科学技术史-2.3经典物理学的全面发展(图文教程)

第三节 经典物理学的全面发展

物理学是自然科学最重要的基础学科之一。经典物理学所研究的范围包括力学、光学、热学、分子物理学、磁学、电学等许多分支。至18世纪，只有经典力学已趋成熟，几何光学也有了一些轮廓，其他分支则还未成形，基本上还得从收集事实、积累材料做起。到19世纪，经典物理学各分支便都有了巨大的进展，整个经典物理学体系逐渐形成。经典物理学的许多成果转化为前所未有的技术，深入到生产、生活各个领域，迅速地改变了整个人类社会的面貌，表现出了科学的巨大威力。

1. 光学的进展

古希腊时期已知道光的直进和反射规律；托勒密在光折射实验基础上提出入射角与折射角成正比的思想；而关于视觉的本质，伊壁鸠鲁和亚里士多德等提出过一些哲学猜测。中世纪伟大的数学家、天文学家伊本·海赛姆用实验测定了折射率。但总的来说，古代与中世纪的光学知识是极其有限的。因此近代光学基本是从零开始的。

开普勒是近代光学的奠基人，其地位如伽利略之于力学和吉尔伯特之于磁学。他在1611年出版的《屈光学》中解释了荷兰望远镜或伽利略望远镜及显微镜所涉及的光学原理，并提出了改良望远镜的建议，他的建议在近代导致远距照相透镜组合的发明。开普勒第一次明确提出光度学基本定律，即光强与离光源的距离平方成反比地变化。他还研究了球面像差一类复杂现象，为巴罗等后人的几何光学研究提供了基础。关于视觉理论，他还提出视网膜上的成像本身不构成整个视觉行为的正确思想。他对折射规律的研究虽方法正确但未获成功。

第一位提出精确的折射定律的是荷兰人斯涅尔(W．Sncll，1591—1626)。根据他于1621年的结果，可容易地推出现代形式的折射定律：

不过是笛卡儿于1637年第——个发表了折射定律，并尝试给它一个物理证明，但是否与斯涅尔独立地发现该定律则尚存疑问。在发表有关折射定律的这本《屈光学》中，笛卡儿还提出丁关于光的本性的微粒假说。他在《气象学》中对虹霓理论的研究成为牛顿对虹霓解释的前提。

关于光的本性的波动说，在达·芬奇的著作和伽利略书信中已有迹象。但正式认真地提出光具有周期性的是意大利数学家格里马力迪(F．F．Grimaldi，1618—1663)。他从波动观点出发解释了似乎同光的直线传播定律相悖的衍射现象。他还指出，颜色的不同乃是眼睛受到速度不同的光振动刺激的结果，这个思想对后来的光学发展具有根本性意义。他的光学著作，在他死后两年被发表。在同一年(1665)，胡克的科学著作《显微术》问世，其中光学部分对多种透明薄膜的闪光颜色现象进行了实验和理论的探讨。他注意到，在一定的厚度范围内，云母薄片里会出现虹霓的色彩，不同厚度的部位颜色不同。虽然他未能确定厚度与颜色之间的精确关系，却为牛顿对“牛顿环”现象的研究奠定厂基础。胡克认为光是一种振动，发光体的每—次振动或脉动必将以球面向外传播。不过，比较系统地提出光的波动理论的还是荷兰物理学家惠更斯(1629～1695)。他认为，构成一个发光体的微粒把脉冲传送给邻近的 种弥漫媒质的微粒，每个受激微粒都变成一个球形子波(即次波)的中心。这就是1678年提出的著名的惠更斯原理。用微分几何的语言来表述，即：波阵面所及的任意点均可看做是新的次波源(即子波中心)，而新的波阵面则是所有次波源向外发出的半球面次波的包迹。

牛顿在大学时期就对光学有浓厚兴趣，为了制造一种能消除色差的望远镜而开始研究颜色理沦。1 672年在《哲学学报》上发表的他对色散现象的研究成果，是他第一次公开发表的科学论文。他对色散的解释立即引起他与胡克等人的争论。牛顿最初吸取了胡克的波动思想，倾向于把微粒说和波动说结合起来，1675年他提出弹性以太的思想以解决微粒说的困难。但他拒绝纯粹的波动理论。而在1704年他的《光学》中，牛顿则彻底主张光的微粒假说。由于他在科学界的巨大影响，而使惠更斯提出的较系统的波动说被埋没百年之久，以致整个18世纪光学处于停顿状态。直至1 9世纪初由于偏振、于涉等现象的发现和研究，才使波动说占据了统治地位。

