聲音的故事

一、中國人的發現
(1)公元前6世紀
    <管子>中總結了和聲規律，闡述了標準調音頻率，具體記載三分損益法。
(2)公元1世紀
    王充(27-97)<論衡>中，記載了有關聲音學的物理常識。
(3)春秋戰國時期
    青銅器大量湧出 (公元前433年)曾侯乙墓中，編鐘形制精確，音律準確。共計有
    124件，其中有65件鐘。
    同時期墨子在地下放甕，利用共鳴現象，來探查敵方挖洞攻城的計謀。宋曾公亮
    <武經總要>把這種方法，稱為”聽甕” 。
(4)<考工記>
    中作出科學總結，指出磐體的厚薄與發音高低間的關係。並明確指出調音方法:
    已上,則摩其旁; 已上,則摩其旁”
(5)宋沈括(1031-1095)
    <夢溪筆談>中，研究聲音的共振現象。
(6)北京天壇(1530)
    明嘉靖9年建成，天壇的部分建築有高聲學效果:回音壁、三音石和圜丘等都是。
(7)明代
    朱載堉(1536-1610)用數學方法，發明的十二平均律，對現代樂器製造，有重要
    作用。
(8)宋應星(1587-16??)
    <天工開物>中，對樂器製作及調音方法，也都有詳細的說明。
二、國外的發現
    聲學為力學的一個分支，但聲學也獨立於力學之外發展
(1)加利略
    近代聲學起於加利略，他在”對話”一書中，論及了音調與振動頻律相關。他說
    振動頻率的比例關係，標誌了音調的相對高低。對於振動頻率又取決於弦的長度、
    張力和質量。
    他也敘述了摩擦純音，可使水面形成駐波的現象。
(2)默森(1588-1648)
    對於加利略”對話”進行了發展作出了振動頻率的絕對測量，還發現弦在發出基音
    的同時，也發出若干泛音才形成諧調的音樂。
    他並第一個測出了音速。
    他也研究十二平均律的問題，但比同期中國科學家朱載堉晚了幾十年。
(3)索維爾(1653-1716)
    在管風琴中觀察到默森的樂音現象，並因此而發明了游碼，確定了弦上波節與波
    腹的位置。
(4)蓋利克
    利用多次實驗證明了，聲音不能穿過真空。
(5)牛頓
    牛頓計算了聲速與空氣壓縮係數，密度關係
    在他的時代聲音學進步緩慢，只能算是近代聲音學的起步，但為聲音學進入實驗
    研究作好了準備。
參考書目
    1:簡明自然科學史 鮑耀三 張純成主編 河南大學出版社
    2:物理通史 郭奕玲 沈慧君著 凡異出版社
    3:中國科學文明史 顧俊 木鐸出版社
    4:物理學發展史上的里程碑 馬文蔚等編 凡異出版社

光譜學簡史～量子力學

<量子力學>

　1884 Balmer series(中學數學教師)→1890 Rydberg→
1908 Ritz→1913 Bohr→1923 Schroding

• 由氫光譜找答案(最簡單的原子)
• 自1884→1913   共33年    物理新觀念成熟需時間
• 力學、駐波    舊有熟悉知識與經驗的束縛
• 其他領域的平行進展，與相互佐證(原子散射、黑體幅射、光電效應…)
• Balmer series(中學數學教師)    無(舊識)污染

光譜學簡史～巴耳末公式的發現

 19世紀當時的物理學家往往習慣於用力學系統來處理問題，擺脫不了傳統觀念的束縛，也許正是這個原因，在光譜規律的研究上，首先打開突破口的不是物理學家， 而是瑞士的一位中學數學教師巴耳末(Johann Jakob Balmer 1825-1898)，他受到巴塞爾大學一位對光譜很有研究的物理教授哈根拜希(E. Hagenbach)的鼓勵，試圖尋找氫光譜的規律。巴耳末在巴塞爾大學兼課，巴耳末擅長投影幾何，寫過這方面的教科書，對建築結構，透視圖形，幾何素描有濃厚興趣，他在這方面的特長使他有可能取得物理學家沒有想到的結果。

        1884年6月25日巴耳末在瑞士的巴塞爾市向全國科學協會報告了自己的發現，氫光譜公式：λ  = bm² /(m² -n²),其中λ是氫光譜的波長，b是一共同因子，等於3645.6×10^－7 ㎜， m，n為正整數。

        巴耳末在論文中沒有具體介紹是怎樣找到這個基本因子的，巴耳末公式打開了光譜奧秘的大門，找到了譯解原子"密碼"的依據，此後光譜規律陸續總結出來，原子光譜逐漸形成了一門系統的科學。

光譜學簡史～<精確的光譜學測量與氫光譜>

<精確的光譜學測量與氫光譜>

西元1868年

埃格斯特朗(Anders Jonas Angstrom,1814-1874)發表"標準太陽光譜"圖表，記有上千條夫琅和費線的波長，以10-8厘米為單位，精確到六位數字，為光譜工作者提供了極有用的資料

　　埃格斯特朗是瑞典阿普沙拉市的大學物理教授，作過天文觀測站工作，從事光譜學的工作多年，對光譜的性質，合金光譜，太陽光譜以及吸收光譜和發射光譜間的關係作過一系列研究，特別是對光譜波長的精確測量，進行過大量的艱苦工作，為了紀念他的功績，10^-8厘米就命名為埃格斯特朗單位(簡寫為Å)。埃格斯特朗的光譜數據用作國際標準達十幾年,後來發現阿普沙拉市的標準米尺與巴黎的米尺原器相比，不是999.81毫米，而是999.94毫米，致使埃格斯特朗的光譜數據有系統誤差，1887-1893年後，被羅蘭的數據所代替。

1848-1901年	羅蘭(Henry Augustus Rowland 美國約翰‧霍普金斯大學教授)設計製成了高分辨率的平面光柵和凹面光柵，獲得的太陽光譜極為精細。
	埃格斯特朗從氣體放電的光譜中找到了氫的紅線，Hα線，並證明它就是夫朗和費從太陽光譜發現的C線

