《在电的世界漫游》【1】
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系统讲解电学知识，带你徜徉在多彩的电学世界。
编辑推荐
电是无处不在的，它同人类的活动有着密不可分的联系。世界上的物体，比如水、树木甚至人体都是带电的。但是你知道吗，电是无法制造的，它只能靠转化得来，不仅如此，它还有许多神奇的特征。这本《在电的世界漫游》，系统讲解了与电有关的知识，是一本趣味性与知识性兼备的科普读物。
内容简介
据科学家研究，地球上最早的生物是在电的作用下产生的，在闪电的激发和紫外线的照射下，在大气中形成了一些有机物、构成氨基酸，由此打下了生命活动的基础。
地球上如果没有电，也就不会有生命的存在，因此，我们把这个世界叫做电的世界，是一点也不过分的。本书从科学的角度，为读者带来了有趣的电学知识，具有很高的阅读价值。
前言电的科学史摩擦起电机的发明富兰克林提出电荷守恒法拉第揭示电磁感应现象麦克斯韦的贡献及电磁理论的建立认识电电力的起源及初步应用什么是电电荷并不是电电流、电压和电阻电容电和电磁波电路电功率电家族中的两兄弟：直流电和交流电袖珍发电机：电池无处不在的电现象雷电现象地球是个大电容神奇的生物电生活中的静电电的应用控制雷电与利用雷电用电波传递声音：电话将电能转化成光能：电灯导电材料将电转化成热能：各种电热炊具让静电为我们服务电能转化成动能：电动机电在医学上的应用安全用电家庭节电小常识触电的人是被电“吸”住了吗人触电之后如何急救试电笔的使用保险丝为什么要用铅丝漏电保护器废旧电池的回收利用国内使用电池现状如何防止静电如何防止雷电伤人雷击急救我国的电力事业我国古代对电的认识世界上最伟大发电工程：三峡工程我国第一座水电站：新安江水电站我国第一座核电站：秦山核电站水流驯服成电流：我国的水电事业我国第一座地热发电站：西藏羊八井地热发电我国的火电事业我国的光伏电产业中国的风能发电保定·中国电谷世界电力事业发展世界风力发电燃料电池太阳能发电没有发电机的发电厂：磁流体发电美国发现一种细菌能发电核电：未来发展的主力电学伟人和他们的故事为什么安培未能发现电磁感应富有而博学的卡尔迪许自学成才的法拉第敢于揭穿雷电秘密的第一个人：富兰克林永不言败的开尔文幸运儿麦克韦斯韦伯和高斯的一个实验给世界带来光明的人：爱迪生莫尔斯：电报电话发明人：贝尔
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前言
电同人类已经成了不可分离的密友。但是我们是否想到电竟是无所不在，到处都有——自然界里到处有电，甚至在我们的身体里也有电？
让我们从大气的低层说起。
天上的闪电是大气层里有电的表现。地球上每天大约要发生十万次闪电，每秒钟大约100多次。我们看见闪电以后，过一会儿，就会听到震耳欲聋的雷声。雷就是闪电发出的声音。
还有一种闪电是没有声音的。登山队员在高山上宿营，有时候会遇到一种怪事：他们的头发忽然像着了火似的发出闪光，并且带有“丝丝”的响声，这就是无声放电。
在高纬度的地区，譬如在我国东北和西北，有时可以看到一种奇妙的现象：天空中散射出多种形状的美丽的光辉，就好像有人在放焰火。这也是一种无声放电。
大气层的高层也有电。在离地面50～1000千米的高空，就有一条由带电粒子组成的辐射带，人们叫它电离层。
电离层有一个奇怪的特性：除了某些特定波长(例如1厘米～15米长)的电波可以穿过它以外，其余波长的电波碰到它，就像光碰到镜子一样被反射回去。我们能收到远地短波电台的广播，就是靠了电离层的反射。不用说，电离层里也有电。
其实，不光是地球的周围，整个宇宙里也充满了电。浩渺无垠的宇宙，有着无数的星体。很多很多的星体都在辐射无线电波。利用无线电接收机，我们可以听到宇宙电波的嘈杂声。这说明，我们的地球处在电的包围之中。
至于地球本身和地球上的一切，也是处处有电。地球上有各种各样的物质，一切物质都是由原子组成的，每种原子里都有着一定数目的电子。因此，从这个意义上来说，没有电就没有物质，也就不存在这个世界。
我们的身体是物质，因此我们的身体里也有电。1875年，美国人卡顿发现了脑电波的存在。科学家们通过进一步的研究，又证明了心脏有心电，肌肉里也有电在流动。
在广大生物界里，也有许多奇妙的电现象。有些鱼，例如鲇鱼和电鳗，身体里贮存着大量的电，当它们遇到敌害的时候，可以一下子放射出来把对方打晕。
据科学家们研究，地球上最早的有生命的生物是在电的作用下产生的。当地球上还没有生物的时候，包围着地球的大气里有着大量的甲烷、氨、氢和水，这些正是产生生命所必需的“原料”。
在闪电的激发和紫外线的照射下，在大气中形成了一些有机物，它们逐渐地被雨水冲进海里，在那里积聚了起来。在闪电和阳光的连续作用下，终于产生了构成蛋白质所必需的多种氨基酸，而蛋白质是生物体的主要成分，也是生命活动的基础。它们不断地由低级向高级、由简单到复杂地发展着，最后终于诞生了生命。
现在，科学家们已经在实验室里成功地模拟了这个过程。他们把甲烷、氨、氢和水放进一个容器里(这同46亿年前地球上的大气十分相近)，然后用高压电火花不断地模仿闪电去激发它们,最后终于得到了氨基酸。
因此，地球上如果没有电，也就不会有生命。看来，把我们这个世界叫做电的世界是一点也不过分的。从现在开始就请大家在电的世界遨游吧。
电的科学史
摩擦起电机的发明
古希腊著名诗人荷马所著的史诗《奥德赛》中记载有这样一个故事：福尼希亚商人将琥珀项链献给西拉女王。人们发现琥珀经摩擦会发出光，并吸引纸屑，感到十分神奇，就视琥珀为珍宝。这是关于静电的最早记载。人们正是从静电这一现象入手，开始将电作为一门科学来研究的。
人工简单摩擦起电来使物体带电是很有局限性的，要对电现象做进一步研究，必须用有效的方法来获得较多的电荷及电流。
摩擦起电机
大约在1660年，德国的一位酿酒商和工程师格里凯（1622～1686年）发明了第一台能产生大量电荷的摩擦起电机。他用一个球状玻璃瓶盛满粉末状的硫磺，用火烧玻璃瓶直至硫磺全部熔化，等其冷下来硫磺成球状再将玻璃瓶打掉，在硫磺球上钻一孔并将其支在一根轴上，使琉磺球可以自由转动。格里凯在1672年描述了这架仪器的构造及其使用情况。起电时，他用一只手握住手柄摇，使硫磺球不停地转动，另一只手紧贴在硫磺球面上发生摩擦，结果使人体和硫磺球带上了电荷。格里凯还发现由摩擦而生的电可以通过一支金属杆传给其他物体；有时候，即使带电体没有与一个不带电物体接触，只要接近到足够近的程度，就可以使该物体带电，这就是我们现在称为的感应起电现象。1709年，德国入豪克斯比（1688～1763年）制造了一台用抽去空气的玻璃球代替硫磺球的起电机，并在实验中发现，玻璃球由摩擦带电时，产生了类似磷光的现象。1750年还有人用巨大的飞轮带动很大的玻璃柱转动，通过皮带与玻璃柱摩擦起电。这种基于摩擦起电原理，但已经不再是简单地摩擦一些材料令其起电，而是不断获得改进的摩擦起电机在实验中起了重要作用。一直到19世纪，才由效率高得多的感应起电机所代替。
格雷导电实验
在英国卡尔特修道院领养老金过活的格雷（约1675～1736年），也对电荷能不能传递进行了研究，他发现摩擦过的玻璃管上所带的电荷可以转移到木塞上，他用一根带有骨质小球的棍子插到带电的木塞中，骨质小球也带上了电，格雷还用一条长为24米的绳子将电荷传送过去。他还请一个小孩做了第一次人体带电的实验。这样，格雷用实验证实了不仅摩擦可以使物体带电，用其他方法(如传递)也可以使物体带电。他还发现导体和绝缘体的区别，并把物体分成2类：①非电性物体，但却可以传电；②电性物体，然而不能传电。另外，格雷认为带电体是否能被磁石吸引无关紧要，即“电的性质”物体与“磁的性质”物体不能相互发生作用。
法国王家花园里的一位管家杜菲（1698～1739年）对格雷的实验产生了极大兴趣，他也做了不少实验，取得了一些重要的发现。1733年杜菲发现绝缘起来的金属也可以通过摩擦的办法起电，从而否定了吉尔伯特、格雷等人把物体分为“电的”和“非电的”论断，得出了所有物体都可以摩擦起电。
