，再间接决定这“若干”=9×109牛顿。

(4)  这9×109牛顿，相当于九十万公吨的重力──静电力强大的可怕。虽然也可以说一库伦的电荷太大，但无论如何，正负电相消的趋势是很强的。日常的物体中，虽然电荷很多，但几乎都抵消的干干净净，呈现电中性的状态。必须花功夫（如摩擦）才能使其呈现带电状。而且，一不小必就又跑去中和掉，所以难以驾驭。

因此，虽然库伦定律描述电荷静止时的状能十分精准，单独的库伦定律的应用却不容易。以静电效应为主的复印机，静电除尘、静电喇叭等，发明年代也在1960以后，距库伦定律之发现几乎近两百年。我们现在用的电器，绝大部份都靠电流，而没有电荷(甚至接地以免产生多余电荷)。也就是说，正负电仍是抵消，但相互移动。──河中没水，不可能有水流；但电线中电荷为零，却仍然可以有电流！

四、从伏特电池、安培定律到电报、电话：

雷雨时的闪电，或莱顿瓶的火花放电，都是瞬间的事。电虽然在动，但是太快了，很难去研究电流的效果。电池可以供应长时间的电流（直流电）。因此，电池的发明是电磁学上的大事。──这也就是为什么巴比伦电池这样令人惊讶。

十八世纪欧洲人到处掠夺殖民地。当时也没有什么保护生态观念，殖民地出产的珍禽异兽，一股脑捉回家去。亚马逊河出产一种电鱼，能发出瞬间强电，电晕小动物。当然，电鱼也被捉回了欧洲。这引起了不少人研究“动物电”的兴趣，也就是动物的身体如何发电。1780年，意大利波隆大学教授加凡尼（Luigi Galvani, 1737 - 1789 ）发现了用电击死蛙之腿，可引起抽动。而蛙腿夹在不同金属（如铜、锌）间则可发出电来。与他认为这是“动物电”效果。

1793年，加凡尼的朋友，比萨大学教授伏特(Alexandro G.A.A. Volta, 1745 -1827)把一块锌板，一块铜板放到舌头上下，而用铜丝将两板连结，他发觉舌头会感到咸味，而铜丝中有电流现象（如: 可使蛙腿抽动）。但不久他发觉这与“动物电”无干，因为若不用舌头，而用一片浸过碱水的纸板夹在铜、锌之间，也可生电流。而且，如果用多重的锌、纸、铜、锌、纸、铜、…，会得到更明显的电流(蛙腿抽动不止)。──这就是最早（如果不算巴比伦）的电池(碱性电池)。有了稳定的电源，电流的研究与应用才能展开。电压单位伏特(volt) 就是因纪念他的功劳而命名的。

这种“伏特堆”(Voltaic pile)，很快被人仿效，越做越大(可以表演连续火花)，以后又有人加以改良，越做越精致。──直到现在，改良电池还是一门专业的学问。

在伏特电池发明后没多久，就有人发现电流可以从溶液中通过。1800年，英国William Nicholson (1753-1815) 与Anthony Carlisle (1768-1840)，发现了电解现象，例如水可以被通过的电流被分解为氢与氧。此为电在化合中作用之线索，亦为电解、电镀之原理。但是把电镀技术改善到可以应用，则要到1835年的德国人西门子（Ernst W. Siemens，1816-1892，其弟William, 后来成为英国爵士，兄弟创办“西门子”公司，至今尚存。）──巴比伦的镀金物如果真是四千年前的电镀做成的，实在令人惊叹。

然而，怎样“定量”(测定电流的大小)，还是不容易，当时有人想了各种方法（如利用电线之发热），又难又不准。

电与磁之间，很早便被认为有些关连。记载中，有一间铁铺被雷电击中，铺中铁器都生了磁性。十八世纪以后，很多人在研究放电现象时，都注意到附近的磁针会动。1820年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯特(H. C. Oersted, 1777-1851) 在演讲时表演电流生热，发现一根导线中的电流，会使附近的磁针偏向垂直方向，也就是电流可以产生“磁力”；越大的电流，这种现象越明显，而且，这种现象，不受纸板间隔的影响。这发现立时引起了很多人的兴趣。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。──同年，德国人Christoph Schweigger(1779-1850)与Johann C. Poggendorff，就用这方法制成电流计。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。

法国物理学家安培(Andre Marie Ampere, 1775-1836) 立刻想到：所有磁性的来源，或许都是电流。他在1820年，听到奥斯特实验结果之后，两个星期之内，便开始实验。五个月内，便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。

（安培也写下了两小段电流作用力之量化描述，可以计算各种形状的电流间之力。如今这称为比奥─沙伐定律。Jean-Baptiste Biot, 1774-1862, Felix Savart 1791- 1841两人与安培几乎同时进行类似的实验）。