        氫光譜的獲得也要歸功於埃格斯特朗，他首先從氣體放電的光譜中找到了氫的紅線，並證明它就是夫朗和費發現的太陽光譜C線，後來又發現另外幾根可見光區域內的氫譜，並精確地測量了它們的波長。

1800年

胡金斯 (William Huggins,1824-1910) 和沃格爾(Hermann Carl Vogel,1841-1907)成功地拍攝了恆星的光譜，發現這幾根氫光譜還可擴展到紫外區，組成一光譜。這個光譜具有鮮明的階梯形，一根接著一根，非常有規律。可是即使這樣明顯的排列，人們也無法解釋。

力學系統(振動、諧音)→光譜規律與成因

        19世紀80年代初，光譜學已經取得很大發展，累積了大量數據資料，擺在物理學家面前的任務，是整理這些浩繁雜亂的資料，找出其中的規律，並對光譜的成因，即光譜與物質的關係作出理論解釋。法國的M. 馬斯卡特、波依斯邦德朗都發表過光譜的規律與成因，用熟悉的力學系統說明光的發射，將光譜線類比於聲學的諧音。英國的Stroney (1826-1911)竟從三條可見光區的H譜線為20:27:32之比，根據基音諧音的關係，猜測基音波長為13127714Å。

光譜學簡史～<早期的光譜學研究>

<早期的光譜學研究>

太陽光譜→火焰光譜→化學成分 稜鏡→狹縫→光柵

　    牛頓的色散實驗可以說是光譜學的開始，不過牛頓並沒有觀察到光譜譜線，因為他當時不是用狹縫，而是用圓孔作光闌，據說當時他也曾想到用狹縫，但他委託助手來做這部份實驗，而助手不瞭解他的意圖，因而失去了發現的機會，以後一百多年這方面並沒有重大進展。

西元1666年	牛頓三稜鏡色散實驗
西元1748年	英國的梅耳維爾(Thomas Melvill)用稜鏡觀察多種材料的火焰光譜，包括鈉的黃線
西元1800年	赫謝爾(William Herschel)發現了太陽光譜紅光外呈現熱效應(紅外線)
西元1801年	里特(Ritter)發現了紫外線(氯化銀變黑)
西元1802年	沃拉斯頓(Wollaston)觀察到太陽光譜的不連續性。看到多條黑線，誤以為顏色的分界
西元1803年	托馬斯 楊(Thomas Young)進行光的干涉實驗測波長，第一次提供了測定波長的方法
西元1814年	德國物理學家夫琅和費(J.V.Fraunhofer)發明光柵測得D線波長。當時的光柵為：銀絲纏在兩根螺桿，及用今金鋼石刻紋機在玻璃上刻痕，作成透射光柵。用望眼鏡細心觀察太陽光譜,將其中八根顯要的黑線標以A至H等字母(人稱夫琅和費線),為光譜精確測量提供了基礎。 有了光柵，就能精確測量光譜，所以此後的光譜學科學家就熱絡地，在研究光源化學成分與激發方式之密切關係。
西元1848年	J. L. Foucault發現Na既能放射也能吸收D線。
西元1859年	基爾霍夫(G.R.Kirchhoff) 和本生(R.W.Bunsen) 研究各種火焰及火花光譜，發現了銫(1860)銣(1861)基爾霍夫(G.R.Kirchhoff)對光的吸收和發射作了深入研究，建立了定量的基本定律，即：在同溫度下，所有物體對同一波長的光線，其發射本領和吸收本領之比是一常數，這個定律稱為基爾霍夫定律，接著他和本生研究鹼金屬的光譜時，發現了銫和銣
西元1861年	克魯克斯用光譜方法檢查物料，發現了鉈
西元1863年	里奇發現銦
西元1875年	波依斯邦德明發現了鎵元素
光譜學用以分析鑑定化學成分，但缺乏精確波長標準可供比較。

光學簡史

1. 光理論的歷史
   光現象在最早期就給人類知覺上深刻的印象：日夜的交替， 光與溫度的聯想， 四季的循環等。畢達哥拉斯認為視覺射線從眼睛投射出來，落在物體上而感知它們的形狀和顏色。
2. 折射定律的建立
   十一世紀阿勒‧哈增發現入射線、反射線和法線在同一平面，而1621年荷蘭的斯涅耳從實驗獲得折射定律正確的關係公式，1661年費馬原理從理論上推導出折射定律。反射定律與折射定律建立後，光學才真正形成一門學科。這兩個定律奠定了幾何光學的基礎，十七世紀望遠鏡和顯微鏡的應用更促進了幾何光學的發展。
3. 牛頓的顏色理論
   後來光學發展，最重要的或許就是牛頓的顏色理論。用裬鏡將一小束太陽光譜投射在螢幕上，他證明光是一種看似簡單的高度複合體。牛頓用裬鏡來分離光束，不同顏色的射線用不同的角度折射。
4. 牛頓的光粒子理論
   牛頓引導出光粒子理論，主張光是由微小粒子組成，而以很大的速度運動，理由是因為光的顏色及直線傳播。由於牛頓卓越的貢獻，在另一個角度上，他的光粒子理論反而阻礙光學一百餘年的發展，一直到1802楊氏雙狹縫干涉實驗結果與定量波動理論分析，才讓人開始察覺光粒子理論之不足，再經過Fresnel繞射分析的革命，光學回到路上持續蓬勃發展。
5. 惠更斯的光波理論
   惠更斯與牛頓同時期，提出波動理論，主張光是穿越介質的波動，同樣成功地解釋反射定律與折射定律，其對光學的偉大貢獻是波前的觀念。雖然十七世紀科學家已經看到一些奇怪的干涉和繞射現象，一方面由於惠更斯的波動說當時並不是成熟的理論，另一方面牛頓的強勢光粒子理論影響下，惠更斯的波動說並沒涉及干涉與繞射，波動理論在光學上的立足，一直等到1802楊氏雙狹縫干涉實驗。
6. 楊氏干涉
   楊氏首先發表一連串波動理論論文(1802-1804)。並應用到薄膜，提出從兩個平面反射出干涉的結果，實驗中暗條紋所在之處，其光程差為半個波長的奇數倍，這個模型，須用干涉的觀念才能圓滿解釋。楊氏雙狹縫干涉實驗是光學發展上相當重要的路碑。等到1864年馬克士威方程式完成電磁學古典理論，推斷電磁波的存在，預測光是電磁波的一種，不但再度強力證實光的波動性質，而且順利平滑地將電磁學與光學統一。
7. 以太的死亡
   1887年美國物理學家邁克生(A.Michelson)和莫利(E.Morley)完成一個探測在地球以太中運動的實驗。結果顯示以太不存在。二十世紀初，邁克生和莫利的實驗對愛因斯坦的相對論很有貢獻。相對論假設質量與能量的對等性，對粒子與波動的融合很有貢獻，即所有物質具有粒子與波動的雙重性。這是二十世紀物理學的基本主義。證明邁克生和莫利的實驗的同時，引起其它的現象，更加支持光學理論。
8. 光速的測量
   " 光快到何種程度？" 是長久以來人類對大自然的好奇心之一，光速是統一電磁學與光學的關鍵證據，而所有慣性座標會看到相同的光速是二十世紀近代物理中之相對論的起點。
   A.天文方法
   丹麥天文學家羅默(Romer)觀察木星的衛星蝕的週期, 前後落後22分鐘, 認為光須22分鐘穿越地球軌道, 羅默即利用地球軌道的直徑來計算光速
   B.實驗室測量
   ‧1849年, 斐索(A.Fizeau)測量到光走距8.63公里處的鏡子再折回所須的時間, 利用720齒的齒輪, 轉速達200轉/秒時, 斐索算得光速為315,300公里/秒
   ‧1850年, 佛科(J.L.Foucault)以旋轉鏡片來測量到光速, 算出光速為298,000公里/秒, 只比現在已知值小百分之一. 且如波動理論所言, 佛科發現光在水中走得較空氣中慢