杜菲勇敢地以自己的身体，重复进行了人体带电的实验。他让助手把自己用绝缘丝绳悬吊在天花板上，使自己身上带电，当助手靠近时杜菲突然感到电击引起针刺般的疼痛，同时伴有“噼噼啪啪”的声响，尽管杜菲吓了一大跳，晚上又重复了这个实验，发现放电过程中有火花闪现。杜菲在吉尔伯特制作的验电器的基础上，做了很好的改进，用金箔代替原来的金属细棒。杜菲用它对受激带电的玻璃棒及受激带电的琥珀分别进行检验，发现不同的材料经摩擦受激后所带的电可以是不同的，他在发表于一学报的文章中写道:“因此，由总的性质不同这一点可以认为存在着两种电性物质，一种诸如玻璃、晶体等透明固体，另一种诸如琥珀、树脂等沥青树脂类物质”。“互相排斥的物体具有相同的电性，互相吸引的物体具有不相同的电性。即现在常说的同性电相斥，异性电相吸的规律。不带电的物体可以从另一种带电物体获得电性，两者所带的电性是相同的”。带的电命名为“玻璃电”（Vitreos）（即正电），将琥珀上所带的电命名为“树脂电”（Resinous）（即负电），并进而提出了二元电液理论。
莱顿瓶的产生
荷兰莱顿大学的物理学教授穆欣布罗克（1692～1761年）和德国的克莱斯特（1700～1748年）分别发现，物体好不容易获得的电往往在空气中逐渐消失。为了寻找一种保存电的方法，穆欣布罗克于1746年做了如下的实验：他将一枪管悬挂在空中，用起电机与枪管相连，另用一根铜线一端与枪管相连，另一端浸入盛有水的玻璃瓶中，当他的助手一只手握着玻璃瓶，另一只手不小心触到枪管上，助手猛然感到一次强烈的电击而喊了起来，穆欣布罗克替下助手亲自体验了给他带来极大恐怖感觉的实验。这使人们认识到：人体作为导体参与放电过程的瞬间，电会使人感到一种可怕的突然震动和打击，这就是常说的电击（或叫电震）。穆欣布罗克还由此认识到，盛水的玻璃瓶通电后，可以将电保存起来。
莱顿瓶
穆欣布罗克以亲身的体验劝人不要做这种人体放电实验，却反而引起了更多的人对这类电现象的注意，以致在荷兰和德国公开进行电实验的表演，有许多人为了娱乐也做起电实验来。在这些人当中，有法国的电学家诺莱特，他开始把这种能蓄电的瓶子称为莱顿瓶（以穆欣布罗克所在大学名称命名）。
克莱斯特于1645年也发现盛水的瓶中插入导体通电，瓶子能贮电。在德国就把有贮电性的瓶子叫克莱斯特瓶。
当时所进行的电实验表演中，有用莱顿瓶作火花放电杀老鼠的表演，有用电火花点酒精和火药的表演。其中最为壮观的一次表演是诺莱特在巴黎一座大教堂前做的，诺莱特邀请了法王路易十五的皇室成员临场观看，他让700个修道士手拉手排成一行，形成长达近900英尺（注：1英尺=0.3048米）的队伍，然后让排头的修道士用手握住莱顿瓶，让排尾的修道士用手握莱顿瓶的引线(引线另一端插入瓶内水中)，准备就绪后，诺莱特令人用起电机通过引线向莱顿瓶送电。瞬间，700名修道士因受电击同时跳了起来，在场观众无不为之目瞪口呆，克莱特以事实表明了电的威力。1746年英国物理学家考林森通过邮寄向美国费城的本杰明·富兰克林（1706～1790年）赠送了一只莱顿瓶，并介绍了使用方法。富兰克林对此极有兴题，用这只莱顿瓶进行了一系列实验，对电的本质及电现象的规律开始了一系列深入的研究，得到了许多重要成果。
莱顿瓶实验
富兰克林提出电荷守恒
富兰克林是18世纪美国伟大的电学家，是美国历史上著名的政治家、社会活动家。他8岁开始读书，10岁到他哥哥的作坊做工。后来到纽约、费城谋生，他酷爱读书，所有的零用钱都花在买书上，为此他想当一名出版商。1724年富兰克林远涉重洋(当时只有18岁)到了英国巴尔麦印刷厂当了2年印刷工人，掌握了精湛的印刷技术。
富兰克林
1726年他回到美国，创建了自己的印刷厂，组织和印刷、发行《宾夕法尼亚报》。1731年25岁的富兰克林创办了费城图书馆，5年后他又组建了联合消防公司，成为费城一名很有影响的公民。1737年，他担任费城市政议会书记员和费城邮政局局长，1749年富兰克林创办了宾夕法尼亚大学，1753～1774年间，他出任英国在北美洲殖民地邮政总局局长。
社会公务再忙，富兰克林也要抽空进行科学研究。1757年，他曾肩负国民议会的使命第二次赴英，这时富兰克林已经成为颇有名气的科学家和社会活动家了。英国伦敦皇家学会授予他1753年的科普雷奖章，美国哈佛大学等高等学府授予他荣誉博士学位。富兰克林在晚年主要从事政治、外交活动。1776年，他参加起草《独立宣言》，并作为三人小组成员前往欧洲巴黎与英国代表谈判。1778年被任命为美国全权代表，于1781年与英国代表举行了最后一轮谈判，为美国的独立立下了不朽的历史功绩。在法期间，他还广泛接触了科学界人士，包括意大利的伏打。1785年回到美国，致力于宾夕法尼亚的建设，1790年4月17日，富兰克林走完了他献身社会公务、献身科学事业的战斗一生。他奋斗终身的不平凡经历，为后人树立了光辉的榜样。
富兰克林第一个提出存在正电和负电及电荷守恒定律。1747年7月他写信给好友考林森，报告了收到莱顿瓶后一年来的实验结果。在这封信中富兰克林描述了这样一个实验，他让两人分别站在绝缘的箱上，其一人摩擦玻璃管，另一人用肘部接触一下这个玻璃管，并让两人分别与站在地上的第三人接触时，都有火花产生。说明前两人都带电。重复进行前述的起电操作，让两人先相互接触再与站在地上的第三者分别接触时，结果都没有火花产生，这说明两人带电后只要一接触都不带电。为此富兰克林提出了单元电液理论。认为带电的两人是通过玻璃管发生了电液的迁移，其一人具有比正常情况少一些的电液，另一人具有了比正常情况多的电液。相互接触后，又恢复到都具有正常数量的电液，则两人都不显电性。他在杜菲区分“玻璃电”和“树脂电”的基础上，根据两种电的相消性，提出了正电和负电的概念，他认为缺少电液，就是带负电，可以用“-”号表示；带超过正常情况的电液就带正电，用“+”号表示，正、负电可互相抵消。正、负电的提出，为定量研究电现象提供了基础，使人们第一次可以用数学来表示带电现象，其重要性是显而易见的。
富兰克林还认为摩擦只能使电液从一个物体转移到另一个物体上，即“电不因摩擦玻璃管而创生，而只是从摩擦者转移到了玻璃管，摩擦者失去的电与玻璃管获得的电严格相同”。这就告诉人们：在任一绝缘体系中电的总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒原理。
富兰克林的理论足以解释当时人们已知的绝大部分静电现象。现在我们知道，所谓的电液是不存在的，比较容易迁移的是带负电的载体——电子，用电液迁移来解释电现象并不科学。尽管这样，正、负电的概念和电荷守恒的观念是至今仍然有效的科学观念，是富兰克林对电学的一大贡献。
富兰克林的《电的实验和观察》书稿
富兰克林所做的另一项重大贡献是统一了天电和地电。18世纪，美国的富兰克林是通过亲自进行大量实验来说明现象，彻底破除了人们对雷电的恐惧、迷信心理。当时的欧洲和美国的大多数人认为雷电是“上帝之火”，是天神发怒的结果。为破除这种迷信，富兰克林一直思考着这样一个问题：雷电的电与摩擦电本质上是否一样，区别在什么地方?为了加大电容量，富兰克林将几只莱顿瓶联起来做实验，有次实验正在进行，他的夫人进来观看，不小心碰了莱领瓶，突然闪过一团火，随着“轰”的一声响，她被电击倒在地，不省人事，经抢救脱险。这次事故使富兰克林联想起暴风雨中的雷电：那不也是电光闪耀，轰声隆隆吗?他于是下决心要把雷电捉下来进行研究。在1752年7月的一个雷雨天他做了著名的费城实验。
富兰克林用绸子做了一个大风筝，风筝上安上一根尖细的铁丝，用来捉电，并用麻绳将这铁丝相连，麻绳的末端拴一把铜钥匙，钥匙塞在莱顿瓶中间，他和儿子一起将风筝放飞到空中，一阵雷电打下来，富兰克林顿时感到一阵电麻，他赶紧用丝绸手帕把手里麻绳包起来继续捕捉天电。又一阵雷电打下来，这时麻绳上松散的麻一丝丝向四周竖起，靠近钥匙的手和钥匙之间产生了火花。天电终于捉下来了！富兰克林用这种方法使莱顿瓶充电，发现天电同样可以点酒精，可以做摩擦起电机产生的地电所做过的许多电的实验，从而证明了天电与地电的一致性。
