神探贝斯特- 第49部分

　　　　麦克斯韦方程组描述了电磁场普遍遵从的规律。它同物质的介质方程、洛仑兹力公式以及电荷守恒定律结合起来，原则上可以解决各种宏观电动力学问题。

　　　　根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是存在电磁波，变化的电磁场以电磁波的形式传播。电磁波在真空中的传播速度等于光速。这也说明光也是电磁波的一种，因此光的波动理论纳入了电磁理论的范畴。

　　　　电路

　　　　包括直流电路和交流电路的研究，是电学的组成部分。直流电路研究电流稳恒条件下的电路定律和性质；交流电路研究电流周期性变化条件下的电路定律和性质。

　　　　直流电路由导体（或导线）连结而成，导体有一定的电阻。稳恒条件下电流不随时间变化，电场亦不随时间变化。

　　　　根据稳恒时电场的性质、导电基本规律和电动势概念，可导出直流电路的各个实用定律：欧姆定律、基尔霍夫电路定律，以及一些解决复杂电路的有效而简便的定理：等效电源定理、叠加定理、倒易定理、对偶定理等，这些实用定律和定理构成电路计算的理论基础。

　　　　交流电路比直流电路复杂得多，电流随时间的变化引起空间电场和磁场的变化。因此存在电磁感应和位移电流，存在电磁波。

　　　　发展历史

　　　　琥珀和磁石

　　　　1。公元前的琥珀和磁石

　　　　古希腊七贤中有一位名叫泰勒斯的哲学家。公元前600年前后，泰勒斯看到当时的希腊人通过摩擦琥珀吸引羽毛，用磁钱矿石吸引铁片的现象。曾对其原因进行过一番思考。据说他的解释是：“万物皆有灵。磁吸铁，故磁有灵。”这里所说的“磁”就是磁铁矿石。希腊人把琥珀叫做“elektron”（与英文“电”同音）。

　　　　在东方，中国人民早在公元前2500年前后就已经具有天然的磁石知识。据《吕氏春秋》一书记载。中国在公元前1000年前后就已经有的指南针，他们在古代就已经用磁针来辨别方向了。

　　　　磁。静电

　　　　2。磁，静电

　　　　通常所说的摩擦起电。在公元前人们只知道它是一种现象。很长时间里，关于这一种现象的认识并没有进展。

　　　　而罗盘则在13世经就已经在航海中得到了应用。那时的罗盘是把加工成针形的磁铁矿石放在秸秆里，使之能浮在水面上。到了14世纪初，又制成了用绳子把磁针吊起来的航海罗盘。

　　　　这种罗盘在1492年哥伦布发现美洲新大陆以及1519年麦哲伦发现环绕地球一周的航线时发挥了重要的作用。

　　　　2。雷和静电

　　　　在公元前的中国，打雷被认为是神的行为。说是有五位司雷电的神仙，其长者称为雷祖，雷祖之下是雷公和电母。打雷就是雷公在天上敲大鼓，闪电就是电母用两面镜子把光射向下界。

　　　　到了亚里斯多德时代就已经比较科学了。认为雷的发生是由于大地上的水蒸气上升，形成雷雨云，雷雨云遇到冷空气凝缩而变成雷雨，同时伴随出现强光。

　　　　认为雷是静电而产生的是英国人沃尔，那是1708年的事。1748年，富兰克林基于同样的认识设计了避雷针。

　　　　1600年，英国物理学家吉伯发现，不仅琥珀和煤玉摩擦后能吸引轻小物体，而且相当多的物质经摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质，他注意到这些物质经摩擦后并不具备磁石那种指南北的性质。为了表明与磁性的不同，他采用琥珀的希腊字母拼音把这种性质称为“电的”。吉伯在实验过程中制作了第一只验电器，这是一根中心固定可转动的金属细棒，当与摩擦过的琥珀靠近时，金属细棒可转动指向琥珀。（。。）