光學發展大事紀

1. 紀元前：

   公元前5世紀	墨翟（墨經：春秋戰國時代）在墨經記載並論述小孔成像、光色與溫度的關係
   公元前3世紀	歐幾里得（Euclid）論述光的直線傳播和反射定律
   公元前2世紀	劉安（淮南子：西漢）冰透鏡、反射式潛望鏡

2. 1世紀15世紀

   2世紀	托勒密（Ptolemaneus）發現大氣折射
   2世紀	張衡（：東漢）製渾天儀
   2世紀	王符（潛夫論：東漢）分析人眼作用
   11世紀	沈括（夢溪筆談：北宋）凹面鏡成像原理
   13世紀	趙友欽（革象新書：元）光學實驗、光的直線傳播、小孔成像、光的照度、視角等問題

3. 16世紀17世紀

   1609年	伽利略初次測光速未成功
   1619年	科普勒行星運轉三大定律
   1620年	斯涅耳（Snell）實驗歸納出來反射定律及折射定律
   1658年	費馬（Fermat）費馬最短光程原理
   1660年	Grimaldi發現繞射
   1666年	牛頓三稜鏡色散實驗
   1669年	Bartholinus發現方解石有雙折射現象
   1675年	牛頓環實驗（仍用微粒說解釋）
   1676年	Roemer利用木星衛星蝕測光速（第一次成功）
   1690年	惠更斯提出波動學說（沒用來解釋干涉）

4. 18世紀19世紀

   1800年	Herschel發現紅外線（研究太陽光譜）
   1801年	Ritter發現紫外線（研究太陽光譜）
   1801年	楊氏干涉實驗、與干涉原理
   1808年	Malus發現光的偏極
   1811年	Brewster 角
   1815年	Franhofer 暗線（研究太陽光譜）
   1815年	Fresnel 以楊氏干涉實驗補充惠更斯波動學說
   1821年	Fresnel 光的橫坡理論
   1821年	Franhofer 發明光柵
   1821年	Franhofer 發明光柵
   1841年	高斯（Gauss） 幾何光學理論
   1842年	Doppler效應（聲學）
   1842年	Farrady磁光效應（偏極受磁場影響而偏轉）
   1849年	Fizeau首次地面上測光速
   1864年	馬克士威完成電磁學古典理論（馬克士威方程式），推斷電磁波的存在，預測光是電磁波的一種
   1881年	Michlson干涉儀
   1875年	Kerr電光效應（效應）（偏極受電場影響而偏轉）
   1887年	Hertz實驗證實電磁波的存在

5. 20世紀：

   1900年	Planck 電磁波量子
   1905年	Einstein 光電效應理論證明光子存在
   1913年	Bohr 舊量子論：物質發光機制
   1924年	de Broglie提出物質波粒雙重性
   1925年	Scherodinger等完成量子力學
   1954年	Townes發明 Maser
   1960年	Maiman發明 Laser

古典電磁學發展史上重大事情記要

²  法拉第之前；電與磁的發現

²  法拉第時期；電磁感應

²  馬克士威時期；馬克士威方程式與電磁波

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²  法拉第之前；電與磁的發現

西元前約600年    希臘泰勒斯 Thales 發現摩擦後的琥珀能夠吸引小東西

電(Eletricity)名稱的來源

琥珀(Eletron)的故事：松樹分泌的一種樹脂，埋於地層深處，經年高壓高溫下變成石頭，長久之後因地層變動，浮出地表。琥珀外觀晶瑩剔透（電影侏羅紀公園），常為當代婦女喜愛作為裝飾品（當時經濟繁榮文化昌盛），但擦拭乾靜候很快又蒙上灰塵