3.2 热学的成就

在近代，对热现象的研究是从测量“热度”开始的。在科学地定义温度概念以前，人们往往将温度的变化和物体所含热量的多少混为——谈，均用“热度”来表示。为了能精确地测量热度，许多科学家都致力于温度计的研制。我们在伽利略时代的测温器中看到了温度汁的原始形式，与之相比较，法国的吉永·阿蒙顿大约在1700年发明的空气温度计，是一个相当大的进步。德国人丹尼尔·加比尔·华伦海特(Daniel Gabriel Fahrenheit．1686—1736)是华氏温度计的制造者。以水的冰点和沸点作为固定点的百分温标，是1742年由瑞典人安德斯·摄尔絮斯(AndersCelsius，1701—1744)采用的。至于在0和100之间插入数值的精确性问题，1 9世纪才被提出和加以研究。

直到18世纪，自然科学才区分开热量和温度；而“冷”这个术语，直到19世纪才从科学的词汇中最后消失。力学已经达到能够计算行星运动的阶段时热学理论仍然处在原始的水平。对于热的本质问题，整个17世纪相当普遍地认为是由物体的最小粒子的运动而形成的。培根在《新工具》中正确地指出：“热是向外扩张而又受了限制的一种运动，热的精英和本质就是运动，并不是别的。”约翰·洛克也说明：“热是物体中各部分难以察觉的非常活泼的搅动，我们所感觉的热，除了物体中的运动以外，别无其他。”，这个热的概念是非常现代化的但又是思辨的，因此不难理解它为什么会在18世纪被热质说所代替。

在对热现象进行大量研究的基础上，英国化学家布莱克等人提出了热质(素)说。这种学说认为：热是一种流体，它可以渗透到物体中去并在热交换中从一个物体流向另一个物体；加热就是给一定物体增加热质，而冷却则是从该物体放出热质；尽管在热交换前后，物体中的含量有所改变，但它们的总量是守恒的。

热质说能解释许多已知的热现象，因而在18世纪成为一种主流的理论，它的确立和当时的科学发展水平和机械自然观有很大的关系。直到19世纪，热质说才让位于热是能的一种形式的观念。

今天已成为热力学的基本课题—一热的定量测定，直到19世纪才开始。苏格兰的约瑟夫·布莱克(JosephBlack，1728—1799)在温度和热量之间，画出一条明显的界限；他引入了卡路里、比热、热容量、熔解热和潜热等术语。他的研究是按照热质说进行的，并使热质说几乎得到完全普遍的承认。与此同时，热的唯动说还没有完全被放弃。丹尼尔。伯努利(Danier Bernouli，1700—1782)的《流体动力学》(1738)与当时流行的观点相反，它把热归结为分子的相互排斥。他利用数学推理，成功地推导了波义耳和马略特定律，论证了压强和分子速度的平方成比例，证实了阿蒙顿实验：当密闭的定量气体的温度增加某—数值时，气体压强的增加和密度成比例。可是当时热质说占优势，拥护者中包括权威拉瓦锡，他甚至把卡路里纳入化学元素表。拉瓦锡、皮埃尔·西蒙和拉普拉斯由于用冰量热器进行测量，从而对量热术作出了贡献。

18世纪末，美国人本杰明·汤姆逊即伦福德(Bejamin Thomp—son，即Rumford，1753—1814)批判了热质说。为此，他对摩擦所产生的热量进行了广泛的测量。焦耳从这些测量数据中，推导出热功当量的数值。伦福德证明，加热金属球时，其重量不变。他推论，如果热全然是一种物质，那么无论如何，它必是没有重量的一种物质。汉弗莱·戴维支持伦福德对热质说的批判，他认为热素是不存在的，热现象的直接原因是运动。

