電學

電學(Electricity)
國立臺灣大學電信所電波組碩士生 林庭毅

人類在演進的各個時期，學會掌握使用不同的工具創造文明，如果可以簡單的分劃出三個時期，那麼第一個應該是學會用火熟食的技巧，第二個是大型工具蓬勃發展的工業革命，第三個就是掌握了應用電磁現象的方法。人類對電磁現象最早的觀察，可以追朔到西元前六世紀古希臘七賢泰勒斯 (Thales of Miletus) 在琥珀上所發現的摩擦起電現象，而後要到了十六世紀才由英國皇家御醫吉爾伯特 (William Gilbert, 1544-1603) 發現摩擦起電的現象不是琥珀所獨有，而是許多物質都有的共同特性，但更一步的電磁研究要到了十八世紀才有重大突破，像是我們熟知的庫倫定律，主張電磁力與兩帶電物體之間的距離平方有反比關係，這是他經由實驗證實並歸納出的公式，而後靜電學的現象便可由這個式子出發去探討，時至今日，我們依然將這個結果擺在許多電磁學教科書的前幾個單元，足見它的重要性。

許多偉大的成果都來自那麼靈機一動，關於動態的電磁現象呢?在 1820 年的丹麥物理學家奧斯特 (Hans Christian Oersted, 1777-1851) 一場演講中，他突然好奇「要是今天我把一根通過電流的導線放在指針上方，會發生什麼事情呢？」結果指針偏轉了，這個在今日連小學生都知道的結果，對於當時的人來說是很神奇的事，而這也開始為一連串之前無法以靜電公式來解釋的現象找到出路，原來電磁現象是結合在一起的。

圖一、法拉第圖像。（引自https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Michael_Faraday_-_Project_Gutenberg_eText_13103.jpg#/media/File:Michael_Faraday_-_Project_Gutenberg_eText_13103.jpg）

在接下來的六十年間，電磁學的發展快速，而到此我們一定不能不提到一個人，那就是鼎鼎大名的法拉第 (Michael Faraday, 1791-1867)。在科學的研究中，我們最希望的就是化繁為簡，在聘他擔任助理的老師戴維 (Humphry Davy, 1778-1829) 與法拉第一次的對談中，戴維問他：「你能否簡單的跟我解釋庫倫定律呢？」已經熟知那個像是重力公式的我們，一定會不假思索的回答 kqq 除以 r 平方，有讀過那種書上寫法比較特立獨行的同學可能會跟你說 $$4\pi\varepsilon$$……，但是法拉第回去想想後，他給戴維的回答中，沒有一條式子，只有一張簡單的圖，上面畫著一個點電荷，然後有從點電荷向外散射的箭頭，這是一個多令人讚嘆的結果啊，以線的疏密表示場的大小，以箭頭的方向標示作用力方向，這不就漸漸的把「場」的概念給引進來了嗎？也難怪戴維提起他這一生最大的成就，只是笑笑的說了：我發現了法拉第。

圖二、馬克士威爾圖像。（引自http://www.technologycorp.com.au/resource/james_clerk_maxwell/）

而在這個電磁理論發展的黃金年華，還有一個人功不可沒，那就是以四條方程式解釋完所有目前觀察得到的電磁現象的馬克士威 (James Clerk Maxwell, 1831-1879)。法拉第雖然以實驗精彩地驗證了前人許多的成果，但他不諳數學，無法詳細的以數學描述他的物理思維，但馬克士威正好精通數學，於是他把連同法拉第在內的前人們的研究成果以相當簡潔的式子整理在一起。你或許會覺得，只是撿起別人的結果，這樣就享負盛名未免也太簡單了吧？當然不，馬克士威經由理論的研究，推想出安培定律的不足，並將其大膽推廣，從而得以由數學推倒而預測「電磁波」的存在。這樣的舉動造就了在未來的一百多年間，許多的電磁應用得以多樣的發展，而在這一百多年間，又有另一個人為馬克士威方程式帶來另一番的見解，那就是愛因斯坦先生，不過，那又是另一段故事了。

參考文獻

1. 陳永平。電磁學發展史。電機科技發展概論。國立交通大學電機系。http://jsjk.cn.nctu.edu.tw/JSJK/ESTS/ESTS_6_Development%20of%20Electromagnetics.pdf
2. 林秀豪。普通物理二。清華大學開放式課程。
   http://ocw.nthu.edu.tw/ocw/index.php?page=course&cid=107&