古代电磁学知识
我国是用文字记载电磁现象最早的国家之一。早在公元前16世纪～公元前15世纪，殷商时代的甲骨文字中就有“雷”字；西周时代的青铜器上发现刻有“电”字。西汉末年，《春秋纬·考异邮》中有“玳瑁吸”的记载，它告诉人们经过摩擦的玳瑁，能够吸引微小的物体。东汉王充已把顿牟被摩擦后可以吸引微小物体，与磁石吸引针的现象同时提出，这说明当时对这两种吸引现象引起了同样重视。在《三国志·吴书》中，曾有这样的说法：“琥珀不取腐芥，磁石不受曲针”，这就是说，腐烂的芥草不被摩擦过的琥珀吸引，比较柔软易于弯曲的金属也不被磁石吸引。这个发现说明当时已经初步可以分清哪些物质可以被吸引，哪些物质不被吸引。晋代张华曾发现用梳子梳理头发和解脱丝绸毛料衣服时的起电现象。明代的都邛在《三余赘笔》中，曾记述了一种丝绸摩擦起电现象，“吴绫出火。吴绫为裳，暗室中力持曳，以手摩之良久，火星直出。”
号称古希腊七贤之一的泰勒斯在公元前600年左右，发现摩擦过的琥珀可以吸引轻小的干草叶。琥珀是一种矿物化的黄色树胶，在古代用于装饰，琥珀和金子一样发亮，因此当时被称为“琥珀金”，后来则称为“琥珀电”。古罗马自然哲学家普林尼（Pliny，公元23年～79年）曾讲了两个传说：其一是说牧羊人玛格内斯在克里特岛的艾达山上时，他的鞋被山石所吸，以至于很难行走；另一个是说，有一座沿海的磁山，它可以使驶向它的船四分五裂，原因是钉在船上的钉子，在磁山的吸引力作用下被拔掉了。这些传说证明西方古代也是很早就发现了磁现象。据说磁石这个词，是古罗马自然哲学家和诗人卢克莱修从磁铁矿的产地，小亚细亚的地名Magnesia得来的。
为什么会产生前面所叙述的这种吸引现象，古代人曾试图给予解释。在《论衡·乱龙篇》中这样写道：“他类有似，不能掇取者何也？气性异殊，不能相感动也。”这就是说，琥珀和磁石为什么对有些类似的东西，不能产生吸引的效果呢？是由于气性不同，不能互相感应的缘故。东晋郭璞在《山海经图赞》中也有类似的解释，其中写道：“磁石吸铁，玳瑁取芥，气有潜通，数有冥合。”西汉刘安（公元前200年～公元前122年）等人著的《淮南子》中，对雷、电作如下的解释：“电激气也”，“阴阳相薄为雷，激扬为电。”这就是说，当时把雷看做是阴阳相互作用的产物，把电则看做是激发的气。这种看法，是比较接近几百年后的近代关于电的学说的。
卢克莱修在他的《物的本性》长诗中，对磁石吸铁现象作了这样的解释：从磁石中发射出一种看不见的细小微粒，这种微粒通过空气进入铁中，从而引起磁石与铁的相互吸引现象的发生。宋代的陈显微在《古文参同契笺注集解》中，对磁石吸铁有过这样的解释：“磁石吸铁，皆阴阳相感，阻碍相通之理……”这就是说，磁石吸铁也是由阴阳相互感应引起的。
由此可见，古代对电与磁的吸引现象的产生有两种解释：一种是阴阳感应作用引起的；一种是“气”或“微粒”的作用引起的。
磁石吸铁现象，在指南针发明前就有各种应用的记载，如《水经注》等书中，提到秦始皇为了防备刺客行刺，就曾经用磁石建造阿房宫的北阙门，以阻止身带刀剑的刺客入内。此外医书上还谈到用磁石吸铁的作用，来治疗吞针。
把磁石利用在指向上，是在发现地磁场对磁石作用之后，并且经历了3个发展阶段最后制成了指南针。
最早指南的磁石，叫做司南，它是由磁石制成一种勺状的物体，把它放在光滑的圆盘上，勺底（球形）与盘接触，勺柄作为指向用。东汉王充在《论衡》中，对司南作了比较详细的描述。他写道：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”这就是说，把勺状的磁石，放在刻有表示方位的铜盘上，它的柄停止在指南方向上。虽然司南只是天然磁石的利用，它的灵敏度是很低的，但是它却给人以启示：有一种地磁存在，利用磁石可以指向。
北宋时期，已经可以用人工的方法制造一种新的指向仪器，这就是指南鱼。它的制作过程，有个重大的突破，就是采用磁化的方法。制作过程可分为两步，第一步是使鱼形铁加热，达到700℃左右变成顺磁体；第二步再把鱼尾对正子位（北方）进行蘸水，使鱼磁化，成为一个指向仪器。