直至19世纪前10年，热质说和热的唯动说的争论仍未停止，热质说仍占优势。提出“卡诺循环”概念的卡诺在研究热机效率问题时还用热素的撞击来解释热机的运转。但后来(1S27—1830年左右)他终于放弃了热质论，认为热是动力(能量)，是改变丁形式的运动。直至克劳修斯证明理想气体的绝对温度是由分子的平均动能所决定，焦耳确立了热功当量，以及能量守恒与转化定律的提出，才牢固地确立了热的唯动说。

能量守恒与转化定律的确立 古人已经有过运动不灭的猜测。18世纪末叶以来，人们相继发现了许多不同物质运动形式相互转化的事例。人们早就知道摩擦这样的机械运动可以转化为热运动，而蒸汽技术则是把热运动转化为机械运动的实际应用。1800年人们发现电解水可以得到氢和氧，知道了电运动可以产生化学变化；同年发明的伏打电堆(一种原始电池)又表明化学变化能够产生电。1805年人们知道了电流经过导体会产生热，1821年德国人塞贝克(Thomas Johann seebeck，1770～1831，制成了温差电偶，又说明热可以转化为电。摩擦(机械运动)生电的现象是人们早就知道了的,1820年人们又知道电和磁可以相互转化,次年更知道了电与磁的联合作用能够产生机械运动。这一切都表明过去看起来似乎是各不相关的、不同的物质运动形式之间必定存在着某种内在联系。经过一大批科学家的努力，作为自然科学的基石之一的能量守恒与转化定律终于确立。

1842年德国医生迈尔（Julius Robert Mayer,1814～1878）发表论文指出，“力是不灭的、可转变的和不可称量的东西。”他是力图找到机械功与热能在量上的对应关系——热功当量的第一人。经过多年的努力，他利用别人的实验数据，经过计算先后得出两个数值。他的数据虽然都不大准确，但有开创性的意义。可是，他以哲学推理为主的研究方式不受科学家们的欢迎，他的成果没有得到科学界的承认。遭到冷落的迈尔痛苦万分，甚至愤而自杀，幸而未死，后来又曾被送入疯人院接受治疗。直到该世纪50年代末他的工作才逐渐为人们所赏识。

英国业余科学家焦耳(James Prescott Joule，1818～1889)从少年时代起就对科学有浓厚的兴趣，一生在家里做过许多科学实验。1840年他在实验中发现了电流通过导体产生热量的规律，即我们现在所说的焦耳定律，通常表示为P＝I 2R。(p为热功率，I为电流强度，R为该导体的电阻。)他为测定热功当量作了400多次实验，勤奋工作了30多年，意在使所得数据更加精确。1843年他首次公布实验结果。他发表最后一批报告是在1878年，所公布的数据是1卡＝424．71克·米。(目前国际公认的数值是1卡=427．14克·米。)他的工作也曾受到持热质说的学者的反对，不过由于焦耳运用了多种测定方法，重复性又相当好，他的结果令人不得不信服。

热功当量的确认，使人们认识到热量和机械功有着严格的对等的关系，这是科学史上的重大事件。过去人们只是以思辨的方式推断能量的守恒与转化，如今有了电→热转化的定量关系，又有了机械能→热转化的定量关系，这就把能量守恒与转化推向科学的认知的阶段。

其后又经过许多科学家的努力，能量守恒与转化定律才最终得以确认。这里既需要理论的概括，也需要多方面的实验检验与证明。为此作出重要贡献的有德国科学家亥姆霍兹(Hermannn von Helmholtz，1821～1894)克劳修斯（Rudolff Julius Emanuel Clausius,1822～1888)，英国科学家W·汤姆孙（William Thomson,1822～1888，即开尔文勋爵，Lord Kelvin，1824～1907)等人。到了19世纪纪60年代，能量守恒与转化定律作为自然界的普遍规律便得到科学界的公认。“能量”这个概念是W·汤姆孙提出来的，用以取代过去的“力”那个含混的说法，很快便得到大家的认可。至于“能量守恒与转化定律”这样一个完整的提法，则源自恩格斯(Friedrich Engels，1820～1895)的《自然辩证法》。能量守恒与转化定律通常的表述是：在任何孤立的物质系统中，不论发生何种变化，无论能量从一种形式转化为它种形式，或从一部分物质传递给另一部分物质，系统的总能量守恒。

在此之前，曾有许多人煞费苦心地试图制造不消耗能量又能作功的“永动机”，虽然没有人能够成功，但仍有不少人在作这种努力。1875年法国科学院正式声明不再受理审查任何有关“永动机”的设计方案。