富兰克林深知做这类实验的危险性，有次他想做电击火鸡的实验，不小心碰了莱顿瓶，立即将他击晕了过去。富兰克林没有知险而退，成功地进行着一系列实验。冒险捕捉天电的壮举还有法国科学家阿里巴等人，他用一根40英尺高的金属杆引获天电取得成功。俄国的里赫曼和罗蒙诺索夫（1711～1765年），对雷电现象也做了大量的研究，他们曾设计制作了一个装有金属尖杆的“检雷器”，想用它来测定云中有无天电。1753年7月26日，值雷雨欲来，里赫曼赶紧准备做实验观测，不料一个劈雷下来将他击倒，里赫曼为科学事业献出了自己的生命。罗蒙诺索夫还在1753年发表了电是以太微粒很迅速的转动的观点。在这一年里，彼得堡科学院向全世界悬赏征文，题目是“论电力的性质”。1755年，欧勒获得此项征文奖，他用以太中张力来说明带电体的作用。
18世纪神学教会有广泛的社会影响，富兰克林的实验是对这些神学影响的公开挑战，这自然会使费城教会震怒。教会斥责富兰克林是对上帝的大逆不道，富兰克林毫无畏惧，不仅将实验坚持做下去，还于1753年制成世界上第一个避雷针。100多年之后，费城盖了一座新教堂，教会怕遭雷击，也不得不装了避雷针，这个历史事实是对嘲弄科学的教会的极大讽刺。避雷针的发明,是人类应用电学研究为自身服务的第一个明显例子。
对电的本质的研究
意大利学者乔治·沙尔哲（1720～1779年）于1752年曾做过这样的一个实验：取两片金属片，一片是铅，另一片是银，然后将两片金属的一端连接在一起，他用舌尖去尝尝连接处的味道，感觉是既不像铅片，也不像银片的味道，而是很像铁的硫酸盐的味道。沙尔哲觉得奇怪，但他没有继续研究下去，这个现象也没有引起其他学者应有的注意。我们知道，自然界的诸如物理的、化学的、生物的现象都与物质的电结构有密切关系。18世纪的下半叶，电学已处于和许多现象开始发生联系的阶段。抓住这种联系深入研究下去的人就能对科学做出贡献。
意大利生理解剖学教授伽伐尼（1737～1798年）和他的两位助手于1780年9月20日做青蛙解剖实验，一名助手不慎将手中的解剖刀的刀尖触到了桌上一只剖开的蛙腿神经上，顿时青蛙的四条腿猛烈地发生痉挛，另一名助手看到放在一旁的起电机跳了火花，这一现象引起了伽伐尼的极大注意。他选择不同的条件，在不同的天气里多次重复对这一现象的观察实验，并在题为《论肌肉运动中的电力》一文中对此作了归纳总结。他写道：“我选择不同的日子、不同的时辰，用各种不同的金属多次重复，总是得到相同的结果，只是在使用某些金属时，收缩更强烈而已。”伽伐尼起先认为，可能是由于放电引起了蛙腿的收缩，他把蛙腿用铜钩子挂到庭院的铁栏杆上，试图观察雷雨天的放电能否引起蛀腿收缩，结果证实确能引起。伽伐尼进一步设想，晴天不放电会有这种收缩现象吗?他发现，只要把铜钩子挂到铁栏杆上，蛙腿也有抽搐现象。由此，伽伐尼认识到，放电现象的存在不是蛙腿抽搐的必需条件。他在实验中发现只要有2种不同的金属分别接触蛙腿的神经和肌肉，并且使这两种金属彼此连结形成一个闭合回路（如铁栏杆和铜钩），蛙腿就会产生痉挛。如果金属改用骨柄或玻璃一类的非导体，就没有上述现象发生。现在我们知道，既然两种金属与蛙腿连接可产生和通电一样的效果，这就证明了两种金属与蛙腿接触可以产生电流。可是当时伽伐尼没有形成这样的观念，他坚持动物体内存在着“动物电”，用两种金属与动物接触，就能把这种“动物电”激发出来，金属与蛙腿接触只是起了放电作用，就像莱顿瓶的放电作用一样。伽伐尼的发现实际上标志着电流的发现，而电流的发现是电学中的一个重大转折，它意味着电学从研究静电现象进入了研究动电现象的阶段。不过，这一发现的重要意义并没有立即为多数人所认识。
伽伐尼的青蛙实验
伽伐尼的发现引起了意大利的科学家伏打（1745～1827年）的注意。那时他正在做生物电的实验。他知道沙尔哲用相互连接的两根金属丝的另外两端同时与舌头接触时会尝到苦味的实验，也用各种金属亲自做这类实验，他发现不同的金属都有类似的效果，只是舌头感到的麻木或苦味的程度不同。当他用一根由两种金属组成的弯杆的两端分别与舌头和眼睛附近部位接触时，眼睛里就有光亮的感觉。这些实验使伏打认识到：2种金属的接触是产生电流的必要条件，只要有2种金属与另一个第二类导体（某些化学溶液或生物体的器官）连接成一个回路，就能产生电流。伏打认为不存在伽伐尼提出的“动物电”，蛙腿只是起到验电器的作用。这之后，伏特花了3年时间，用各种金属搭配成一对一对，做了许多实验。从实验中他找到这样一个序列：锌、锡、铅、铜、银、金……按这个序列将前面的金属与紧接着的下一种金属搭配起来，接触在一起，那么前者就带正电，后者带负电，无一例外。我们现在知道，用量子力学费米能级可以解释金属存在接触电位差的原因，当然伏打那时还不能解释存在这一“伏打序列”的原因。至于“动物电”，1793年伏打明确否定了它的存在。他在给一家物理杂志编辑的信中指出，“用不同的导体，特别是金属导体接触在一起，包括黄铁矿、其他矿石以及炭等，我们称之为干导体或第一类导体，再与第二类导体或湿导体接触，就会扰动电液，引起电激动”。伏打的意见一发表，立即轰动了科学界，学者们议论纷纷。
伏打电池和电堆
伏打向拿破仑演示他的电堆
意大利学者费伯鲁尼（1752～1822年）在1796年做了一个实验，他将2种金属一起放在水中，也观察到了伽伐尼效应，但他特别强调还观察到了其中一片金属部分地氧化了，从而得到一个新的重要论断：某些化学作用不可分离地与伽伐尼效应联系在一起。伏打不管学术界如何议论，加紧进行自己的研究工作。1800年春，伏打制成了历史上著名的伏打电堆，他在给英国皇家学会的一个报告中谈到：“无疑你们会感到惊讶，我所要介绍的装置，只是用一些不同导体按一定的方式叠起来的装置。用30片、40片、60片，甚至更多的铜片（当然最好是银片），将它们中的每一片与一片锡片（最好是锌片）接触，然后充一层水或导电性能比纯水更好的食盐水、碱水等液层，或填上一层用这些液体浸透的纸片或皮革等，就能产生相当多的电荷。”伏打这个电堆既能产生同莱顿瓶里一样的电，而且有优于莱顿瓶之处，那就是把电堆的两端的金属导线连接起来可以获得持续不断的电流，而莱顿瓶在放电后已不再带电，再次使用重新起电。伏打的成就深得各界的赞赏。1801年法军占领了意大利北部之后，法国皇帝拿破仑一世于9月26日把伏打召到巴黎。10月6日拿破仑在一次学术聚会上观看了伏打的实验表演，并将一枚特制的金质奖章授予伏打。伏打电堆，就是我们现今使用的电池的雏形。
伏打电堆的发明，使人们第一次获得稳定而持续的电流，这就为研究动电现象提供了坚实的技术基础。有了伏打电堆，一方面促进人们研究产生电荷的原因，从而使电化学、化学电源的研究工作有了很大的进展；另一方面促进人们研究电流的各种效应，从而使人们开始对“电有什么作用”的问题展开了广泛研究。一个突出的例子，是1811年化学家戴维曾用2000个电池组成的电池组供给碳极电弧以大电流，产生了很强的电弧光，成为爱迪生发明白炽灯泡之前的一种有效的电光源。
随着伏打电池的发明，电磁学的研究兴起了高潮，进入了用科学的定量方法来研究的近代阶段。
库仑定律的确立
莱顿瓶、伏打电堆的发明，使人们看到的电作用的各种效应越来越多,有力学、化学、生理方面的各种电现象。为了表征电的作用，科学家们逐渐从纷繁的电现象中把“电力”的概念抽象出来，用以说明带电体产生种种效应的能力。
德国科学院院士埃皮诺斯（1724～1802年）于1750年前后，发现带电体之间的距离缩短时，两者之间的吸引力或排斥力会明显增加；而且，当一个导体移近一个带电体但不接触时，导体的远端获得了与带电体相同的电荷，近端却获得与带电体相反的电荷。这就是我们知道的静电感应现象。对这两种现象，埃皮诺斯都未再进行深入研究。
德国人普利斯特利（1733～1804年）按富兰克林1766年给他的信中所建议的方法做实验，结果表明：当中空的金属容器带电时，其内表面上没有任何电荷，在内部的空气中也不存在任何电力。由此，普利斯特利大胆地猜测：电的吸引力遵从与万有引力相同的规律，即力的大小与距离的平方成反比的规律。
英国爱丁堡大学的罗宾森（1739～1805年）的工作又前进了一步。1769年他用实验推测到了反平方力律。他根据实验结果推算出电荷的排斥力反比于电荷间距离的2.06次幂；异号电荷的吸引力反比于电荷间距的略小于2的次幂。于是，罗宾森断言：正确的电力律反比于距离的平方。