泰勒斯細心觀察，發現原因起於琥珀與絲綢衣服的摩擦，後來經小心實驗，發現絲綢摩擦過的琥珀，具有吸引灰塵等輕小東西之作用。

成功地預測日蝕

磁(Magnetism)名稱的來源

？？？           小亞細亞 Magnesia 地區的磁鐵礦

西元27年..100年   東漢王充“論衡“ 頓牟掇取 磁石引針

頓牟即玳瑁掇取為拾起小東西 摩擦後玳瑁吸雞毛

西元1031年..1095年 宋朝沈括“夢溪筆談“ 磁指南北極

黃帝戰蚩尤指南車

西元12世紀後    歐洲航海家和採礦家開始使用羅盤

西元13世紀      荷蘭柏利格利納斯(P.P.Pergrinus)發現磁鐵S、N極

西元1492年      哥倫布航向美洲途中發現磁針偏角

西元1536年      哈特曼觀察磁偏角

西元1581年      諾曼(Norman)在著作中記述了磁針的俯角

西元1600年      英國吉爾柏特(Gilbert 1544..1603) 出版磁石“一書六卷

女王伊麗莎白一世面前的實驗（靜電 地球磁現象）；把天體運動歸就於磁力影響刻卜勒；磁素物質含磁素，摩擦後飛出在物體周圍，創造出一種特殊氣氛，從而出現電的現象。當電返回物體時，就吸引了一些較輕物質，如同香味跑出來，而香料重量不減，道理相同。電學之父 與伽利略同期

西元1608年；     哈特遜(Hudson)證實磁針在兩極與地面垂直

？？？           篕里刻(Otto von  Guericke 1544..1603) 做琉磺球旋轉摩擦發電

                 德國馬德堡市市長  馬德堡半球

西元1657年       牛頓(Issac Newton 1642..1727)、及霍克斯玻璃摩擦發電

西元1746年       荷蘭萊頓大學馬森布羅克(P.von Musschen)發明萊頓瓶蓄電

蓄電之始；萊頓瓶的構造，內外貼上錫箔，內壁錫箔通過金屬鏈，與瓶口木塞上的金屬球相通。意外的發現；1.鐵釘帶電丟在玻璃瓶內，玻璃瓶用絲綢吊起，無意間觸電。   2.玻璃瓶內留半瓶水，木拴塞住瓶口，木拴串通一條鐵線剛好碰到水面，一位學生用一手拿住瓶子，鐵線另一端連到起電機，通電後想要用另一手卸下鐵線，一碰到時由手到胸部受到激烈電擊，而甩破玻璃瓶。給友人的信

西元1746年       諾勒(Nollet)在法國國王面前用180名衛兵作電沖擊實驗

？？？            亥維賽(Heaviside)貼上錫箔垂下鐵鏈作出現在的萊頓瓶

？？？            英國沃森(Watson)發現萊頓瓶蓄電力與錫箔面積成正比

西元1729年        英國格雷(Gray 1670..1730)發現導電和絕緣.270米長的導線 摩擦後玻璃試管上的軟木塞木塞上的銅棒導線

西元1732年        法國費迪(C. du. Fay)發現玻璃電與樹脂電金箔吸引排斥兩種電電的二流體

西元1752年        美國富蘭克林(Benjaming Franklin 1706.) 1790費城實驗證明雷電與摩擦起電性質相同.電不是摩擦創造出來的，而是帶走轉移的實驗的本末與危險性.給朋友的信─人間的普羅修斯（反傳統性，雷電是上帝之火，冒犯天威）.避雷針製造過程,電的一流體,電荷守恆律,研究萊頓瓶作出蓄電器.英國皇家學院最初的排斥

西元1753年        英國坎頓(Canton)向皇家學院報告靜電感應

西元1772年..1773年 英國卡文迪許(Henry Gavandish)發現平方反比定律及介電常數概念

西元1775年        義大利伏特(Alessandro Volta 1745..1827)設計起電盤

西元1785年        法國庫倫(Charles Augustus Coulomb 1736)庫倫實驗1806)提出靜電平方反比庫倫定律

西元1790年        義大利菠洛尼亞大學賈法尼(Luigi Galvani1737..1798)發現動物電青蛙腿的啟示.開發了電生理學.伏特反對（只有物理電 一定要有電源 電流計而已）..意外發現鹽水電池.賈法尼的反駁實驗（只用神經）,Galranic cuuurent      gavgnometer

西元1780年        義大利伏特在英國皇家學院發表伏特電池的論文,電池的意義.11月20日拿破崙召至巴黎親自觀看實驗當場發600法朗獎金及紀念金牌,並很快成立專門委員會進行研究.電壓的單位