能量守恒与转化定律的确立给了科学家们很大鼓舞。它被称为物理学的“最高定律”(法拉第)，“宇宙的普遍的基本定律”(克劳修斯)。恩格斯则称之为19世纪三大发现之一。运用这个定律研究物质运动的问题时，常常可以只从起始状态和终结状态的能量变化上作总体的把握，不必考虑变化的具体过程和细节，这就给了人们很大的方便。在哲学上，它为人们对物质世界运动形式的多样性和统一性，对物质运动在量上和质上的守恒性的认识，都提供了科学上的依据。

热力学三个基本定律 热力学是从能量转化的角度来研究热现象的学科，它的产生与人们对蒸汽机的研究直接相关。蒸汽机的社会效益广泛地引起了人们的关注，提高蒸汽机的效率一时成了许多人的研究课题。工程师们着意于从技术上加以改进，而科学家们则主要从理论上进行探讨，这就产生了热力学。不过它后来的应用范围远远超出蒸汽机以至一般热机。

(1)热力学第一定律 热力学第一定律其实是能量守恒与转化定律的一种特殊形式，它的建立是一批科学家的贡献，其中最主要是克劳修斯。1850年克劳修斯首次提出了热力学第一定律：当一个系统的工作物质无论以任何方式从某一状态过渡到另一状态时，该系统对外作功与传递热量的总和守恒。若以公式表示，可以写成：

公式中的表示系统内能(当时克劳修斯称为“潜热”)的变化，A表示系统所作的功（A为正值时表示外界对系统作功，为负值时表示系统对外界作功)，Q表示系统与外界的热量传递(Q为正值时表示系统从外界吸收热量，为负值时表示向外界释放热量)，换一种说法．热力学第一定律也可以表述为：一个物质系统与外界之间所传递的热量等于该系统内能的变化与系统所作的功之总和。用公式可以写成

上面两种表述是完全等价的。克劳修斯所说的“潜热”指的就是物质系统内部的运动所包含的能量，不过他用语含混，后来人们改用“内能”这一科学表述。

我们原先已经有了热功当量的概念，它准确地告诉我们机械功→热能转化的关系。现在热力学第一定律又准确地告诉我们机械功←→热能转化的双向关系，并且还告诉我们在处理热能和机械功转化的问题时必须考虑到系统的内能的变化。热力学第一定律现在已经成为热机研究以至于其他许多学科(如化学)研究的理论基础之一。

(2)热力学第二定律 热力学第二定律所描述的是一个孤立系统中热功转化的问题，所关心的只是该系统变化前后温度的关系。最早研究这个问题的是法国人卡诺(Nicolas Leonard SadiCarnot，1796～1832)。卡诺曾是一位军事工程师，退役后便潜心研究热机理论。他于1824年提出了“理想热机”的概念。所谓理想热机，是不管它的工作物质是什么，也不管它是什么样的机器，只考虑它是靠热来作功的机器。这是对热机的抽象。热机千差万别，建立这样一种“理想模型”来加以研究有利于揭示一般热机的本质。那时大多数人仍然相信热质说，卡诺也不例外。他认为可以想像热机有如瀑布，热从高处流向低处，热能便转化为机械功，同量的热量产生同量的功，热质的总量并没有变化，由此他得出结论：热机必须工作在高温热源和低温热源之间。比如说，蒸汽机必须工作在高温蒸汽和被冷却的蒸汽这两种物质状态之间。热机的效率取决于两个热源的温度差，温差越大，热机的效率越高。他的另一个结论是：在两个固定热源之间工作的热机以“可逆机”的效率最高。所谓可逆机也是一种想象中的热机，这种热机经过一个循环之后，热机系统和外界都完全恢复原状，这在实际上是不可能做到的。这就等于说，热机效率的提高是有上限的，我们不可能使热能全部转化为机械功。卡诺只是为热力学第二定律的建立奠定了基础，真正建立热力学第二定律的功劳属于反对热质说而主张热是一种运动的学者。