关于指南针的制造和安装方法，最早出现在北宋沈括（1035年～1095年）的《梦溪笔谈》的第24卷《杂志一》中。其中对指南针的制造有这样的记载：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。”这说明沈括不仅发现了针状的指南仪器，而且也发现地磁场的南北极与地球的南北方向并不完全一致。此外，沈括还提出了四种简单的指南仪器的结构。第一种是水浮法，就是将指南针穿在几节灯芯草上，并使它浮在水面指示方向。这就是后来常用的在远海航行中曾使用过的水浮磁针仪器。第二种是指旋法，就是将指南针放在拇指的指甲上，经适当的转动而指示方向。第三种是碗唇法，就是把磁针放在碗沿上，待磁针停稳后以指示方向。第四种方法是丝悬法，就是用芥子那样大小的一滴蜡粘接一根蚕丝，并把磁针用丝缕悬挂起来，以指示方向。这种丝悬法最接近近代的各种指示仪器的方法。对这四种方法，沈括自己有一个评价，他认为前三种方法都有明显的缺点，唯独丝悬法最好。
沈括所记载的几种方法都没有方位盘。不久磁针与方位盘结合起来，使指南针的发展进入一个新阶段。罗盘的出现为航海提供了一个可靠而方便的指向仪器。最早在我国出现了水罗盘。南宋朱继芳的航海诗中就有：“沈石寻孤屿，浮针辨四维”的诗句。后来，我国指南针传入欧洲之后，西方制成了旱罗盘，罗盘的磁针支在一个固定的钉尖上，可以自由转动，而钉盘就是刻有方位的方向盘。到了16世纪，欧洲出现了航海罗盘，这种罗盘的结构，增加了两个铜圈组成的常平架，小铜圈正好内切于大铜圈，并且由曲枢轴把它们联接起来，然后再把它们安放在一个固定支架上。
指南针的发明，不仅为航海提供了一个非常准确的指向仪器，而且也为研究地磁三要素创造了条件。
沈括在《梦溪笔谈》中记载了磁针的南北指向与地球的南北方向并不完全一致，这就是说存在着一个磁偏角。但是这个偏角多大，当时并没有进行定量的研究。美洲大陆的发现者，意大利的航海家哥伦布于1492年在海上航行时，发现罗盘上的指针并不是指向北极星，而是向西偏5～6度。在陆地上最早对磁偏角进行定量测定的，是德国天体物理学家哈特曼，他在1544年3月4日给友人的一封信中指出：“磁针指北端稍向东偏9度左右，并且还发现磁针并不保持水平，其中一端向下倾斜。”他在信中向友人表示，磁针向下方倾斜的原因还不十分清楚。
磁倾角的大小，是由罗盘制造者、英国地质学家罗伯特·诺曼测定的。他在1581年出版的《新奇的吸引力》小册子中，介绍了他实验的结果。他自制了一个简易的磁倾角测试仪，并于1576年测得伦敦的磁倾角为71°50′。他还发现悬浮在水面上的穿在软木上的磁针，尽管方向上发生偏转，但只是在原位置，并不产生移动。于是，他断定使磁针发生偏转的力，不是移动力而是一种定向力。即我们现在所说的力矩。
对地磁的另一个要素——强度的测定要稍晚些，是由法国天文学家和数学家博达于1776年利用磁针振动法测得的。
静电的奥妙
物体经过摩擦以后能够吸引轻小物体的现象叫做摩擦起电，带了电的物体叫做带电体。任何两种物体摩擦，都可以起电。你可以做一个实验：把一根干燥的细长圆木棍搁在椅背上，使它处于平衡状态。然后拿一张干燥的报纸平铺在门板上，用干燥的手心（也可以用干燥的刷子）在报纸上来回地刷。刷一阵子以后，报纸像刷了浆糊那样地贴在门板上了。揭下报纸，挨近木棍，报纸就把木棍吸了过来。慢慢移动报纸，木棍也跟着转动。这是经过摩擦的报纸带了电的缘故。
你可能会有疑问，所有物体都能摩擦起电的说法不对。一手拿金属棒，一手用丝绸去摩擦，金属棒就没有起电，不能吸引轻小物体。但是，如果戴上干燥的橡皮手套重做这一实验，金属棒一定会带电。这是为什么呢？原来，金属棒、人体和大地会传递电荷，摩擦产生的电荷被迅速传到大地上；而橡皮不会传递电荷，因此在后一种情况下，金属棒就带电了。
容易传递电荷的物体，像金属、碳、大地、人体、各种酸、碱、盐的水溶液等，叫做导体；不容易传递电荷的物体，像琥珀、橡胶、玻璃、石蜡、塑料、纸、油类、干木材、空气等，叫做绝缘体。当然，导体和绝缘体之间也没有绝对的界限。随着条件的改变，绝缘体的导电能力也会增强，甚至变成导体。比如木材湿了，玻璃加热到红热的程度，就都变成导体了。
物体摩擦可以起电，这电从哪里来的？为了寻找问题的答案，美国科学家富兰克林在18世纪中叶做了下面的著名实验。
甲乙两人并立在和地面绝缘的蜡板上，丙直接站在地上。开始，甲用手摩擦玻璃管，使玻璃管带电。然后乙用手指接触甲手里的玻璃管，乙身上也带了电。最后，甲乙两人分别同丙接触，结果在接触的时候都出现了电火花。但是，如果乙和甲手里带电的玻璃管接触之后，又和甲的身体接触，那么他们分别接触丙的时候，就都没有火花产生。为什么呢？富兰克林解释说，甲乙丙三人所带的电本来处于正常状态，因为摩擦使甲身上的一部分电转移到玻璃管上，乙接触玻璃管的时候电就转移到乙身上。这样一来，甲身上的电减少了，乙身上的电变多了。因此当他们分别接触电量处于正常状态的丙的时候，就产生了电火花，使三者所带的电重新处于正常状态。如果乙接触玻璃管以后又接触甲，电就会在他们之间流通，使甲乙达到摩擦以前的正常状态，因此甲乙接触丙的时候就不会有电火花。