英国科学家卡文迪许（1731～1810年）对静电学研究做出了很大的贡献。关于静电力律他用实验得出了很出色的结果。
卡文迪许曾在剑桥的彼得豪斯学院任教。后来，这位被人称为“最富有的学者，最有学问的富翁”却开始了奇特的隐居生活。在自己的住所，他不接待来访者，孑然一身，甚至每天只用留在餐桌上的纸条来向女佣人预订他的正餐。他的一生都是在自己的实验室和图书馆里度过的。他的著述、实验成果几乎从不发表。有人说他一生“比有史以来任何一个活到80岁的人更少讲话”。他的社交活动，仅限于偶尔到皇家学会参加会议，或提交报告。
过了1个世纪，卡文迪许的遗著才由麦克斯韦整理成册并于1879年出版。麦克斯韦写道：“这些论文证明卡文迪许几乎预料到电学所有的伟大事实。”
卡文迪许于1772年就用同心球实验来验证静电力的平方反比律。他用胶纸板做成直径为12.1英寸(注：1英寸=2.54厘米)的球体和2个中空的直径稍微大些的半球。球和半球均用锡箔覆盖，以使它们成为较理想的导电体。
卡文迪许实验装置
卡文迪许把内球和带电的外球施行电接触，然后把两者分开，之后他在内球上寻找电荷，结果找不到，也就是两中空的半球内没有任何一点电的作用。他设想通过两半球腔内任一点P横切一刀，把球壳分成上下两部分，达两部分部分别给P点一个静电力。卡文迪许用数学方法证明了，只有当静电力时，两部分给P点的力才相互抵消，呈现不受电力的状态。1777年卡文迪许向英国皇家学会提出报告说：“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方。如果是这样的话，那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方”，“物体的其余部分处于中性状态”。卡文迪许总结出了静电力公式：
f(r)=k/rn式中：n=2±0.02
排斥力反比于2.02次幂，吸引力反比于1.98次幂。
从卡文迪许的手稿中发现，他已提出了静电电容、电容率、电势等概念。1781年，他甚至于已完成了相当于预测欧姆定律的探讨。遗憾的是，在他生前几乎就没有发表他的研究成果，因而对那个时代的科学家没有什么促进和影响。
关于静电力的反平方律科学界公认是库仑用精湛的实验最后确立的，故称为库仑定律。
法国物理学家库仑（1736～1806年）出生在法国昂古莱姆，以后在巴黎上学，青年时代他参了军，后来成为工程师，从事科学研究。当时法国政府要在布列塔尼挖掘通航运河，海军部派库仑去考察河床，而库仑根据调查写了一个不宜挖掘该运河的计划，这就触怒了一些当权者，库仑被拘留了起来。事情过去之后，布列塔尼地方当局要给库仑一大笔酬金，但库仑仅接受了一只秒表，以备实验之用。
库伦的电扭秤实验装置
库仑在从事毛发和金属丝的扭转弹性的研究中，发明了扭转天平即“扭秤”。由于这方面的突出成就，库仑于1781年当选为法国科学院院士。1784年法国科学院发出有奖征文，库仑应召对船用罗盘进行研究。这样，库仑的科学研究就从工程、建筑方面转到电磁学方面来了。1785年，他在原来对扭力研究的基础上，改进扭秤，又自行设计制作了一台精密的扭秤，最后终于确立了以他名字命名的库仑定律。这定律阐明：电荷之间的作用力与其距离的平方成反比，与两者所带电量的乘积成正比。
库仑在实验中，用了一个直径和高均为12英寸的玻璃圆缸，上面盖一块玻璃板，盖板中间有孔。孔中装一根玻璃管，从盖板向上管高约24英寸。一根根质悬丝安在玻璃管上路并穿过管伸进玻璃缸内，悬丝下端系在一长度小于12英寸的横杆正中，杆的一端为木质小球，另一端贴一小纸块，以配重平衡使横杆始终处在水平状态。玻璃圆缸上刻有360个刻度，悬丝自由松开时，横杆上小木球指零。然后他使另一固定在底盘上的小球带电，再让两小球接触后分开，以致两小球均带同等量电荷，互相排斥。改变两小球的间距，测得电排斥力的力律为反平方律。之后，库仑将此实验推广到异号电荷的电吸引力，反平方律依然成立。
库仑还用类似于卡文迪许的实验验证了反平方律。他使一个绝缘的金后球A带电，再用两个孤立（与其他物体绝缘）的金属半球壳套B和C，把A球套住接触后再分开，则发现A不带电，而B、C都带电。很明显，金属球所带的电必定分布到两半球壳B,C表面上了，这只能是反平方律的结果。这是因为：过球壳内任一点a的对顶立体角的两锥体的底面是球壳面上的面元ΔS1和ΔS2，按立体角的定义
ΔS1/r12=ΔS2/r22=Ω
所以:ΔS1/ΔS2=r12/r22
如果反平方力律成立，上的电荷对a点上试验电荷q0的力为f1=kΔS1σq0/r21，式中σ是球壳上均匀面电荷密度，k是比例常数，对应的ΔS2面元上有力f2=kΔS2σq0/r22作用在a点的q0上，f1与f2方向相反，(f1/f2)=1，大小相等，球壳上的每一面元都是这样一一对应的，球壳对a点的电力的合力为零。球壳内没有电荷存在，正说明球壳内不存在电力，即力的反平方律是正确的。卡文迪许通过a点把球壳截成两半，反证定律的正确，也是采用类似的证明思路。
库仑定律是电磁理论的重要基础。它如果不成立，将会影响到整个的电磁理论。因此，库仑定律的验证至今也未停止，而且越做越精确。假定力律按1/r2+a而变化。1971年，威廉斯等人的实验结果为：a=(2.7±3.1)×10-16,这说明库仑定律是极严格成立的。现代的这种验证方法，其基本思想却几乎与卡文迪许的相同。不过现代的实验验证是采用一整套光、电精密仪表、设备，使用电压为10千伏、频率为4兆赫的交流电进行的。
奥斯特发现电流的磁效应
人类长期以来，一直把电现象和磁现象分别对待。从吉尔伯特到库仑，也都是断言电和磁是两种完全不同的实体，它们不可能相互转化。而伏打电池的发明，为实现电流与磁的相互作用提供了强有力的实验手段。
19世纪初，德国康德（1724～1804年）关于基本力向其他种类力转化的哲学思想，以及以谢林为首的德国自然哲学学派关于自然力是统一的思想，对物理学界影响很大，促使人们去寻找电和磁的本质关系。丹麦的奥斯特（1777～1851年）对康德的哲学思想就十分信奉。他坚持自然力是统一的思想20余年，反复探索热、光、电、磁和化学亲和力之间的联系，进行了多方面的科学研究。
奥斯特17岁考入哥本哈根大学。1799年他写了一篇宣传康德哲学的论文，因此获得哲学博土学位。1801年他到柏林、哥廷根、巴黎等地旅游、学习3年，结识了不少物理学家和化学家。1804年奥斯特回到丹麦，1806年开始在哥本哈根大学执教。当时匈牙利化学家温特勒主张所有的物质都是由分别代表酸性和碱性的两种基本物质组成的，千差万别的物质形态，都可用二种基本体的合成或分解加以解释，这种统一实际上是康德和谢林的哲学思想的体现。因此，温特勒的化学体系强烈地吸引了奥斯特，1806年以后，奥期特从事化学亲和力的研究，1812年奥期特出版了《关于化学力和电力的统一的研究》一书。这部著作总结了他早期对电、磁、光、热及化学亲和力的研究，充分表明了奥斯特已将力的统一思想运用到物理和化学的研究中。
奥斯特演示电流磁效应
富兰克林曾发现莱顿瓶放电会磁化钢针的现象，这对奥斯特有很大启发。在1812年出版的书中，奥斯特根据电流流经直径较小的导线会发热的现象推测，如果通电导线的直径进一步缩小，导线会发光，最后甚至会产生磁效应的。1819年冬，奥斯特在哥本哈根开办了一个讲座，专门为具备自然哲学和相当物理知识的学者讲授电和磁的课题。在备课中，奥斯特分析了自己以及其他许多人寻找电流的磁效应都归于失败的原因，产生了“莫非电流对磁体的作用根本不是纵向的，而是一种横向力”的疑问。他决定在电流的垂直方向上寻找磁效应。1820年春，奥斯特使用了一个小的伽伐尼电槽装置，让电流通过一根直径很小的铂丝（这与他原先认为直径越小导线就越容易产生磁效应的观念是有关系的），在这根细铂丝下面放置了一个封闭在玻璃罩中的磁针，准备上课前试一试，但临时装置出了点故障，课前未能试成。当这堂课快讲完时，他决定不管怎样也要试一下。于是在听众面前大胆地合上电源，上述实验装置的小磁针被电流的效应扰动了。由于细铂丝通过的电流太弱，磁针受扰动很不明显，加之听众对电流的磁效应又无探讨的思想准备，所以这次实验并没有给在场者留下深刻的印象。然而奥斯待本人被实验现象深深地激动了。在这之后的3个月中，奥斯特加大了电流，连续进行了紧张而又深入的实验研究。1820年7月2日，他向欧洲各主要科学刊物公开了他的实验。其报告题为《关于磁针上电流碰撞的实验》，用拉丁文写成，仅用了4页纸，没有任何数学公式，也没有图表和示意图，只以简洁的文字叙述了实验的过程和结果。文章虽短，却轰动了欧洲，尤其是受到数学实力雄厚的法国科学院的欢迎，得到法国物理学界的高度评价。