1850年，克劳修斯首次提出了热力学第二定律的基本思想：“在没有任何力消耗或其他变化的情况下，把任意多的热量从冷体传到热体是和惯常行为矛盾的。”1854年他又再次阐明他的观点，并把热力学第二定律表述为：“热不可能由冷体传到热体，如果不因而同时引起其他关系的变化。”克劳修斯的工作并没有到此为止，他还提出了“熵”的概念。熵是表征物质系统热学状态的物理量，它只与物质系统的热学状态有关，而与工作物质的种类无关。某一物质系统的热学状态为一定时，它的熵为一定值，其热学状态发生变化时，熵值也发生相应的变化。在不可逆循环熵的值总是增加的。他说熵所表明是在一个物体中由热所促成的它最小组成部分之间的分散与远离已发生到何种程度，“在一切自然现象中，熵的总值只能增加而不能减少。”因此，热力学第二定律也可以称为“熵增加原理”。熵的概念后来更被推广到热力学以外的广阔领域，成为一个重要的科学概念。

比克劳修斯晚一年，W·汤姆孙于1851年也独立地提出了热力学第二定律，他的表述是：“不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功，而不产生其他影响。”他们两人的说法虽然不同，但是所表达的意思则是一致的。W·汤姆孙一再声称发现热力学第二定律的优先权属于克劳修斯而不属于他自己，其实他们两人同样作出了贡献。

热力学第二定律告诉我们，热总是从高温物体传向低温物体，要改变这个传向必须有外界的作用。在封闭系统内(即无外界作用的情况下)这个过程是不可逆的，在封闭系统内总是存在着热耗散(熵增加)的过程，其结果将是该系统内部的热平衡。在热平衡状态下，一个系统若无外部作用便不可能作功。热力学第二定律的意义远远超出了热机研究的范围，已经成为处理热运动以至其他许多运动形态的普遍适用的基本原理。

(3)热力学第三定律 热力学第三定律的建立是20世纪初的事。

热力学第三定律的建立与低温现象的研究直接相关。18世纪末荷兰人范·马鲁姆(Martin van Marum，1750～1837)首次以增大压力的方法使气态氨转变成液态氨。后来人们又以同样的方法使多种气体转变为液体，但是有一些气体如氧、氮、氢等的液化却没有成功。1869年英国物理学家安德鲁斯(Thomas Andrews，1813～1885)在研究二氧化碳的气液相变时，终于发现了相变的“临界温度”。其后的研究判明，不同气体有不同的临界温度，只有在临界温度以下气体才有可能液化，如果气体的温度高于其临界温度，无论压力多大它都不可能使其液化。人们这才弄明白，那些以往无法液化的气体其实是临界温度极低的气体，如氧的临界温度为90．2K，氢为33．19K，氦为4.1K。荷兰莱顿大学低温物理实验室的科学家们于1908年首次成功地使氦液化。随着这些气体的液化研究，科学家们开始了向低温领域进军的历程。

1911年，莱顿大学低温物理实验室的领导者开默林——昂内斯 (Heike Kamerlingh-Onnes，1853～1926)在实验中发现了一个令人十分惊异的现象：若把汞、铅、锡这些金属导体置于10K以下的液氦中，它们的电阻会突然变得非常小，其数值接近零。这种现象称为“超导现象”。开默林——昂内斯因此荣获1913年度诺贝尔物理学奖金。1937年，苏联物理学家卡皮察(Пётр Леонидович Капица，1894～1984)和英国物理学家阿伦(John Frank Allen，1908～)、迈申纳(Austin Donald Misener，1911～)差不多同时而独立地发现了液氦的“超流性”，即液氦在2．2K以下时可以无摩擦地从毛细管中流出，这也是一种十分奇特的现象。这些低温现象的机理物理学家们尚在研究之中，超导现象尤为科学家们所关注。这是因为在电能输送过程中，由于输电线路存在着电阻，总要使部分电能转化为热能而损耗掉，电流越大损耗越大。如果能研制出一些在温度不太低的条件下即具备超导性能的材料，将有可能节省大量能源。各国科学家正为此展开一场激烈的竞赛，我国物理学家的成绩一直居于前列。最近有报道称，美国得克萨斯超导中心的研究小组开发出一种可在153K(即-120℃)时实现超导的材料，这是现时最好的记录。人们都期待不久的将来取得根本性的突破。