公制中，用安培定律以定义电流单位“安培”：两个平行之同向同大小之电流，相距一公尺，若其相吸之力为2×10-7牛顿/公尺时，称之为一安培。这电流单位在使用上有其方便，例如一百瓦的电灯中的电流大约一安培。这2×10-7牛顿/公尺是很小的，故平常在两根电线中，相互之力不太容易察觉。──但做成线圈后，可以产生很大的力。

以后，安培又证实了通了电流的筒状线圈之磁性，与磁铁棒完全一样。故他提出假说：物质之磁性，皆是由物质内的电流而引起的。这使“磁性”成为“电流”的生成物。（这也解释了为什么磁铁没有单极的）。──他后来被誉为“电磁学”的始祖(电与磁从此在物理中是分不开的)。他的名字，也成了电流的单位。

安培早慧，但一生不幸。（童时亲见其父在法国大革命时上断头台，娶妻甚贤，但又早逝）。在听到Oersted 之发现后，立刻意识到电流与电流之间必有力在，洞察力惊人。

安培这个发现，在应用上极为重要。它提出了用电流而发出动力，使物体动起来的方法，准确而可靠。因此，它是电流计(以及各种电表)、电马达、电报，电话之原理。特别是电报，在1835年以后就成了新兴事业，大赚其钱。然而，在开始时，也有人对这些新玩意感到恐惧而抗拒。（例如：对电磁学也有贡献的大数学家高斯Karl F. Gauss, 1777 - 1855。）──电报业风光了一百多年。时至今日，卫星通讯发达以后，电报业就没落了。

安培定律之后，电磁学理论与应用之发展可以说“风起云涌”。1825年，英William Strugeon (1783-1850)发明电磁铁，使这种作用力更方便有效。1826年，德University of Cologne的数学教授欧姆(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)。这个定律是以后所有电路理论的开端。但他发现了欧姆定律后，反而被攻击而辞职，失业了好几年后他才另外找到工作。电流消耗能量的关系式，则要到1839 年，才被英国的焦耳(James Prescott Joule, 1818-69)确定（焦耳定律P=i2R）。这成为以后电力买卖的计价基础。

十九世纪的美国，挟其地大物博之优势，发展极快。美国人好新奇，敢冒险，在电器的发明上，领先全世界。美国人亨利(Joseph Henry, 1799-1878)，原在一个乡下学校教书，并做研究（当时在美国这是少见的）。1829年，他改良电磁铁，发明电报的原理。(据说他比法拉第更早一年发现电感现象，但未发表)。后来他转往New Jersey College(以后的Princeton University)任教。1835年，美国画家摩斯(Samuel F.B. Morse, 1791-1872)，发明了摩斯电码（Morse Code），制成了电报的第一个原型。从此，电报开始发展成新兴工业。1854-58 年，英国Univ. of Glasgow的凯尔文（William Thomson，后来封爵Lord Kelvin, 1824-1907），研究越洋电缆理论，促成大西洋两岸之电讯。他也因此发财。1876年，美国人贝尔(Alexander G. Bell,1874-1922 )发明电话。贝尔的家传技艺是audiology(帮助聋哑的技术)。他发明电话后成为巨富，热心公益。他的公司，至今尚存。晚年他宣称讨厌电话，隐居加拿大东北极寒之地纽芬兰。

焦耳、凯尔文现在的名气，多因其热学上的成就，(焦耳之热功当量，凯尔文之绝对温标)。而且，他们合作，发现了气体膨胀时，温度下降（Joule- Thomson Effect），这是冷冻机原理。但这发明当时英国的工业界不感兴趣。焦耳去世较早。凯尔文1892之封爵，也是因越洋电缆。

为什么冷冻机原理当时引不起英国工业界的兴趣？为什么用途广泛的电马达（其原理只是安培定律）没有很早的发展？其中重要原因之一是这些都要大量的电力，而当时还没有一个便宜的发电方法（电池发电太贵了）。因此，用电量较小的通讯器材（电报、电话），就率先发达。对当时的一般民众而言，生活中用电还是少见的事。电报是紧急时才用的，而电话也只有少数有钱人才装得起。

要等发电机成功之后，用电量大的器材，才能发展。而电器之普及，也才能实现。

五、法拉第定律与发电机：

公认的实验天才法拉第 (Michael Faraday, 1791-1867)是伦敦一位铁匠之子。少年时在一家书店做学徒。当时，皇家研究所（Royal Institute）的所长达维(Sir Humphrey Davy, 1778-1829) 为了教育大众(也为了争取经费)，举办了一系列的通俗演讲。法拉第去认真听讲，并做了完整的笔记，装订成册。以后他便以这一套笔记，受到达维赏识，被聘为皇家研究所的助理(1812)。不久，他在实验方面的才能，便显露出来，成为达维的得力助手。达维退休以后，他被任命为所长(1821)。