奥斯特的实验记录
奥斯特的实验证明了电流只对磁性材料产生作用，而且这种作用具有横向性质。奥斯特还将玻璃、木头、水、松香、瓦片、石块等非磁性物体插在导线和罗盘之间，没有发现偏转的磁针有任何改变，甚至当磁针浸在装有水的铜盆里的时候，磁针在电流作用下仍然偏转。磁针放在导线的上面或下面，其偏转方向正好相反。由此，奥斯特直觉地发现，他所定义的“电流碰撞”沿着以导线为轴线的螺旋线传播，螺线的螺纹方向几乎与导线垂直。这就是电流的磁效应的横向特点的直观描述。奥斯特的“电流碰撞”虽是不科学的臆造的文体，但它却避免了使用牛顿的超距作用的概念。
过了50多年，美国物理学家罗兰于1878年设计了一个很精巧的实验，把磁的横向特点显示得更为突出。这个实验的基本内容是：静电带电圆盘绕垂直盘面的轴体转动时，相当于电荷作圆周运动，在轴线位置放一磁针，结果和电流通过圆形导线时安培所观察的结果相同，磁针受一个垂直于圆盘面的力的作用而发生偏转。圆盘转得越快，即电荷作圆运动的速度越大，则作用于磁针的力明显增大，磁针从原来位置偏转到垂直于圆盘平面的铀方向就更显著。于是，不仅力不在连接磁针与电荷的直线上，而且力的大小还与带电体的速度有关。然而，整个牛顿的机械力学观是建立在一个信念上的，即认为一切现象都可以用只与距离有关而与速度无关的力来解释的。而且，服从牛顿定律和库仑定律的引力、电力、磁与磁间的作用力都是沿着连接于相互吸引或相互排斥的物体的一条直线上发生的。从奥斯特到罗兰的实验却推翻了这个信念，牛顿的机械力学体系不再是最后的、完美无缺的体系了，这无疑是对旧观念的强有力的冲击，引起了物理观念上的一次大的飞跃。
历史上曾经有人讥笑奥斯特的发现是一种偶然的幸运。从以上的史实已足以说明这种讥笑是多么的愚蠢。奥斯特坚信自然力是统一的思想并为之宣传奋斗达20余年，由他发现电流的磁效应，是必然的结果，这正如法国生物学家巴斯德所说的一句名言：“在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑。”
安培定律及分子电流说
奥斯特实验结果公布后不到2个月，即1820年9月中旬,刚从瑞士回到巴黎的法国物理学家阿拉果（1786～1853年）赶紧向法国科学院汇报了奥斯特的发现，院士们听后大为震惊。“库仑不是早就证明了电与磁不会有联系吗？”他们简直不敢相信奥斯特的发现，于是各自回到家里或实验室，重复奥斯特的实验。结果说明既不是库仑的证明有错误，也不是奥斯特的发现不真实，而是将一定条件下的局部真理外推到一般情况而形成的一种错误观点要予以否定。库仑说的是静电与静磁之间不可能相互作用，这个有一定条件限制的正确论断决不能推广到电流或运动的带电体上。
奥斯特的发现使法国科学家猛醒过来，尤其是在科学上最能接受他人成果的安培（1775～1836年）迅速作出了反应，立即投入到比奥斯特发现更为详细的研究工作中去，取得了很出色的成果。
安培在少年时代就表现出他具有卓越的数学才能。法国大革命时期，他的父亲被处死，使安培精神上受到巨大打击。他对科学的热爱是由于读了卢梭关于植物学的著作而重新点燃的。安培的主要经历是在巴黎综合技术学校从事科学研究达20多年之久。
1820年9月18日，即在听了阿拉果报告奥斯特实验结果后的第七天，安培就向法国科学院报告了自己的第一篇论文，阐述了他重复他的奥斯特实验，并提出了圆形电流也有磁效应的观点，确定了磁针转动的方向与电流方向的关系服从右手定则，后人称之为安培定则。此后，安培创造性地扩展了实验内容，研究电流对电流的作用，即一电流产生磁效应（现在称为磁场），这种磁效应又会对另一电流有作用，这就比奥斯特的实验前进了一大步。9月25日，他向法国科学家提交了第二篇论文，叙述了用实验证明两个平行载流导线之间的相互作用的规律。安培的结论是：当电流方向相同时，它们互相吸引；当电流方向相反时,它们互相排斥。安培接着又用各种曲形载流导线做实验，研究它们之间的相互作用，并于10月9日向法国科学院报告了他的第三篇论文。
安培对此课题锲而不舍，又集中精力进行了2个多月的实验，他将精巧的实验与当时公认很艰深的数学——矢量分析相结合，对实验结果整理、提炼，提出了两个电流元之间的作用力与距离平方成反比的公式，此即著名的安培定律。安培于1820年12月4日向法国科学院报告了这一重要研究成果。
安培演示分子电流的实验装置
安培没有就此满足，他于1821年元月，提出了著名的安培分子电流说。认为每个分子的圆电流形成一个小磁体，无数小磁体是形成物体的宏观磁性的内在原因。他还对比了静力学和动力学研究的对象及名称，提出研究动电的理论应称为“电动力学”，这一名称一直沿用至今。安培总结当时有关动电的理论研究成果，于1822年发表了《电动力学观察汇编》，进而于1827年发表了《电动力学理论》。
除了安培之外，还有一些物理学者做了不少的出色工作。在安培总结出两电流元之间的作用力与距离平方成反比的安培定律之前，法国的毕奥(1774～1862年)和沙伐尔（1791～1841）曾于10月30日发表了题为《运动中电传递给金属的磁化力》的论文。这篇论文阐述了载流长直导线对磁极的作用，其大小反比于磁极到导线的距离。后来法国数学家拉普拉斯（1729～1827年）与他俩合作，帮助他们将实验结果概括到理论高度，得到了著名的毕奥—沙伐尔—拉普拉斯定律，该定律给出了电流元所产生的磁场强度的公式，即电流元在空间某点所产生的磁场强度的大小正比于电流元的大小，反比于电流元到该点的距离，磁场强度的方向按右手螺旋法则垂直于电流元和该点的距离。
安培定则
安培取得成就的过程说明，对科学上的新发现不仅要敏感，而且还要下大工夫深入到该发现中去反复进行实验，拓宽地进行探索，善于用先进的数学工具描写实验中的现象。这样，在新垦的科学园地里，辛勤的耕耘是会取得丰收的。
欧姆发明了欧姆定律
1827年，德国电学家欧姆（1787～1854年）发表《动电电路的数学研究》，提出了著名的欧姆定律。
欧姆的实验装置
欧姆不是大学毕业生，只是在大学里听过一些课，以后在中学担任教师。30岁时，欧姆当了科隆大学预科的数学和物理学教师。他定下的抱负是当大学教授。为了写书，欧姆请假到柏林查阅资料，这下可惹恼了校方，于是欧姆只好辞职去教学，在军事学校教数学，同时进行电学研究。他的研究工作逐渐受到尊敬和赞赏，由于成果卓著，英国皇家学会授予他科普利奖章。1849年欧姆已62岁，才被任命为德国慕尼黑大学的非常任教授（相当副教授）；直到1852年才转为正式教授，但2年后欧姆就去世了。欧姆顽强奋斗一生，终于在生前实现了年轻时定下的雄心壮志。欧姆从热流规律中受到很大启发。他对比地联想：既然导热杆中两点之间的热流正比于这两点的温度差，是否导线中两点间的电流也是正比于这两点间某种驱动力呢？欧姆沿这条思路考虑，并把这种驱动力称为验电力，即今天我们所称的电势差。欧姆花了很大精力在这方面进行探索。开始欧姆用伏打电堆做实验，由于电堆的电流不稳定，效果很不理想。后来，温差电池发明之后，欧姆用它来作为电源，于是稳定的电流有了保证。接着又遇到电流强度的测量难题。欧姆开始利用电流的热效应，由热胀冷缩效应测电流强度，因为这种效应不明显，所以很准取得可靠的数据。后来，欧姆巧妙地利用电流的磁效应，设计了一个电流扭秤：一磁针由丝线悬挂着，让通电导线与该磁针平行放置，再用一铋和铜组成的温差电池供电。电池一端浸在开水里，另一端插入碎冰中，并用两个水银槽作极，与导线相连。当钢导线通电流时，磁针偏转角与导线中的电流强度成正比。电流强度的准确测定，使得电流强度与电势差成正比（比例系数为导线的电导率）的定量关系，即欧姆定律，终于在《动电电路的数学研究》论文中确立了。