在人们开始探索低温领域之时，德国科学家能斯脱(Walther Hermann Nernst，1864～1941)于1906年提出了热力学第三定律。后来他在1912年的著作中作了这样的表述：“不可能通过有限的循环过程使物体冷到绝对零度。”热力学第三定律不能够由任何其他物理定律推导而得，只能看成是根据实验事实所作出的经验性总结。能斯脱因他在热力学上的贡献而荣获1920年度诺贝尔化学奖金。

3.3电磁学的建立

远在春秋战国时期，在我国的文献中即有“玳瑁吸”和“慈石召铁”的记载。古希腊人也很早就发现经过摩擦的琥珀能吸引细小的物体，也知道磁石能够吸铁，但是作为科学的电学和磁学是从17世纪才开始的。

电学和磁学的早期进展 静电和静磁现象有很多相似之处，中国古人没有能分清楚。英国女皇御医的吉伯(William Gilbert，1544～1603)是最早把电和磁作为两种现象来研究的人。1600年他发表了一部著作，记载了他对电磁现象的实验研究。他经过实验认定地球具有磁性，有如一块大磁石；他认识到磁石有两个磁极，若把一块磁石从中间截断，切口处又会形成新的磁极；他知道同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引；他推测磁石之间的作用力与两磁石之间的距离成反比。吉伯的这些工作显然是指南针为欧洲人广泛应用以后的反映。关于静电现象，他发现除了琥珀之外还有许多物质经过摩擦可以吸引其他物体，如金刚石、水晶、硫磺、火漆、玻璃等，金属类物质则没有这种性质。他的工作为近代电磁学研究揭开了序幕。

到18世纪，人们在实验研究中又有如下发现：

(1)自然界中有两种不完全相同的电。一种是以毛皮摩擦玻璃、水晶等物所产生的电，当时称为“玻璃电”，后来叫做“正电”；另一种是以丝绸摩擦琥珀、树脂等物所产生的电，当时称为“树脂电”，后来叫做“负电”。这两种电同名相斥，异名相吸。

(2)电的传导和电的感应现象。原先人们只知道摩擦生电，通过与带电物体接触也可以使另一物带电，后来发现利用一根金属线就能够使电从一物传至另一物，即电可以通过金属线来传导；又发现使一不带电物体与一带电物体靠近但不与其接触时，也能使该物带电，即静电感应的现象。

(3)火花放电现象。天空中的雷电早就引起人们的注意。后来人们在实验中看到，当两个带有足够多电荷的物体靠近到一定距离时，两个物体之间会发生放电现象，这时可以看到火花和听到噼啪的声响，与天空中的雷电现象十分相似。1752年美国政治家兼科学家富兰克林(Benjamin Franklin，1706～1790)冒着生命危险在雷雨天里用风筝把空中的电引入室内，证明了它与由摩擦而生的电完全相同，从而弄清楚了雷电产生的机理。

(4)静止电荷间相互作用的规律。法国物理学家库仑(CharlesAugustin de Coulomb，1736～1844)于1785～1786年间发现了库仑定律。这个定律指出，两个静止的点电荷间作用力的大小与它们所带电量的乘积成正比，与它们之间距离的千方成反比，可用代数式表示为：

这里f表示两电荷之间的作用力，q1和q2分别表示两点电荷的电量，r为它们之间的距离，称为介电常数，其值因电荷间介质的不同而异。

电池的发明和电流及其效应的研究 1780年，意大利医生伽伐尼(Luigi Galvani，1737～1789)在实验中发现，当两种不同金属分别与蛙腿的肌肉和神经相接触，金属的另外两端又相连时，便有电从那里流过，蛙腿的肌肉因此而不断地抽搐。他误以为电是生物体产生的。伽伐尼的工作引起了意大利科学家伏打(Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta，1745～1827)的注意。

伏打经过反复实验后指出，电流的产生是由于两种不同的金属同时插入液态导体中造成的，不论这种导体是否是生物体都会产生电流。根据他的发现，伏打于1800年制成了名为“伏打电堆”的最早的电池。有了电池，人们就可以获得持续的电流，使电学研究推向了新的阶段。

英国人尼科尔森(William Nicholson，1753～1815)在得知制成伏打电堆后，立即与他的朋友卡莱尔(Authong Carlisle，1768～1840)组装自己的电池组，一个月后便制成。他们用自己的电池组进行实验，把从两电极引出的金属丝置于水中并保持一定的距离，发现电流使水分解为氢和氧。这就是电解现象。