达维是电解专家(1807年发现了钠与钾)。法拉第早年是达维的助手，他对电解有很周密的研究。他发现了通电量与分解量有一定的关系，并且与被分解的元素之原子量有一定的关系。由此，可以大致导致两个结论：(1) 每个原子中有一定的电含量（以今日而言，是一定的电子数）。（2）原子在化合时，这些电量起了作用，而通电可使化合物分解。因此，牛顿寻求的分子中的化合之“力”，必与电有关。（此想法在1807年由达维提出，法拉第进一步加以验证，至今尚是正确的。）

法拉第少年失学，缺少科学方面的正式训练，这是他的缺点，但也可能是他的优点。他不长于数学，但有极强的“直感”。他在电与磁的直感的基础是“场”与“力线”概念。

牛顿的万有引力定律提出之初，受到很多质疑。其中之一是：很多人认为，两个相距遥远的物体，无所媒介，而相互牵引，是不可置信的（连牛顿本人对此也有所犹疑）。但是由于万有引力之大获成功，这种“超距力”的概念，不久便被普遍接受了。电磁学中的“库伦”、“安培”等力之观念，起始时亦是这种“超距力”。

在牛顿前一百年的英国人吉伯特(William Gilbert, 1540-1603)是伊利莎白一世的御医。他的一本“论磁”(De Magnete,1600) 是有系统地研究电磁现象的第一本书（大部份说磁，因其在当时比较有用），其重要性是扬弃了磁性之神秘色彩，以一种客观的自然现象来描述之。吉伯特之“论磁”中曾提出“力线”之观念。这就是说：磁性物质发出一种“力线”，其它磁性物质遇到了这“力线”便受到力之作用。这样就避过了“超距力”的“反直觉”。

(a)力线不断、不裂、不交叉打结，但可以有起头与终止。例如：电场之力线由正电荷发出，由负电荷接受。力线的数量与电荷之大小成正比。（磁场以“磁北极”为正，“磁南极”为负。）

(b)力线像有弹性的线，在空中互相排斥又尽量紧绷。其密度与施力之大小成正比。

(c)力线有方向性，电力线之方向是对正电荷之施力方向（负电受力方向相反），在磁力线是对“磁北极”之施力方向（“磁南极”受力方向相）。

法拉第则更进一步，提出了“场”的概念：空中任意一点，虽然空无一物，但有电场或磁场之存在，这种“场”可使带电或带磁之物质受力。而“力线”则是表现“场”的一种方式。但是，法拉第的“场”观念，当时也受到强烈的质疑与反对。最重要的理由是这观念不及“超距力”之精确。把“场”观念精确化，数学化的是后来的麦克斯威。

他对电磁学最重要的贡献是“电感”之发现。──有磁性的磁铁，可以使附近的无磁性的铁棒磁化。根据安培的发现，通了电流的筒状线圈的磁性与磁铁棒相同，实验上它也可以使其附近的无磁性的铁棒磁化。法拉第就想：是否也可以用通了电流的筒状线圈来引起其附近另一个筒状线圈中的电流？

他1824年开始做实验，起初找不到什么结果。直到1831年，他用了四百多英尺的电线做了两个互相套合的线圈，才在无意中发现：在第一线圈中的电流关掉的瞬间，第二线圈中有瞬间的电流产生，甚至冒火花。他继续研究，发现第一线圈中的电流有变化时，第二线圈中才有电流。而第一线圈中的电流变化越快，第二线圈中的电流越大。法拉第接着又发现，一个移动的磁铁或通了电流的筒状线圈，也可以使附近的线圈中，产生感应电流。──这就是电磁学中第三个最重要的“法拉第定律”。

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。

法拉第也知道他这发现的重要。发现之后，皇家研究所举办成果展览。英国财政大臣也来参观。看到助手们表演火花放电以娱伦敦民众，不太高兴，便问法拉第：你花了政府这么多钱，就为了表演？法拉第冷冷地回答了四个字：You will tax it!(你会有一天抽它的税)。

法拉第做了一辈子研究，退休时(1855)两袖清风，不知何去何从(当时没有退休金制度)。英维多利亚女皇则早准备了房子、终身俸及封爵，给他一个惊喜。法拉第接受了房子及终身俸，坚辞封爵。