欧姆定律按其形式来讲要比安培定律简单很多，却在奥斯特的实验及安培定律之后7年才建立。这说明，在稳定电流源及电流强度的精确测量方法还不具备时，要对电流强度与其他物理量的定量关系作理论上的概括工作是不可能的。这也说明物理学是能从实验上加以验证并能得到定量描述的科学，人类的实践活动（包括科学实验）比起人类的理性活动（包括科学理论）来说，是更为重要的活动，在人类的知识发展中往往起决定性的作用。
法拉第揭示电磁感应现象
英国的法拉第（1791～1867年）是19世纪电磁研究领域中最伟大的实验家。
法拉第是一个铁匠的儿子。按他自己的话说：“我所受的教育是最平常的，比在普通的学校中基本的读、写、算多不了多少，我课外的时间还消耗在家里和街道上。”他13岁开始，在离家不远的书店和装订厂当童工，成为一名装订学徒工。法拉第十分喜爱阅读经他手的科学书籍。工余之后，法拉第还做些简单的化学实验，每周花上几个便士买些简单用品。19岁时，他在晚上还常抽空去听关于自然哲学的讲座，法拉第的哥哥对他很支持，为他支付入场费用。21岁时，法拉第幸运地听了化学大师戴维（1778～1829年）在皇家研究院的4次演讲。这时，法拉第已经成为工厂的正式装订工，但法拉第渴望到科学研究部门里工作。在他想象中，科学部门里的学者一定是和蔼可亲、心胸宽广的人。这个想法促使法拉第迈出了人生道路上关键的一步。他大胆地给戴维写了封信，表示了自己想到戴维门下工作的意愿，并将听戴维的演讲所做的工整的笔记也寄了去。戴维收到法拉第的信和笔记本后，受到感动，给法拉第复信，接受了他的请求。1813年，法拉第22岁，在英国皇家研究院当了戴维的助手。那年秋天，戴维外出旅行，法拉第作为戴维夫妇的秘书随同前往。他们游历了法国、意大利、瑞士等国，1815年法拉第回到皇家研究皖。这次长达2年的旅游经历，使法拉第长了不少见识。回国后，法拉第开始了自己的独创性的研究工作。1821年，30岁的法拉第才结婚。这期间，法拉第已经在化学、光学和声学诸方面取得了很多研究成果，大多数科学家决定推举他为皇家学会会员，而妒忌心却使学会主席戴维反对他的学生当选，然而主席职位的权威未能压住法拉第，1824年法拉第被选为皇家学会会员。法拉第并不计较恩师的忌妒心，他总是怀着敬慕的心情称颂戴维的天才，讲到在他早期的科学生涯中恩师对他的启迪和教诲。1825年，法拉第任皇家研究院院长。
法拉第实验记录图
19世纪20年代，欧洲的科学杂志已有不少，奥斯特的发现及其他有关电的磁方面的实验及理论研究成果传播到了欧洲各国。面对他国的科学成就，英国著名杂志《哲学年鉴》的主编不甘落后，于1821年特意邀请化学家戴维撰写文章，综述奥斯特发现以来一年中电磁学实验与理论的进展概况。戴维把此事交给了法拉第。在收集资料的过程中，激起法拉第对电磁现象要进行研究的极大热情，这样，法拉第就从其他研究课题逐渐转向电磁学方面。
1821年9月3日，法拉第重复了奥斯特的实验，他将小磁针放在载流导线周围的不同地方，发现小磁针的磁极受到电流作用后，有沿着环绕导线圆周旋转的倾向，这比奥斯特的实验前进了一步。据此法拉第还做出了一种磁旋转器。
法拉第仔细分析了电流产生磁效应的许多现象，他认为电流与磁的作用应有几个方面，那就是电流对磁、电流对电流、磁对电流等。在他之前，已经发现了电流产生磁的作用、电流对电流的作用。那么反过来，磁对电流有什么作用呢?法拉第认为既然磁铁可以使近旁的铁块带磁，静电荷可使近旁的导体感应出电荷，那么电流也应当可以在近旁线圈中感应出电流。1822年法拉第在日记中写下了他的光辉思想：“磁能转化成电。”从这一年起，法拉第对此进行了系统的探索。开始，他简单地认为用强磁铁靠近导线，导线中就会产生稳定的电流，或者在一根导线里通上电流，在附近的导线中也会产生稳定的电流。按照这条思路，他进行了下述实验。
法拉第实验
法拉第环
1825年，法拉第将一根导线放在另一根导线附近，前一根导线用一个电流计连接起来成为一个闭合回路，后面一个导线中通电流，观测闭合回路，结果没有任何电流显示。
1828年，法拉第做了另一个实验。用悬丝将绝缘棒中部拴住，使绝缘棒水平无扭转地悬挂着，棒的一端固定了一个铜质闭合线圈，另一端固定一个小的重物配重，用一块条形强磁铁的一极放入线圈内。法拉第认为，如果磁铁对线圈有作用，产生感应电流，这时若再将第二块磁铁靠近线圈，则线圈便会在水平面内转动。但任何转动也未观察到。法拉第又用铜质开环（铜环开个小口），又换铂、银材料做的闭环和开环重复做这一实验，仍然没有观察到感生电流的任何迹象。
法拉第的日记
法拉第做了近10年的“磁生电”实验。在工作日记中写下了大量的毫无结果的失败记录，厚厚的日记册正是法拉第百折不回、坚持奋斗的见证。他的日记，也记载了科学预见的光辉思想。法拉第坚持写工作日记几十年，直到生命的终结，这在科学史上，也是少见的。
1831年8月，法拉第再一次回到“磁生电”这一重大课题上来。他以往的失败，都在于只研究稳定状态效应，思想上还没有暂态（持续时间很短）效应的概念，更没有去创造条件展现暂态效应。这次法拉第在一只软铁环上绕以两组线圈A、B，线圈B与一电流计连接，当线圈A与电池组（由10只电池组成）相连的瞬间，电流计的指针偏转了一下，然后又回到原来位置。当线圈A与电池组断开时，指针又偏转了一下再回到原来指零位置。法拉第并没有立刻领悟到这一现象的重要意义，只是开始意识到这是一种暂态效应。
同年9月24日，法拉第将两根条形磁铁支成三角形，即一端的N极和S极拼在一起成三角形顶用，下端S极和N极分开，其间安放绕在铁质圆柱体上的螺旋线圈，线圈与电流计相连。他观察到，每当线圈跟下端的N极或S极接触一下，或脱离一下，电流计指针就偏转一下。这时法拉第觉察到，这效应和他8月份做的实验所显示的效应相似，他立即想到这就是寻找了将近10年的“磁生电”现象。
10月1日，法拉第满怀信心地再次实验。为使效应更加明显，他加大电流，加多绕组线圈。法拉第把长约186米用纱布包起来的铜导线绕在很宽的木线筒上，再于绕组线圈上绝缘地绕上同样长度的纱包铜线，将一个绕组和电流计连接，另一个绕组和100对金属极组成的电池组连接。他发现，当电键K接通和断开与电池的连接时，和另一绕组相连的电流计的指针明显摆动。法拉第还观察到，接通和断开电键K，电流计指针是作相反的摆动，但最后都回到原来指零位置。至此，法拉第对磁产生电流的现象已确信无疑。
10月7日，法拉第采用另一种方式进行实验：直接让磁棒运动看能不能产生电流。仍然将一线圈与电流计相连，手持一永久磁棒迅速插入或抽出线圈，他发现电流计指针在插入或抽出的瞬间发生偏转，然后回到原来指零位置。接着，法拉第做了几十个类似的实验，他最终认识了感生电流的暂态性质。
1831年11月24日，法拉第向英国皇家学会报告了电磁感应的第一篇具有划时代意义的论文。论文中明确地阐述了他解决电磁感应问题的关键，概括了均能产生感应电流的几种情况：正在变化的电流；正在变化的磁场；稳恒电流的运动；导体在磁场中运动。他将上述现象命名为“电磁感应”。至此，法拉第做出了科学史上的伟大贡献——揭示电磁感应规律。
电磁感应规律的揭示，也说明英国在电磁学研究领域里赶上和超过了法国。自牛顿以来，英国对自然科学的基本规律和基础理论的研究一直是很重视的，有成就的科学家受到社会的普遍尊敬并享有较高的社会地位。因此，并未在学校受过系统教育的法拉第能在英国取得如此卓著的成就，还是符合情理的事情。
麦克斯韦的贡献及电磁理论的建立
科学上重大理论的创立，往往是一场接力赛跑。它要靠许许多多的科学工作者前赴后继不辞劳苦的努力，才能达到成熟的境界。19世纪致使物理学爆发了一场革命的电磁理论，也是如此。从库仑、欧姆、奥斯特、安培到法拉第等人所做的奠基工作，直至最后理论的完成，前后经历了半个多世纪。这一理论的集大成者是英国伟大的科学家麦克斯韦（1831～1879年）。
法拉第的力线和场的概念为建立电磁理论提供了物理模型，但描绘场的力线、力管完全是一种定性的理论。法拉第的数学水平不高，无法使他的定性理论上升为精确的定量理论，其中最困难的地方是，法拉第无法用数学来描绘电场和磁场。当时物理学的状况是：已经用相当完善的数学理论来描述分立质点的机械运动。对静电和静磁现象的数学描述，也有相当大的进展。