261　物理学之电学　2（）　
大约在1660年，德国马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机。他用硫磺制成形如地球仪的可转动球体，用干燥的手掌摩擦转动球体，使之获得电。盖利克的摩擦起电机经过不断改进，在静电实验研究中起着重要的作用，直到19世纪霍耳茨和推普勒分别发明感应起电机后才被取代。

　　　　18世纪电的研究迅速发展起来。1729年，英国的格雷在研究琥珀的电效应是否可传递给其他物体时发现导体和绝缘体的区别：金属可导电，丝绸不导电，并且他第一次使人体带电。格雷的实验引起法国迪费的注意。1733年迪费发现绝缘起来的金属也可摩擦起电，因此他得出所有物体都可摩擦起电的结论。他把玻璃上产生的电叫做“玻璃的”，琥珀上产生的电与树脂产生的相同，叫做“树脂的”。他得到：带相同电的物体互相排斥；带不同电的物体彼此吸引。

　　　　1745年，荷兰莱顿的穆申布鲁克发明了能保存电的莱顿瓶。莱顿瓶的发明为电的进一步研究提供了条件，它对于电知识的传播起到了重要的作用。

　　　　差不多同时，美国的富兰克林做了许多有意义的工作，使得人们对电的认识更加丰富。1747年他根据实验提出：在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素；电跟流体一样，摩擦的作用可以使它从一物体转移到另一物体，但不能创造；任何孤立物体的电总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒定律。他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电。物体失去电而不足的部分叫做带负电。

　　　　严格地说，这种关于电的一元流体理论在今天看来并不正确。但他所使用的正电和负电的术语至今仍被采用，他还观察到导体的尖端更易于放电等。早在1749年。他就注意到雷闪与放电有许多相同之处，1752年他通过在雷雨天气将风筝放入云层，来进行雷击实验，证明了雷闪就是放电现象。在这个实验中最幸运的是富兰克林居然没有被电死，因为这是一个危险的实验，后来有人重复这种实验时遭电击身亡。富兰克林还建议用避雷针来防护建筑物免遭雷击，1745年首先由狄维斯实现，这大概是电的第一个实际应用。

　　　　富兰克林联想到往莱顿瓶里蓄电的事，于1752年6月做了一个把风筝放到雷雨云里去的实验。其结果。发现了雷雨云有时带正电有时带负电的现象。这个风筝实验很有名，许多科学家都很感兴趣，也跟着做。1753年7月，俄罗斯科学家利赫曼在实验中不幸遭电击身亡。

　　　　通过用各种金属进行实验，意大利帕维亚大学教授伏打证明了锌，铅，锡，铁，铜。银，金，石墨是个金属电压系列，当这个系列中的两种金属相互接触时。系列中排在前面的金属带正电，排在后面的金属带负电。他把铜和锌做为两个电极置于稀硫酸中，从而发明了伏打电池。电压的单位“伏特”就是以他的名字命名的。

　　　　19世纪初。正是法国大革命后进入拿破仑时代。拿破仑从意大利归来，在1801年把伏打召到巴黎。让他做电实验，伏打也因此获得了拿破仑授予的金质奖章和莱吉诺…多诺尔勋章。

　　　　3。伏打电池的利用与电磁学的发展

　　　　伏打电池发明之后。各国利用这种电池进行了各种各样的实验和研究。德国进行了电解水的研究，英国化学家戴维把2000个伏打电池连在一起，进行了电弧放电实验。戴维的实验是在正负电极上安装木炭，通过调整电极间距离使之产生放电而发出强光，这就是电用于照明的开始。

　　　　1820年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯特在一篇论文中公布了他的一个发现：在与伏打电池连接了的导线旁边放一个磁针，磁针马上就发生偏转。