？？？            丹聶爾(Daniell)盧克蘭歇(Leclanche)作出乾電池

西元1859年          普蘭第(L.G.Plante)作出圈鉛蓄電池

²  法拉第時期；電磁感應

西元1820年  厄斯特發現電流磁效應。

西元1820年  安培發表安培右手定則。

西元1820年  安培發現平行導線作用力。

西元1820年  安培發表平行導線作用力公式。

西元1820年  安培把正電荷流動方向定為電流方向。

西元1820年  畢奧和薩瓦爾建立電流磁場強度畢奧-薩瓦爾定律。

西元1821年  法拉第應用水銀和磁石實驗發現電磁（電動馬達）。

西元1823年  安培發表平行導線作用數學理論。

西元1823年  法拉第液化氯成功。

西元1824年  阿拉貢到吊起來的磁石下邊的銅板轉動時，磁石也隨之轉動，而轉動磁石也會使銅板轉動。

西元1825年  史達金成功製造出電磁鐵。

西元1830年  亨利發現自感現象。

西元1831年  法拉第發現電磁感應定律。

西元1833年  法拉第發表法拉第電解定律。

西元1834年  法拉第（獨立）發現自感現象。

西元1836年  法拉第使用比感應容量。

西元1837年  惠斯通和柯克在休士頓與卡姆燈兩地做有線通訊。

約西元1840年 焦耳提出來自電磁線圈與伏特電源的熱受同一定律所支配。

西元1843年  歐姆發現 2 倍震盪、 3 倍震盪。

43至70年間  焦耳用許多不同的方法測定熱功當量。

西元1844年  楞次提出金屬的電阻隨溫度上升而比例增加。

西元1847年  焦耳、開爾文發現焦耳-湯姆生效應。

西元1847年  赫爾姆霍玆著“力的守恆“（指的是能量守恆）。

西元1847年  克希荷夫發表穩態電流克希荷夫定律。

²  馬克士威時期；馬克士威方程式與電磁波

西元1849年  哈密頓使用「矢量」術語。

西元1849年  費索測定光速。

西元1855年  開爾文把力的守恆改稱能量守恆。

西元1859年  普蘭第發明鉛蓄電池。

西元1864年  馬克士威發表馬克士威方程式，預言電磁波的存在。

西元1871年  佛科測定光速。

西元1874年  威廉西蒙斯製成應用電阻的溫度計。

西元1876年  哥爾茨坦特把真空放電時，由負極發射的射線叫做陰極線。

西元1880年  赫歇爾發現紅外線。

西元1881年  史托尼提出電氣係數的概念。

西元1881年  邁克森進行驗證地球表面以太存在的實驗。

西元1883年  愛迪生發現金屬的熱電子放射。

西元1886年  邁克森-莫瑞實驗。

西元1887年  赫玆發現紫外線放電的影響。

西元1889年  赫玆用簡易的裝置進行電磁波的實驗。

西元1891年  史托尼提議用“電子“的名稱。

西元1891年  羅倫玆提出電子論。

西元1892年  馬可尼發明無線電裝置。

西元1895年  倫琴發現Ｘ射線。

西元1895年  貝克科發現鐳的放射線。

西元1896年  塞曼看到塞曼效應。

西元1897年  湯姆生發現陰極線是電子流。

西元1895年  居里夫人提煉出鐳。

西元1901年  無線電波橫渡大西洋。

思考提要：

²      電磁理論發展過程重要貢獻的科學家

²      電磁理論發展過程重要觀念或發現

²      電磁理論對社會文明進步的顯著沖擊

參考書籍：

  徐在新、宓子宏著，【從法拉第到馬克斯威爾】，（新竹、凡異），民83年。

  大森實著，【物理學史簡明教程】，（新竹、凡異）， 民77年。

   大森實著，【物理學史簡明教程】，（新竹、凡異）， 民77年。

   王錦光、洪震寰著，【中國物理史話】，（台北、明文），年份待查。

  朱恆足編，【物理五千年】，（台北、曉園），民79年。

  國興編輯部編譯，【物理史上的重要實驗】，（新竹、國興），民78年。

  Ｇ.威爾遜著，【科學的歷史】，（台北、水牛），民78年。

  蔡丕承編譯，【科學家列傳】，（台北、東方），民67年。

  張文彥編著，【自然科學（技術）史概要】，（台北、 新學識），民79年。

David J. Griffiths，【Introduction to Electrodynamics】，（New Jersey，Prentice-Hall Inc.），1989年。

 

赫玆的火花

"這裡是警察廣播電台高雄台週波頻率819千赫..."，在今天的生活中，我們絕對離不開廣播與電視，而廣播與電視只是現代無線電波應用於日常生活中的諸多實例之一而已。赫玆曾經是兩位非常出名的物理大師，赫爾姆霍玆和克希荷夫的學生，他應用簡單的裝置，實現了馬克士威十幾年前的預言，從此無線電就降福人間。科學界中最高的榮譽，舉世聞名的諾貝爾獎第一次頒發開始於1901年，如果.......第一位諾貝爾物理獎應該是赫玆。

背景：

　　赫玆（Heinrich Rudolf Hertz 1857..1894）在德國的漢堡出生，爸爸是律師兼市議員。他小孩時後剛好碰上歐洲民族主義激烈的時期，那時僭號法國皇帝的拿破崙三世正大擴權力，以逐獨裁之夢。而奧地利和匈牙利民主政治失敗，產生了奧匈帝國。普魯士俾斯麥企圖建立統一的日耳曼國家，和拿破崙三世爆發了普法戰爭。

　　赫玆繼承父親對人文與科學的熱愛，同時也從父親那裏學會了好幾種語言。小時候一位長輩曾送他一些科學儀器，引發了他對科學的興趣。起先他在一所私人學校就讀，因對校方安排的課程注重實用忽略經典之作的作風不滿，而於15歲跟一位私人教師繼續求學，他認識的理化實驗是在自己家裡的小實驗室學會的。17歲時進入高校完成傳統教育，18歲畢業後依自己當時的興趣棄純理論研究而就技術，首先在一家公司實習一年，然後進入德雷斯頓工學院讀了半年，隨後再跑去服兵役一年。

　　繞了一圈後的赫玆終於發現自己還是志在純科學，於是到慕尼黑學習力學與數學。1978年轉學至柏林大學隨聞名的大師赫爾姆霍玆和克希荷夫（Gustav Kirchhoff 1824..1887）學習，此間他曾以一篇獨立完成關於"電慣性"的論文獲獎。1880年以優越成績拿到博士學位，博士論文題目為"旋轉球體中的電感應"，這個題目也是在電磁學領域中，同一年赫玆獲聘為物理學演示教師。

　　1883年赫玆轉到基爾大學當理論物理的講師，專心於電磁學的研究，兩年以後就獲聘為卡爾斯魯特工學院實驗物理教授，期間曾因知道普魯士科學院懸賞徵求實驗驗證電磁作用和介質極化關聯方面的論文的活動，激發了他朝此方向思考研究，他的著名電波實驗就是在這個學院工作期間完成的。

　　1889年波恩大學請赫玆擔任物理學教授，他繼續進行氣體放電方面的研究。赫玆在物理學許多領域也有許多成果，其中最偉大的電波發現，讓他獲得不少榮譽，包括很出名的英國皇家學會頒發倫福德勳章。1894年赫玆去世，那時他才39歲，諾貝爾獎第一次頒發是在1901年，如果.........，第一位諾貝爾物理獎應該是赫玆。