泊松
首先是法国数学家泊松于1812年用数学方法证明了：在处于静电平衡的导体内部，任何带电粒子所受的力为零，否则导体内部会有电荷的流动。泊松还进一步证明了：由于万有引力定律和库仑定律均是反平方律，所以万有引力的数学理论的方法和结论大都可以移植到静电学中。因此，泊松认为在静电学中也可以找出与万有引力情形相似的函数V来解静电学问题。1813年泊松证明在静电学中的拉普拉斯方程。就在这年，德国数学家高斯给出了电通量满足的定理，即后人称为的高斯定理。
英国一位自学成才的数学家格林（Green），于1828年发表了一个阐述体积分和面积分关系的定理，即格林定理，并推广和发展了泊松对电磁学的贡献，明确指出泊松所说的函数是具有普遍意义的“势函数”，还进一步从理论上说明了静电屏蔽效应。
德国物理学家诺依曼（1798～1895年），于1845年根据安培理论，从矢势的角度推出电磁感应定律的数学形式。德国物理学家亥姆霍兹推导出了导体系统的电能，证明了法拉第感应电流之所以产生是能量守恒原理的结果。
英国物理学家汤姆逊在1847～1853年间，提出了铁磁质内磁场强度H、磁感应强度B的定义，认为H是沿磁化方向的长空洞中单位磁极所受的力；B是垂直于磁化方向割出的长狭缝内的磁场强度。此外，汤姆逊还推出了磁场的能量密度、载流导线的磁能。尤其是他在1851年发表的《磁的数学理论》，成为后来麦克斯韦的研究工作的先导。
德国物理学家韦伯（1804～1890年）等人也对电动力学采取了另一种数学理论加以研究，历史上称为韦伯电动力学。
由此看出，19世纪50～60年代，无论是在实验上，还是在理论上，都为麦克斯韦建立统一的电磁场理论作好了相当充分的准备。
麦克斯韦的父亲是一位不随流俗的机械设计师，对麦克斯韦的一生影响很大。他思想开朗，讲求实际，非常能于。家里的大小事情，从修缮房屋、制作工具，直到剪裁衣服，样样都能自己胜任。麦克斯韦从小勤思好问，很受父母宠爱。麦克斯韦的童年欢乐是短暂的。他9岁时，母亲不幸得了肺结核，不久就离开了人世，而麦克斯韦本人40年后也是死于此病。
母亲去世后，麦克斯韦的父亲担起了抚养教育他的全部担子，家计相当艰窘。失去了母爱，麦克斯韦性情渐渐变得孤僻、内向。他最大的快乐，是形影不离作父亲的小帮手。父子相依为命，关系极为亲近。
麦克斯韦小时候跟爸爸在庄园
麦克斯韦10岁上中学，他穿着父亲亲手缝制的衣、鞋，不讲式样，为了缝制方便，皮鞋头呈方形。这一身打扮，再加上讲话带很重的乡土音，立即引起同学们的嘲笑，麦克斯韦在冷眼中度过了中学的第一阶段。到了中年级，奇迹出现了，有一次学校举行数学和诗歌比赛，麦克斯韦得了两个科目的最高奖。这使全班同学和任课老师大为惊讶。从此，麦克斯韦受到同学们的崇拜，再也没有人取笑他的服装和话音了，麦克所韦成了全校拔尖的学生，获得了许多奖励。
麦克斯韦的数学才华，很快突破了课本的范围。他未满15岁时，即写了一篇数学论文，发表在《爱丁堡皇家学会学报》上，内容是讨论二次曲线的几何作图。学术刊物登载孩子的论文，这是罕见的，他父亲为此颇感自豪，同时也大大增强了麦克斯韦在学业上的进取心。他不仅是少年数学家，还是一位小诗人。麦克斯韦后来一生都没有放弃过写诗的爱好。麦克斯韦的诗多是即兴之作，取悦亲友，内容常与科学有关。
1847年秋天，16岁的麦克斯韦从中学毕业，考进了苏格兰最高学府爱丁堡大学，专攻数学物理。3年后，为了进一步深造，他转入英才萃集的剑桥大学。在剑桥的第二年，麦克斯韦就以优异的成绩考取了奖学金资格。按校方规定，得奖学金者在同一桌吃饭，麦克斯韦因此结识了一群有志有为的年轻人，并参加了他们的科学团体——“使徒社”。麦克斯韦的内向性格发生了很大的变化，成为“使徒社”里的活跃分子。这一时期，麦克斯韦专攻数学，读了大量的专著。他的学习方法，不像法拉第那样一切都循序渐进，井井有条。他读书不讲系统性，俨如一个性急的猎手，漫无边际。“使徒社”里的朋友要和他讨论问题，是件困难的事情，和读书一样，麦克斯韦说起话来，常常是天马行空，前言不搭后语。他的思路过于敏捷，让人难以捕捉。一次偶然的机会，著名的数学家、剑桥大学的教授霍普金斯对麦克斯韦发生了兴趣，诙谐地对他说：“小伙子，如果没有秩序，你永远成不了优秀的数学物理学家！”这以后，麦克斯韦成了霍普金斯的研究生。
在导师的指导下，麦克斯韦首先克服了杂乱无章的学习方法。导师对他的每一个选题，推导中的每一步运算都要求很严。与此同时，麦克斯韦还参加了剑桥大学的斯托克斯讲座。斯托克斯在数学和流体力学上都有建树。经这两位数学大师的指教，麦克斯韦进步很快，不出3年就掌握了当时所有先进的数学方法，成了一名年轻有为的数学家。
和法国的拉普拉斯一样，霍普金斯在英国也是主张数学和物理要结合，这对麦克斯韦产生了重要的影响。麦克斯韦毕业后留校工作。起初，他研究的课题为光学里的色彩论。不久他读了法拉第的《电学实验研究》，立即被书中新颖的实验和见解所吸引。当时学术界对法拉第的学说看法不一，有不少非议。其原因是“超距作用”的传统观念影响还很深，普遍对“场”概念没有认识，加上法拉第的学说缺乏理论的严谨性，他的创见都是用直现形式表达，很难为一般理论物理学家所接受，有的学者还颇有瞧不起之意。有位天文学家就公开宣称：“谁要是在精确的超距作用和模糊不堪的力线观念间有所迟疑，那简直是对牛顿的亵渎！”然而，具有远见卓识的汤姆生对法拉第很钦佩，他在自己的卓有成绩的电学研究中，多次向法拉第求教，同时汤姆生（当时是教授）对麦克斯韦给予不少帮助。在汤姆生的影响下，麦克斯韦相信法拉第新说中一定包含有真理，他认真研究了法拉第的著作后，终于领悟了力线思想的宝贵价值，同时也看到了法拉第定性表述方面的弱点。这位初出茅庐的青年科学家决心用数学来弥补这一弱点。
一年后，24岁的麦克斯韦发表了《论法拉第力线》，这是他的第一篇关于电磁学的论文。在此文中，麦克斯韦用数学方法，把电流周围存在力线这一特征，概括为一个矢量微分方程。由此方程，每一电流都产生一条磁的涡线。这一年（1855年），恰好法拉第结束了长达30多年的电学研究。麦克斯韦接过这位伟大先驱手中的火炬，开始向电磁领域的纵深地段挺进。
《论法拉第力线》一文中，麦克斯韦认为电荷间以及磁极间的力是靠场来传递的，他主攻方向是“场”。麦克斯韦把力线比作不可压缩的流体的流线，电场强度比作流速，并引入一种新的矢量函数来描述电磁场。可以说，他把法拉第的物理观念翻译成数学形式。麦克斯韦抓住了真理，就锲而不舍；而汤姆生起步早，也定到真理的边缘，却又迟疑而去。
正当麦克斯韦快要取得研究上的突破时，他父亲病重，为了照料亲人。麦克斯韦到离家很近的一所学院任教，他父亲去世后学院继续挽留他，以致麦克斯韦的电磁研究推迟了4年。
土星光环模型
在这所学院任教期间，一项有学术奖的天文学课题花去了麦克斯韦整整2年的时间，这项成果以题为《土星光环》的论文发表于1858年。这年春天，麦克斯韦27岁，和学院院长的女儿结了婚。
在《土星光环》这篇论文里，麦克斯韦成功地用数学物理方法，论述了土星光环由一群离散质点构成。这项成果获得了亚当斯奖。关于土星光环的这一结论在38年后为一位美国天文学家所证实。在土星光环的研究中，麦克斯韦遇到有关气体力学中的一些难题，于是他的研究内容又涉及气体力学方面。著名的气体速度分布率，即麦克斯韦速度分布率，就是这时完成的。
这两项非电磁领域里的重大成果，充分证明了麦克斯韦已具备了一个卓越数学物理学家的造诣。对他来说，物理学是探讨的课题，数学则是得心应手的工具。
1860年，麦克斯韦携妻子调到伦敦皇家学院任教，又开始继续他的电磁学研究了。到伦敦后的一个晴朗的秋日，麦克斯韦特意去拜访了法拉第。这位实验大师年近七旬，两鬓斑白，比麦克斯韦年长40岁。但他们一见如故，亲切地交谈起来。两人的科学方法很不相同，法拉第专于实验探索，麦克斯韦擅长理论概括，但两位科学巨匠对物质世界的看法却产生了共鸣。在对电磁现象本质规律的探索中，两人在许多方面是互相补充的。
法拉第在4年前曾注意到《论法拉第力线》一文，一见面他没料到论文的作者如此年轻。当麦克斯韦征求他对论文的看法时，法拉第说：“我不认为自己的学说一定是真理，但你是真正理解它的人。”