富兰克林认为，电不是摩擦“创造”出来的，只是从一个物体转移到另一个物体，并且在任何一个绝缘体系里总电量是不会变化的，这是电荷守恒定律的最早表述。在这次实验中，富兰克林首创了用“-e”表示甲身上的电荷，用“＋e”表示乙身上的电荷。这是电学史上第一次用数学上的正负概念来说明两种电荷的性质。
过去，人们只知道有“玻璃电”、“橡胶电”、“松香电”等，自从富兰克林提出正电、负电以后，人们发现，无论哪一种电都可以归结为正电或者负电。于是就规定，和用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电相同的叫做正电，和用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电相同的叫做负电。
后来建立起来的电子论，完全证明了富兰克林假设的正确。电子论认为，任何物体都由原子构成。原子由带正电的原子核和带负电的绕核转动的电子所组成。由于正负电量相等，在通常情况下，原子不显电性，整个物体也是中性的。原子核里的正电数量很难改变，而核外电子的数目却不难改变。物体失去一些电子，它就带正电；得到额外的电子，它就带负电。
两个物体互相摩擦，其中必定有一个失去一些电子，另一个得到额外的电子。摩擦起电不是创造了电，只是把正负电荷分开，使电子从一个物体转移到另一个物体上。比如用丝绸摩擦玻璃棒，就是把玻璃棒上的一部分正负电荷分开，使电子转移到丝绸上，玻璃棒失去电子就带正电，丝绸得到电子就带等量的负电。
让两个带等量异种电荷的物体互相接触，如果带负电的物体把额外的电子完全传给带正电的物体，两个物体就都恢复到不带电状态。这种现象叫做正负电荷中和。如果让两个带异种电荷的物体靠近，在它们之间就会发生火花，同时发出劈劈啪啪的响声，这是一种放电现象。当你从身上脱下毛衣和头发相擦的时候，会听到细微的爆裂声；如果在黑暗中，还可见到点点闪光。这是摩擦产生的电在你身上形成的现象，通过放电正负电荷得到了中和。
带电体之间相互作用的情况是怎样的呢？先做一个有趣的实验：把半张干燥的报纸剪成十几个窄条，每条都不剪到头，使它们的上部仍旧连着。然后把剪过的报纸铺在门板上，用一只手按住上部，另一只手在纸条上来回刷一阵子。取下报纸，手捏住报纸上部，围成圆圈。这时，这些纸条不是竖直下垂，而是向四周散开，好像一条张开的“裙子”。假如你用带负电的橡胶棒从下面伸进“裙筒”，“裙子”张得更开了；如果用带正电的玻璃棒从下面伸进“裙筒”，还没等伸进去，纸条立刻都聚拢到玻璃棒上，经过摩擦的纸条带上了负电，就张成“裙子”，这是负电荷相互作用的结果。实验证明，带同种电荷的物体互相排斥，带异种电荷的物体互相吸引。带电体所特有的这种相互作用性质，简单叫做同性相斥、异性相吸。
带电体之间相互作用力的大小，最早是在1785年，由法国物理学家库仑利用库仑扭秤测出的，他从中总结出了两个点电荷之间的相互作用定律。当带电体的大小比带电体之间距离小得多的时候，这些带电体就可以看成是点电荷，就是电荷好像集中在一个点上。
库仑指出，两个点电荷之间的相互作用力，跟它们所带的电量乘积成正比，跟它们之间的距离平方成反比，作用力的方向在这两个点电荷的连线上。点电荷用q1、q2表示，距离用r表示，写成公式是：F＝k（q1q2／r2）这就是库仑定律，力F称做库仑力，k是一个和单位选定有关的比例常数。电荷同号的时候，库仑力是正的，表示排斥；电荷异号的时候，库仑力是负的，表示吸引。
电荷之间的这种相互作用是怎样产生的呢？原先人们都以为它是用无限大的速度在两个带电体之间直接传递的，叫做“超距作用”。后来，法拉第认为，电荷之间的相互作用不是直接传递，而是通过中间媒质用有限的速度传递的。这种相互作用叫做“媒递作用”，是电场概念的起源。
电场是一种特殊的物质。在电荷周围，总存在着电场；正是通过电场，才对场中其他电荷发生力的作用。静止电荷周围形成的电场，称做静电场。静电场对场中静止电荷的作用力叫做静电力，也就是库仑力。