電波實驗的發現：

　　1886年的一個秋天，赫玆正在卡爾斯魯特工學院物理實驗室，用放電線圈做火花放電實驗時，注意到一個經常發生的奇怪物理現象，每次放電線圈放電的同時，在附近幾公尺外的另外一個線圈開口處，竟也會產生小火花。赫玆馬上聯想到大家已經熟悉的一個物理現象；音叉的聲音共振，兩者之間除了聲與電的差別以外，倒是非常類似。馬克士威的電磁理論中預言隨時間變化的電場與磁場將相互影響，並且會把這些變化藉著電磁波的形式朝空間四周傳播出去。雖然這個預言沒有幾個人看得懂接受它，但是整個理論顯得如此完美，又叫人很難拒絕相信它，當時的科學家沒有人不知道馬克士威的叮嚀，更有許多人跟隨他的腳步，趕著熱潮進行各種電磁研究，而唯有赫玆把它注意到的奇怪現象和這個偉大預言巧妙結合在一起，預言就此實現了。

　　故事裏總是喜歡把科學家的偉大發現描述得如此奇遇，以增加戲劇性、通俗性與可看性。但是我還是寧可相信赫玆下了很多功夫在馬克士威的電磁理論，他比別人更能體會這些艱深理論，也更堅信預言的真確性。他掠覽前人的研究，開始時做了很多事前的準備工作，一步一步朝目標前進，也隨時注意著相關工作者的發展，從不放過它們所呈現的蛛絲馬跡，成功的路途中一定碰過許多挫折與失敗，或許甚至有時幾乎想放棄，最後終於讓他看到一絲線索，經過小心嚴密求證後，偉大的發現就此現身世間。您喜好那一種說法並不是很要緊的，就讓我們來看看實驗本身是如何；

　　先從感應線圈兩個電極的引線，分別接出一根12英寸長的黃銅棒，每一根銅棒的一頭接上一塊16英寸正方的鋅板，另一頭則接上小黃銅球，讓銅球互相對立擺置，如此組成了電磁波產生器，通電時產生器的兩個銅球之間會產生高頻振盪火花。另外用一根細的銅導線彎成圓弧形，圓弧兩端各接一個小黃銅球，銅球並不接觸而形成缺口，缺口的大小可隨意調整，這個裝置作為電磁波接收器。

　　開始時讓產生器與接收器相距時10公尺，適當調整擺設方位和銅球間鉅離，會發現接收器出現小火花。進一步的實驗可以詳細檢測電波許多性質；例如若讓產生器與接收器距離的連續變化，藉由火花的亮熄，可計算出電磁波的波長。又如從波長和頻率可估計電磁波傳播速度。赫玆不但小心嚴密的證實了電磁波的存在，更經由實驗讓大家了解了直線傳播性質、偏極性、反射、折射、干涉、繞射等更多關於電磁波的特性。

　　1887年11月赫玆向德國國家科學院公開他的研究成果，題目為【論絕緣體中的電過程所引起的電感應現象】。1888年1月發表進一步的成果，題目為【論動力學效應的傳播速度】，這兩篇論文震驚了當時的科學界。赫玆自己寫道；

【所有這些實驗，基本上都是很簡單的，但是它們產生了一些重要的結論。這些結論完全推翻了任何關於電力跳入空間不需要任何時間的理論，意味著馬克士威學說的光輝勝利。】

無線電的成長：

　　赫玆當時實驗的裝置中，產生器的銅棒與銅球部份，就是最早的天線，而接收器則是最早的檢波器。緊跟著赫玆的發現無線電很快地登陸世間；

　　1895年俄國一所軍事學校教員亞歷山大、波波夫（A. S. Popov 1859..1906）改良成金屬粉末接收器能接收遠處雷電產生的電磁波訊號，在深入研製成用於通訊的發射機和接收機。1896年3月24日波波夫發射了世界上第一份無線電報，當時發射的距離為250公尺，電文內容為『海利魯道夫、赫玆』

　　1901年12月義大利的馬可尼（G. Marconi 1874..1937）用他的大功率無線電裝備，在法國紐芬蘭海岸成功地接收到從英國康瓦耳發射出來得電碼『Ｓ』，無線電第一次橫越大西洋，此次發射的距離約為3700公里。

造福人類社會的發明隨後蜂擁而至；

• 1906年無線電廣播
• 1911年無線電導航
• 1916年無線電話
• 1921年短波通訊
• 1923年傳真
• 1929年電視
• 1933年微波通訊
• 1935年雷達
• 無線電遙控、無線電遙測、衛星通訊.............等等

法拉第與發電機

一位鐵匠的兒子，訂書匠的學徒，為了堅持從小對科學的興趣，完全靠自己的自修，終於成為聞名的物理大師。他沒有受過正式的教育，所以在他腦中沒有數學，偉大的物理發現來自對物理的直覺與嚴謹的實驗態度。

背景：

• 生於倫敦（1791年..1867年），父親是鐵匠，家境窮困，很少機會受教育（英國當時社會，人們必須守住他生長的社會階級）。五歲時父親患病。
• 法國鬧革命，兩歲時英法發生過戰爭。當時以英國為中心的產業革命，由於機器代替了人力，對於手工的依賴逐漸減少，職工收入一天不如一天。

訂書匠學徒無師自通；

• 在13歲時隨喬治拉鮑(George Riebau)當學徒，學訂書（先試用一年、後因勤勞獲七年合約），因此讀了七年免費的書，開始接觸電學（大英百科全書）。
• 白天邊工作邊看書，下班後作筆記整理。
• 曾讀到馬賽特夫人著的"化學實驗"一書，花錢自行買材料儀器實驗。訓練自己的思想，並發展了一種試驗的技術。
• 父親在法拉第學徒期間去世。

學徒聽科學專業學術講演；

• 向顧客坦斯（Dance 建築家）要求，獲得贊助門票（幾先令）及引進，到皇家學院參加講習，聽德斐先生講演（Humphry David 1778..1829 當1820年厄斯特發現電流 磁作用，德斐成功解釋）。
• 皇家學院是科學界與產業界協力成立的新機構，有一些給民眾的通俗演講，德斐在這一方面天份很高頗受歡迎。