　　　　俄罗斯的西林格读了这篇论文，他把线圈和磁针组合在一起，发明了电报机（1831年），这可说是电报的开始。

　　　　其后，法国的安培发现了关于电流周围产生的磁场方向问题的安培定律（1820年），法拉第发现了划时代的电磁感应现象（1831年），电磁学得到了飞速发展。

　　　　另一方面，关于电路的研究也在发展。欧姆发现了关于电阻的欧姆定律（1826年），基尔霍夫发现了关于电路网络的定律（1849年），从而确立了电工学。

　　　　有线通信

　　　　3。有线通信的历史

　　　　有人说科学技术是由于军事方面的需要而发展起来的，这种说法有一定的历史事实根据。

　　　　英国害怕拿破仑进攻，曾用桁架式通信机向自己的部队进报法**队的动向。瑞典，德国，俄罗斯等国家也以军事为目的，架设了由这类通信机组成的通信网，据说都曾投入了庞大的预算。

　　　　将这种通信机改造成电通信方式的构想大概就是有线通信的开始。

　　　　（1）有线通信的原理

　　　　除了将前面所讲到的西林所发明的电磁式电报机以外，还有德国的简梅林发明的电化学式电报机，高斯和韦伯（德国）的电报机，库克和惠斯能（英国）的5针式电报机等。电报机的形式也是各种各样的，有音响式，印刷式，指针式，钟铃式等。其中，库克和惠斯通的5针式电报机最为有名。1837年，这种电报机曾通过架设在伦敦与西德雷顿之间长达20公里的5根电线而投入实际使用。

　　　　2。莫尔斯电报机

　　　　1837年，莫尔斯电报机在美国研制成功，发明人就是以莫尔斯电码而闻名的莫尔斯。莫尔斯电码是一种以点，划来编码的信号。

　　　　莫尔斯本来是想当一名画家，他为此在伦敦留学。1815年，他在回美国的船上听了波士顿大学教授杰克逊关于电报的一席谈话，萌发了莫尔斯电码和电报机的构想。为了铺设电报线，莫尔斯成立了电磁…电报公司，并于1846年在纽约…波士顿，费城…匹兹堡，多伦多…布法罗…纽约之间开通了电报业务。

　　　　莫尔斯的事业获得了极大成功，于是就在美国各地创办电报公司，电报业务逐渐扩大起来。

　　　　1846年，莫尔斯电报机装上了音响收报机，使用也更加方便。（。。）

263　物理学之电学　3（）　
3。电话和交换机

　　　　1876年2月14日，美国的两位发明家贝尔和格雷分别递交了电话机专利的申请，贝尔的申请书比格雷的申请书早两个小时到达，因而贝尔得到了专利权。

　　　　1878年，贝尔成立了电话公司，制造电话机，全力发展电话事业。

　　　　从发展电话业务开始，交换机就担负着重要的任务。1877年前后的交换机称为传票式交换机，话务员收到通话请求，很把传票交给另一位话务员。

　　　　其后，经过反复改进，开发出了框图式交换机，进而又开发出了自动交换方式（1879年）。

　　　　1891年，史端乔式自动交换机研制成功。至此，自动交换的愿望就算实现了。之后研究仍在继续，又经过了几个阶段才达到现在的电子交换机。

　　　　海底通信电缆

　　　　4。海底通信电缆

　　　　陆上通信网日渐完备，人们开始考虑在海底敷设通信电缆来实现跨海国家之间的通信。1840年前后，惠斯通就已经考虑到了海底电缆的问题。

　　　　海底电缆有很多问题需要解决，电缆的机械强度，绝缘及敷设方法都陆上电缆不同。

　　　　1845年，英吉利海峡海底电报公司成立，开始了从英国到加拿大并跨过多佛尔海峡到达法国的海底电缆敷设工程。

　　　　海底电缆敷设中碰到了电缆断裂等大难题，但敷设诲底电缆是时代的要求，各国都为此投稿了力量。

　　　　1851年。最早的加来…多佛尔海底电缆敷设完毕，成功地实现了通信。以此为契机。欧洲周边和美洲东部周边也敷设了许多电缆。

　　　　现在，世界上的大海里遍布着电缆。供通信使用。

　　　　4。无线通信的历史

　　　　世界上任何一个地区的信息都能显示在电视机上，这种方便是电波带给我们的。

　　　　最早的电波实验是德国的赫兹在1888年进行的。通过实验，赫兹弄清了电波和光一样，具有直线传播，反射和折射现象。

　　　　频率的单位赫兹就是来自他的名字。

　　　　1。马可尼的无线电装置

　　　　在杂志上读到过赫兹实验文章的意大利人马可尼，在1895年研制出了最早的无线电装置，利用这一装置在相隔大约3公里远的距离之间进行了莫尔斯电码通信实验。他想到了要把无线通信企业化，就成立了一个无线电报与信号公司。