“先生能给我指出论文的缺点吗?”麦克斯韦谦虚地问道。
“这是一篇出色的文章，”法拉第沉吟道，“但你不应停留于用数学来解释我的观点，而应该突破它！”
法拉第的话，像一盏明灯，照亮了麦克斯韦前进的道路。后来爱因斯坦曾把法拉第和麦克斯韦称作一对，就像伽利略和牛顿一样。麦克斯韦自己也曾谈到：“因为人的心灵各有其不同的典型，科学真理也就应该以种种不同的形式表现，不管他以具有生动的物理色彩的粗豪形式出现，还是朴素无华的一种符号表示出现，它都应当被当作是同样科学的。”字里行间流露出麦克斯韦对法拉第的尊敬。
麦克斯韦设计了一个理论模型，试图对法拉第的力线观念做进一步探讨。这个模型完全建立在机械结构的类比上，有人称为是“以太模型”。现在看来，这个模型是很成问题的，事实上麦克斯韦在晚期著作中，也舍弃了这一模型。使人惊异的是，麦克斯韦把这个模型作为跳板，成功地登上了真理的彼岸。
在讨论该模型时，麦克斯韦发现了一个重要事实，引起他极大的注意。为了分析介质的性质，他将电的静电单位和电磁单位相除，比值为一常数，具有速度量纲，恰好等于光速。这实际上意味着他已经得出了电磁波传播速度与光速是一样的结论。尽管当时他尚未完全意识到这一点，只是感到事情很重要，于1861年10月19日写信给法拉第，报告了这一重要的结果。
麦克斯韦旋转线圈
1862年，麦克斯韦在英国《哲学杂志》上发表了第二篇电磁论文《论物理的力线》。文章一刊登，立即引起了广泛的注意。这是一篇划时代的论文，它与1855年的《论法拉第力线》相比，有了质的飞跃。论文不再是法拉第观点单纯的数学翻译，而是有了重大的引申和发展。其中最重要的是引进了“位移电流”的概念。在这以前，包括法拉第在内，人们讨论电流产生磁场时，指的总是传导电流，即导体中自由电子运动所形成的电流。麦克斯韦在研究中发现：在连接交变电源的电容器中，电介质内并不存在自由电荷，也就是没有传导电流，但磁场却同样存在。经过反复思考和分析，麦克斯韦毅然指出，这里的磁场是由另一种类型的电流形成的。这种电流存在于任何电场变化的电介质中，并和传导电流一起，形成闭合的总电流。麦克斯韦通过严密的数学推导，求出了这种电流的面密度的数学表达式，麦克斯韦把这种电流称之为“位移电流”。从理论上引出位移电流的概念，是麦克斯韦对电磁学的伟大创见，是继法拉第电磁感应之后在电磁学上的一项重大突破。根据这一科学假设，麦克斯韦导出了2个高度抽象的微分方程式。
1864年，麦克斯韦向英国皇家学会宣读了关于电磁学的第三篇论文：《电磁场的动力理论》。第二年，这篇论文在《哲学杂志》上发表。在这篇论文中，麦克斯韦总结了前人的和他提自己的对电磁理论的研究成果，提出了“电磁场理论”。他指出：“我之所以把我提出的这个学说称为电磁场理论，是因为这关系到带电体和磁体周围的空间。另外，这个学说也可以称为电磁的动力理论，因为它假定在此空间中有物质在运动，由此会产生可观察到的电磁现象。”麦克斯韦在文章中提出了一套完整的方程组，他写出的是分量形式，而且物理量的名称相符号都和现代形式不一样。经后人的整理，麦克斯韦方程组的现代形式是：
分别表示磁场强度、磁感应强度、电场强度、电位移矢量、电流密度、电荷密度、介电常数（电容率）和磁导率。
麦克斯韦方程组从两方面发展了法拉第的成就：①位移电流。它表明不仅变化的磁场产生电场，而且变化的电场也产生磁场。凡是有磁场变化之处，其周围不论是导体，还是电介质，都有感应电场存在。这种变化的电场和磁场构成统一的电磁场。②采用拉格朗日和哈密尔顿创立的数学方法。由该方程组直接导出了电场和磁场的波动方程，其波的传播速度为：
它正好等于光速，并与4年前他推算的那个电的静电单位与电磁单位的比值完全一致。因此，他大胆地断言，光也是一种电磁波。早先法拉第关于光的电磁论的朦胧猜想，由麦克斯韦把它变成了科学的严谨推断。
麦克斯韦《电磁学通论》
麦克斯韦在发表了《电磁场的动力理论》论文后不久，于同年（1865年）辞去了皇家学院的教席，在格伦奈耳系统地总结电磁学的研究成果。经过几年的甘苦，名为《电磁学通论》的专著于1873年问世了。这是一部电磁理论的经典著作。在这部鸿篇巨著里，麦克斯韦系统地总结了人类在19世纪中叶前后对电磁现象的研究成果。其中有库仑、安培、奥斯特、法拉第等人的开山之功，也有他本人创造性的努力，终于建立起完整的电磁理论。这部巨著的重大意义，足以与牛顿的《自然哲学数学原理》（力学）（1687年出版）、达尔文的《物种起源》（生物学）（1859年出版）相比。书准备出版时，麦克斯韦已回到剑桥大学任教，他的朋友和学生对此书期待已久。书一出版，人们争相购买，第一版在几天内就出售完了。
《电磁学通论》虽然一抢而空，但真正读懂它的人却寥寥无几。不久，开始有人批评它了，说此书太艰深、太难懂。高度抽象的麦克斯韦微分方程，仅仅几个公式、几个数学符号，就包罗了电荷、电流、电磁、光等变化万千的一切电磁现象的规律，这在一般人看来，确是不可思议的事情。另外，自麦克斯韦宣布他的理论后，一直没有人发现电磁波。而能否证明电磁波存在，又是检验麦克斯韦理论的关键。在当时，许多物理学家对电磁波的存在是持怀疑态度的，连当年曾给麦克斯韦热情鼓励的汤姆生，也不敢肯定麦克斯韦的预言是否可靠。
麦克斯韦未能亲自从实验去证实电磁波的存在。正如他的一位学生后来所说的：“他从理论上预言了电磁波存在，但似乎从未想到用任何实验去证明它。”由于环境和工作条件的限制，麦克斯韦一直没有更多机会从事电磁实验，他主要是一位理论物理学家，电磁学上的理论工作以及热力学和分子物理学的理论研究，耗去了他大部分时间和精力。和没有实验就没有法拉第的情形相反，对麦克斯韦来说，实验只能排在很次要的地位。他在伦敦寓所屋顶有一间狭长的阁楼，麦克所韦把它做实验室用。他妻子常帮忙生火炉，调节室温，当他的助手，条件相当简陋，只能做些简单的热力学实验。在皇家学院的实验室里，他所做过的电学实验，也限于测定电阻之类的简单操作。
《电磁学通论》完成后，麦克斯韦忙于筹建卡文迪许实验室，整理卡文迪许的遗著，这一繁重的工作，几乎完全占去了他一生最后几年的时间。
卡文迪许实验室是卡文迪许家族里的一位公爵捐赠修建的。为了增添仪器，麦克斯韦也拿出了自己不多的积蓄。在整个筹建过程中，从建筑设计、工程施工、仪器购置，直到大门上的题词，麦克斯韦都亲自过问。这座实验室在1872年动土，于1874年竣工。麦克斯韦是创建人，也是实验室主任，继任的主任也都是世界第一流的物理学家。卡文迪许实验室开花结果是在20世纪。大批优秀的科学人才从这里培养出来，尤其是在原子物理学方面。
麦克斯韦在生命的最后几年的主要工作，是整理18世纪科学家卡文迪许留下的大量资料。前面已提到，卡文迪许是位喜欢离群索居、终身未娶、一心搞科学研究而又不去发表研究成果的“怪人”。整理他留下的20多捆科学手稿，是一种非常细微而又困难的工作，麦克斯韦为此作出了很大的牺牲，他放弃了自己的研究工作，耗尽精力，才完成了任务。除了卡文迪许实验室的日常事务，麦克斯韦每一学期还主讲一门课程，内容为电磁学或热力学。他在讲台上热心宣传电磁理论；推广新学说，但听众却不多。他本来就不太擅长讲演，何况电磁理论又如此高深，不为一班人所理解，加上他妻子久病不愈，工作又十分繁重。过分的劳累和焦虑终于影响了他的健康。1879年，麦克斯韦的健康状况明显恶化，患的和40年前他母亲一样的肺结核病。但他仍然坚持工作，不懈地宣传电磁理论。他的讲座这时仅有2名听众，其中一位就是后来发明了电子管的弗莱明。这真是一幕令人感叹的情景！空旷的阶梯教室里，只在头排坐着2个学生，麦克斯韦夹着讲义，照样步履坚定地走上讲台。他面庞消瘦，目光闪烁，表情严肃而庄重。仿佛他不是在向两名学生，而是向全世界继续解释自己的理论。
1879年11月5日，麦克斯韦病重去世，终年仅48岁。他的功绩，生前未得到重视，他在英国的荣誉，远不及法拉第。他的思想太不平常了，那时第一流的物理学家要理解它，也要花上好几年的气力。只是在他死后许多年，当赫兹证明了电磁波存在后，人们才逐渐意识到，并公认他是“自牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。