1826年，原先是一名中学教师的德国人欧姆(Georg Simon Ohm，1787～1854)报告了他发现的、后来以他的名字命名的欧姆定律。他引入子电动势、电流强度、电阻等等这些现在常用的概念，并给出了精确的定义。欧姆定律现在通常表示为：

这里I代表电流，通常以“安培”为单位；V代表加于电阻两端的电压，通常以“伏特”为单位；R则代表电阻。通常以“欧姆”为单位。欧姆定律是电学的基本定律之一。欧姆定律的发现是科学史上的重要事件，但当时它并未引起科学界的重视，甚至受到一些人的非难，十多年以后人们才认识到它的意义。

靠自学成才的书籍装订工出身的英国科学家法拉第(Michael Faraday，1791～1867)于1833～1834年间对电解现象进行了深入的研究，他发现子电化学当量定律，即电解定律，这是电学研究的又一项重要成果。它表达了电运动与化学运动间的关系，在理论上和实用上都有重要意义。

上述一系列重要发现以及上文已经述及的焦耳发现的电能转化为热能的焦耳定律等等，表明电学已经逐渐形成了自己的学科体系。不过，电学在19世纪更重要的进展还在于人们弄清楚了电和磁之间的关系。

电磁关系的研究 上文说到，把电和磁现象区别开来有助于认识的深入，但它们之间确有太多相似之处，人们自然还是要思考它们之间的关系。

从1807年起，丹麦科学家奥斯特(Hans Christian Oersted，1777～1851)就开始这个问题的研究，经多年的努力，他在1820年发现，若在通电导线近旁平行放置一磁针，磁针会因电流通过导线而发生偏转，这就表明电流具有某种磁效应。

法国物理学家安培(Andre-Marie Ampere，1755～1836)得知上述发现后，随即进行了一系列实验，仅仅四个多月的时间里又有了许多新的发现。他于同年就报告了他的研究成果：(1)电流方向与磁针转动方向的关系服从右手定则。(2)两条平行载流导线之间的相互作用为：电流同向则两导线相吸，反向则相斥。他经过反复实验和思考，更进一步揭示出两导线间的作用力与它们的距离的平方成反比，这就是著名的安培定律。(3)用导线绕成的线圈通过电流时就像磁石那样呈现出两极磁性。

法拉第又从另一个角度来思考，既然电流有磁效应，那么磁会不会也有电效应?磁能不能产生电?经过10年的努力。也终于有了答案。他发现，如果在一块软铁上缠绕两个线圈，当其中一个线圈上的电流发生变化时(即接通或断开电路时和电流大小发生变化时)，另一个线圈就会出现瞬间电流；又如果使放置于线圈中的条形磁铁与线圈发生相对运动，线圈也会出现瞬间电流。这两个实验都表明，线圈产生感生电流的原因在于线圈附近的电流或磁场发生变化。如果电流或磁场的变化是短暂的，所感生的只是瞬间电流，要是设法使电流或磁场持续地变化，我们就能得到持续的感生电流。这正是发电机的工作原理。他根据这个想法设计制造的第一台试验装置终于在1831年10月产生出了持续的电流。数年之后可供实用的发电机问世，随后依据同样的原理人们又制成了电动机。发电机和电动机的发明是人类历史上的重大事件，它标志着电气时代的来临。

场的概念的形成 上文所述都是实验所取得的成果，并未涉及其中的机理，法拉第经过多年的思索，于1851年提出了场和力线的概念来加以解释。早年牛顿提出万有引力的概念时，他想象引力是一种超距作用力，就是说引力的作用并不需要媒质的传递，并且是即时发生的，这与牛顿崇尚古希腊原子论思想直接相关。对电学和磁学作出过重要贡献的富兰克林、库仑、安培等人与牛顿的思路一致，也都深信电力和磁力是超距作用力。但是法拉第的思路不同，他认为宇宙间应当充满介质，电和磁的作用是通过介质在空间里传递而发生的。他把电和磁发生作用的空间称为“场”。电有电场，磁有磁场。他更想象电场和磁场都由“力线”所组成。他说场的作用是沿着力线的方向发生的，电力线出发于正电荷而终止于负电荷，磁力线则出发于北极而终止于南极。异名电荷(或磁极)之间的力线有横向拉紧纵向扩张的趋势，同名电荷(或磁极)之间的力线的情形恰恰相反。异名电荷或磁极的相吸，是力线把它们拉在一起：同名电荷或磁极的相斥，是力线使它们相互推开。一根通电导线周围的磁力线是在垂直于电流的平面内形成的，它是一组以电流为中心的环形力线，力线的方向与电流方向服从右手定则。据此我们便可以说明为什么电流可以使磁针发生偏转并且知道磁针如何偏转。空间中的场强以该处力线的密度来表示，场的方向以力线的方向来表示。他在一张纸上撒满铁粉，让磁铁在其下轻轻抖动，于是看到了铁粉的有序排列，反映出磁场分布的状况。