但是，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。

美国人爱迪生(Thomas A. Edison, 1847-1931)号称“发明大王”，拥有（或共享）的专利，有1093项，至今无人打破纪录。其中包括电灯、录音、电影等等，对“电化世界”有决定性影响。1879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。但他在发电机的竞争上，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, 1846 -1914) 与特斯拉(Nicola Tesla, 1856 -1943, 也有700项专利，包括变压器、日光灯，交流电马达)。特斯拉年轻时从匈牙利移民美国，先在爱迪生手下做事，但他热心做交流电，与爱迪生不合，辞职后去挖沟。后来辗转被西屋雇用。1882年，特斯拉制成第一部交流发电机。他们对交流电机之发展，使“西屋公司”成为电机工业之百年重镇。

1896尼加拉瀑布水力发电开始。世界的电化，从此展开。但电磁学的故事，还没有完。

六、麦克斯威与无线电

与法拉第之实验天才对比，麦克斯威（James Clerk Maxwell, 1831-1879）则是长于数学的理论物理学家的典型。他生于苏格兰的一个小康之家。自幼便充份显示了数学之才能。他先在阿伯丁(Aberdeen)大学任教，以后转往剑桥。在物理中，今日麦克斯威之重要性，几可与牛顿、爱因斯坦等量齐观。但生前，麦克斯威并不受其故乡苏格兰之欢迎（爱丁堡大学不要他，死时亦未有公开之表扬）。他在剑桥大学则受到重用，出任Cavendish Laboratory的首任所长。

他在1855年，发表了“法拉第之力线”一文，受到将退休的法拉第的鼓励。1862年，他由理论推导出：电场变化时，也会感应出磁场。这与法拉第的电感定律相对而相成，合称“电磁交感”。此后他出版了“电磁场的动态理论”（A Dynamic Theory of Electromagnetic Field, 1867），“电磁论”(Treatise on Electricity and Magnetism, 1873)，其重要性可以与牛顿的“自然哲学的数学原理”相提并论。

通过了数学（主要是“向量分析”），麦克斯威写下了著名的“麦克斯威方程式”，不但完整而精确地描述了所有的已知电磁场之现象，而且有新的“预言”。其中最重要的是“电磁波”：

(1)由于“电磁交感”，故电磁场可以在真空中以“波”的形式传递。

(2)计算之结果，这波之速度与光速一致，故光是一种“可见的”电磁波。

(3)这种波亦携带能量、动量等，并且遵从守恒律。(1884波亭定理，英John Henry Poynting ,1852-1814是麦克斯威的学生，他推导出电磁场中的能量的流动关系式。)

“光是一种电磁波！”这句话现在是常识，在当年则骇人听闻。麦克斯威只靠纸上谈兵（数学运算），就做大胆宣言，也难怪当年根本不信有电磁波的人居多。但他自己却信心满满。有人告诉他有关的实验结果，不完全成功，他毫不在意。他有信心他的理论一定是对的。──以后的理论物理学家很多人就学了他这种态度。有一个物理学者(Dirac)的一个理论被实验证明是错的。他就抱怨：这么美的理论，上帝为什么不用？

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。他先把麦克斯威的电磁学改写成今天常见的形式(1884)。然后在1886-88年，做了一系列的实验，不但证明电磁波存在，而且与光有相同波速，并有反射、折射等现象，也对电磁波性质（波长、频率）定量测定。当然，也同时发展出发射、接收电磁波的方法。──这是所有“无线通讯”的始祖。──此时麦克斯威墓木已拱。

一般人都说无线电的发明人是意大利的马可尼(Guglielmo Marconi 1874- 1937，获1909年诺贝尔奖 )。俄国人则说是波波夫(Aleksandr Popov, 1859-1906, Univ. St. Petersburg)。但在推广实用上与影响力上，马可尼似乎领先一步。(特斯拉也有无线电的专利，但时间更晚。)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。

七、结语

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。

这套电磁理论，在物理学中，是与牛顿力学分庭抗礼的古典理论之一。如果以应用之广，经济价值之大而言，犹在牛顿力学之上。但也不能忘记，如果没有牛顿力学中力之概念，电磁学也发生不了。电磁学中的各定律，也无法理解。因此，普通物理中，也必然先教力学再教电磁照度计| 浓度计| 液位差计| 风速变送器| 环境检测仪| 转速变送器| 露点仪| 湿度计| 闪频仪/频闪仪| 。

力学与电磁学被称为“古典理论”有两层意思：(1)它可以自圆其说，没有内在的矛盾。(2)但是到了廿世纪量子理论确立后，它们被修改了。力学后来被修改为量子力学，电磁学被修改为量子电动力学。然而，在原子之外，这两个古典理论仍是非常精确，故理工学生仍然不得不学它们。

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。当然，并不是所有科学工作都有这样大的威力。也有些科学的成果令人不敢恭维（例如原子弹）。然而，科学有这样的可能，却是我们不得不重视科学研究的终极原因。