科學大師的助理：

• 毛遂自薦寫信給德斐先生（檢附筆記），1813年獲約在 皇家學院見面，從此開始助理生涯。(至1823年被推薦成為皇家學院止）
• 研製成功礦工安全燈
• 當助理6個月後，以隨僕身份去歐洲，共離開18個月，途中 已受著名科學家注目。
• 30歲那一年取銀匠女兒為妻，感情非常好，55歲還寫情書 給妻子，他們終身無子女。
• 實驗成功電線在磁場中轉動(另一位科學家烏拉史東Wollastone 多次失敗過的實驗）（德斐阻饒）。
• 實驗成功氯氣的液化。後來又製造出苯的化合物。
• 1820年德斐發表電流磁作用時，就曾寫著磁→電。

發電機帶動第二次產業革命：

1730年英國紡織工業開始以機械代替人工，到1769年瓦特成功改進蒸汽機，帶動了第一次產業革命。1870年代內燃機的進步又掀起另一次產業結構的改變。而法拉第的發現將人類帶進了電氣文明。

• 1820年德斐發表電流磁作用時，就曾寫著 磁→電。
• 1831年偶然發現電線和磁鐵相對運動才會產生電流。
• 1852年引進場的觀念。
• 1867年德國西門子成功製造出"自激式直流發電機" （相當瓦特造出蒸汽機）
• 19世紀最後三十年內，世界工業總產值增加兩倍多，鋼鐵增加55倍，石油增加25倍。
• 1860年馬克士威曾經和法拉第會面。
• 1862年馬克士威完成馬克士威方程式，預測電磁波的 存在。
• 1880年貝爾發明了電話。
• 1888年赫玆證明了電磁波的存在。

治學特寫：

• 學徒出家，執著科學，自行訓練。
• 失敗的實驗毫不隱瞞，誠實留下記錄，後來學者由法拉第 寫下來的東西，找到很多寶貴的教訓，因而獲得研究正確 方向及暗示，相繼創造偉大的發明。（愛迪生1869 .. 1910 年輕時讀過他的書，曾說過沒有一本書比他更有趣 且有意義）
• 嚴守一定的計劃，按部就班。實驗室整理有序，即使在黑暗中也可以找到東西，可見他是一位很細心的科學家。
• 一生獻身科學，在虔誠宗教信仰下，滿足樸素簡單的生 活。熱愛科學不重名利，曾讓幾項重要專利白白溜走。
• 晚年疾病纏身，有時無法至實驗室工作，喜歡看賣藝、 雜耍等簡單、非科學性等娛樂。

重要貢獻：

• 受厄斯特與安培發現的影響，1821年開始研究電流與磁鐵 的相互作用，發現馬達原理，確立現在製造馬達的基礎。
• 1831年對於電磁感應有了重大發現，奠下發電機的基礎。
• 1833年提出電解法則。
• 1844年發現光在磁場中的偏極現象，稱為法拉第效應。
• 想出電力線、磁力線等正確方法，並利用磁屑在磁場中的 分佈驗證，首先引進"場"的觀念，他認為超距力係以場交互作用，藉著波的形式傳遞，傳遞需要介質（以太）， 也需要時。
• 最先提出「光和電波性質相同」的理論。
• 其他化學及熱學方面的發現（水汽量電壓計、碳氫化合物的石油精、光學玻璃）
• 法拉第的最後一個研究課題，是關於光束如何在磁場中的 分裂，可惜未能完成，後來由塞曼（Zeeman 1865..1943)提出這個發現，稱為塞曼效應，離法拉第過世的時間足足晚了30年。

場的觀念：

　　萬有引力和庫倫靜電力都是平方反比關係，除此之外，它們還有一個共同點，那就它們也都是現在所謂的超距力。牛頓發現萬有引力後把普通的施力、摩擦力叫做接觸力，但是對於超距力如何作用並沒有進一步認真思考過。法拉第發現電磁之間的密切關係，他必須想辦法知道，這是如何發生的。

　　法拉第引進場的觀念來解釋這個問題；他認為電磁力的作用必須透過場的媒介、首先帶電體Ａ在周圍建立場，另一個帶電體Ｂ浸在它的場中，場對它產生了作用力，這就是Ａ對Ｂ的作用力。反之Ｂ對Ａ的作用力亦然，對於磁與磁、電與磁之間的作用也是相同的機制。

　　同時他也認為場的建立需要時間，不可能瞬間在所有空間同時建立場，帶電體本身發生變化，場也隨之跟著改變。

　　場的建立和改變藉著類似水波的振動，靠著某種介質（以太？)逐一傳遞到遠方，傳遞所需時間非常短暫，平常我們感覺不出來。他採用力線具體描述場的作用，也運用磁屑在磁體周圍排列的實驗驗證之。至於存在電磁波的想法，法拉第也想深入實驗證明之，1832年他留在皇家學院一封密封的信，先保留他的這個想法，等證明足夠時再公佈，一百多年1932後人們才發現這封信，以下是這封信的內容，字裡行間我們可以感受到當時的觀點想法；

封面；

「現在應當收藏在皇家學會檔案裏的一些新觀念」

內容；

「前不久在皇家學會上宣讀了為題"對電做的實驗工作"的兩篇論文，文中所介紹的一些研究成果，以及由於其他觀點與實驗而產生的一些問題，使我得出結論：磁作用的傳播需要時間，即當一個磁鐵作用於另一個遠處的磁鐵或者一塊鐵時，產生作用的原因（我以為可以稱為磁）是逐漸地從磁體傳播開去的，這種傳播需要一定時間，而這個時間顯然是非常短的。
我還認為，電感應也是這樣傳播的。我認為磁力從磁極出發的傳播類似於水面上波紋的振動，或者空氣粒子的聲振動，也就是說，我打算把振動理論應用於磁現象，就像對聲所做的那樣，而且這也是光現象最可能的解釋。
類比之下，我認為也可以把振動理論應用於電感應，我想用實驗來證實這些觀點，然而，我的時間要用於履行職責，這可能會拖長實驗的時間，而實驗的本身也可能成為觀察的對象。因此，我把這封信遞交皇家學會收藏時，要以一個確定的日期來為自己保留這個發現，這樣，當從實驗上得到證實時，我就有權利宣佈這個日期是我的發現的日期。就我所知，現在除我之外，科學家中還沒有人持有類似的觀點」