法拉第还以场和力线的概念成功地描述了电磁感应定律。他说，感生电流的产生在于该导线切割磁力线，感应电流的强度正比于该导线单位时间内切割磁力线的数目。

场的概念的建立有重要的意义，最直接后果就是导致电磁波的发现。后来的科学实验证明场的确是一种物理实在。法拉第所说力线虽然事实上并不存在，不过它也不失为一种可供实用的模型，利用它来考察电和磁的作用也有许多方便之处。过去人们只知道实物是物质存在的形式，现在又知道场也是物质存在的一种形式。这是关于物质观念的重大突破。现代科学表明，自然界中不仅有电场、磁场，还存在着引力场等等许多与实物相联系的场。

电磁场理论的建立与电磁波的发现 法拉第虽然提出了场的概念，但是他的数学功底不太好，构建严密的电磁理论的任务只能由其他人来完成，其中贡献最大的是麦克斯韦。麦克斯韦吸收了许多人的研究成果，于1873年发表了他的名著《电磁通论》，终于建成了电磁学理论的基本框架。

麦克斯韦的主要功绩在于他把前人的电磁理论加以推广，使之适应变化着的电场和磁场，他列出了两组表征变化着的电场和磁场的偏微分方程组，即通常所说的麦克斯韦方程组。从方程组所表征的物理含义进一步思考，他指出，不仅在导线中通过的电流可以在周围产生磁场，在空间中变化着的电场也可以在其周围产生变化的磁场。同样，不仅变化着的磁场可以在导线中产生电流，即使没有导线存在，在空间中变化着的磁场也可以在它的周围产生变化的电场。不过这种电场的电力线与由点电荷所产生的电力线不同，它不是从一点向外发散的直线，而是在变化着的磁场周围形成的漩涡状的封闭曲线，与电流周围的磁力线的情形相似。据此，麦克斯韦提出了电磁波的概念。他说，如果空间某处存在一个变化的电场，它将在周围激发出一个变化的磁场，这个变化的磁场又在周围激发出一个变化的电场，这样一来，就会出现一连串交替产生，相互激发，连续出现的电场和磁场的振动，以原先的变化电场为中心向四面八方传播，这就是电磁波。电磁波的传播方向与电场的振动方向和磁场振动方向相互垂直。通过选取适当的单位，麦克斯韦推算出电磁波的传播速度等于光速，这个数值是一个常数。他还预言电磁波也具有如同光一样的反射和折射等性质，光在本质上也就是电磁波。

麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，但那时一些科学家还不大习惯“场”这样的物理图像，也有一些科学家对此抱怀疑态度。德国人赫兹(Heinrich Rudolf Hertz，1857～1894)在他的老师的要求下对这个问题进行研究。经过几年的艰苦努力，终于在1888年初证实了电磁波的存在，表明麦克斯韦的理论完全正确，这时麦克斯韦已离开人世将近十年了。麦克斯韦的工作使电、磁和光这些从前看来相异的现象得到了理论上的统一，实现了人类知识的又一次伟大的综合，他因此被誉为牛顿以后最伟大的数学物理学家。

电磁波原先完全只是理论上的推测，后来才由实验证实它是客观的存在，这又一次证明了科学理论对于认识客观世界的重要意义。电磁理论的建立和电磁波的发现为无线电技术奠定了坚实的基础，使人类社会生活的各个方面都进入了一个新的时代。这也充分表明这时科学已经大大地走在技术的前头，成为推动技术进步的主要杠杆。