　　　　尽管马可尼在无线通信领域获得了诸多成功，但由于与海底电缆公司的利益相冲突。他想在纽芬兰设立无线电报局的事遭到了反对，马可尼的反对者还不在少数。

　　　　2。高频波的产生

　　　　要实现无线通信，首先要产生稳定的高频电磁波。

　　　　达德尔采用由线圈和电容器构成的电路产生出了高频信号，但频率还不到50khz，电流也只有2~3a，比较小。

　　　　1903年，荷兰的包鲁森利用酒精蒸气电弧放电产生出了1mhz的高频波，彼得森又对其进行了改进，制成了输出功率达到1k装置。

　　　　其后。德国设计出了机械式高频发生装置，美国的斯特拉和费森登，德国的戈尔德施米特等人开发出了用高频交流机产生高频波的方法等，很多科学家和工程师都曾致力于高频波发生器的研究。

　　　　3。无线电话

　　　　如果传送的不是莫尔斯信号而是人的语言。那就需要有运载有信号的载波。载波必须是高频波。

　　　　1906年，美国通用电气（ge）公司的亚历山德森制成了80khz的高频信号发生装置，首次成功地进行了无线电话的实验。

　　　　用无线电话传送语音。并且要收听它，这就需要有用于发送的高频信号发生装置和用于接收的检波器。费森登设计了一种多差式接收装置。并于1913年试验成功。

　　　　达德尔设计出了以包鲁森电弧发送器为发送装置，以电解检波器为接收装置的受话器方式。在当时。由于都是采用火花振荡器，所以噪声很大，实验阶段可说是成功了，但离实用化还很远。

　　　　要想使产生的电波稳定，接收到的噪声小，还得等待电子管的出现。

　　　　4。二极管和三极管

　　　　1903年，爱迪生发现从电灯泡的热丝上飞溅出来的电子把灯泡的一部分都熏黑了，这种现象被称为爱迪生效应。

　　　　1904年，弗莱明从爱迪生效应得到启发，造出二极管，用它来进行检波。

　　　　1907年，美国的d。福雷斯特在二极管的阳极和阴极之间又加了一个叫做栅极的电极，发明了三极管。

　　　　这种三极管既可以用于放大信号电压，也可以配以适当的反馈电路产生稳定的高频信号，可说是一个划时代的电路元件。

　　　　三极管经过进一步的改进，能够产生短波，超短波等高频信号。此外，三极管具有能控制电子流的功能，随后出现的阴极射线管和示波器与此有密切的关系。

　　　　5。电池的历史

　　　　1790年，伽伐尼根据解剖青蛙实验提出了“动物电”，以此为开端，伏打发现了两种金属接触就有电产生的规律，可以说这就是电池的起源。

　　　　1799年，伏打在铜和锌之间夹入一层浸透盐水的纸，再把它们一层一层地迭起来，制成了“伏打电堆”。“电堆”的意思就是指把许多单个电池单元高高地堆在一起。

　　　　1。一次电池

　　　　一次电池放完电后不能再用的电池称为一次电池。伏打对伏电电堆做了改进，制成了伏打电池。

　　　　1836年，英国人丹尼尔在陶瓷桶里放入阳极和氧化剂，制成了丹尼尔电池。与伏打电池相比，丹尼尔电池能长时间提供电流。

　　　　1868年，法国的勒克朗谢公布了勒克朗谢电池，1885年（明治18年）日本的尾井先藏发明了尾井乾电池。尾井乾电池是一种把