邁‧法拉第
1832年3月12日於皇家學會

馬克士威與馬克士威方程式

馬克士威是個天才，他在電學大師法拉第發表偉大的發現"電磁感應"那一年出生。就在他逝世的那一年，另一位天才愛因斯坦誕生了。

馬克士威天才的一生：

　　馬克士威（James Clerk Maxwell 1831..1879）在蘇格蘭愛丁堡出生，家庭小康，從小聰明好學，10歲入愛丁堡學校就學，數學上表現優異，吟唱詩歌高人一等。15歲就完成一篇數學論文（關於拋物線橢圓等二次曲線作圖方面的問題），在愛丁堡皇家學會上宣讀。16歲進入愛丁堡大學，三年後轉入劍橋大學，1854年以優異的成績獲得學位，並成為三一學院的學者。

　　三一學院的兩年主要研究法拉第的發現，並且獨立進行幾何光學與數學方面的研究，馬克士威對電磁學的注意和興趣，應該是這時候醞釀出來的。

　　1856年擔任位於阿伯丁的馬黎沙學院自然哲學教授，前後計四年，曾因發表關於土星光環穩定性的論文獲得亞當斯獎（該獎始於1848年，定期頒給針對評審委員提出的重大意義科學問題作出最佳解答者。）。這個期間他在數學物理、及氣體動力學方面，有許多重要貢獻，統計力學上著名的"馬克士威分佈"就是其中之一。

　　1860年擔任倫敦皇家學院自然哲學教授，在這裡工作的五年是馬克士威一生中最富創造力的時期，除了電磁理論外，還包括色彩理論、強壓下氣體黏滯性研究、與史第爾特(B. Stewart)和占金(F. Jenkin)以實驗確定電阻單位-歐姆的絕對大小等。並且1866年向英國皇家學會提出修正後更完整的"氣體動力學理論"。

　　1865年底馬克士威辭去教職專心科學和英國文學的研究，幾年內完成了著名大作電磁理論重要部份，此期間也曾積極提倡議成立劍橋大學物理實驗室，並設立實驗物理教授職位的建議。1874年劍橋大學設立卡文迪許紀念物理實驗室（十八世紀時卡文迪許曾在劍橋大學念過書），聘請馬克士威擔任實驗物理教授兼主任。

　　籌備卡文迪許紀念物理實驗室期間，馬克士威認真地參與興建及規劃裝備，實驗室成立以後，他親自講學並且編輯卡文迪許論文集（"亨利，卡文迪許的電學研究工作"，馬克士威著）。無奈自古天才多早逝，1879年馬克士威逝世，享年49歲，令人惋惜的是，通常49歲是科學家創作力最豐富的時候。八年以後赫玆看到電磁波，驗證了馬克士威的預言，馬克士威沒能親眼目睹。

馬克士威在電磁理論的重要研究：

　　1855年馬克士威在劍橋哲學學會宣讀一篇長篇論文"論法拉第的力線"，文中用場論的語言闡明法拉第力線的意義，使這些觀念更精確化、定量化。

　　1862年在英國的"哲學雜誌"上發表第二篇"論物理的力線"，提出了位移電流的觀念，在建立馬克士威方程式描述電磁理論裏，這是一個相當重要的關鍵。

　　1864年馬克士威在倫敦皇家學會宣讀（1865年發表）論文"電磁場的動力學理論"，這篇論文裏他把以前科學家在電磁學的發現做了一次總整理，再加入他自己的研究成果，成功地將所有的電磁現象統一起來，而建立出著名的馬克士威方程式。

　　1873年馬克士威出版"電磁通論"兩卷，歷經兩世紀庫倫、厄斯特、安培、法拉第等人的努力，最後在這位物理大師的臨門一腳之下，古典電磁學終於統一。這本經典著作系統化地完完整整闡述電磁學理論，其重要性比美1687年牛頓在力學上的成就"自然哲學數學原理"，和1859年達爾文在進化論上的成果"物種起源"。

馬克士威重要物理貢獻：

愛因斯坦曾在紀念馬克士威誕辰紀念會上說過這樣的一段話； 「在馬克士威之前，大家認為；就表現出來的自然過程而言，物理實體是物質微粒組成的，它們的行為和運動由微分方程式所描述。在馬克士威之後，我們便進入連續場的世界，雖然這些場也由微分方程式所描述，但是無法從力學的角度解釋之。這麼一個對於物理實體概念的重大改變，是物理學上自從牛頓以來所經歷的最深刻也是最具成效的變革.....」

• 色彩理論
• 土星光環穩定性的
• 氣體分子速度分佈
• 氣體動力學理論
• 實驗確定電阻單位-歐姆的絕對大小
• 提出了位移電流的觀念
• 馬克士威方程式

場的觀念：討論另述
梯度、散度、旋度：討論另述
位移電流的觀念：討論另述

馬森布羅克與萊頓瓶蓄電

西元1746年荷蘭萊頓大學馬森布羅克(P.von
Musschen)發現萊頓瓶蓄電，此為蓄電之始。

萊頓瓶的構造；

　　內外貼上錫箔，內壁錫箔通過金屬鏈，與瓶口木塞上的金屬球相通。

意外的發現； 兩種說法

1.鐵釘帶電丟在玻璃瓶內，玻璃瓶用絲綢吊起，無意間觸電。
2.玻璃瓶內留半瓶水，木拴塞住瓶口，木拴串通一條鐵線剛好碰到水面，一位學生用一手拿住瓶子，鐵線另一端連到起電機，通電後想要用另一手卸下鐵線，一碰到時由手到胸部受到激烈電擊，而甩破玻璃瓶。

給友人的信； 摘錄於後頁

後續的發展；

西元1745年	波美拉泥亞人克來斯特(Kleist)發明第一個萊頓瓶 (Leyden jar)，對後來無線電的成功有很大的幫助
西元1746年	諾勒(Nollet)在法國國王面前用180名衛兵作電沖擊實驗
西元        年	亥維賽(Heaviside)貼上錫箔，垂下鐵鏈，作出現在 的萊頓瓶 西元
西元1746年	美國富蘭克林(Benjaming Franklin)看過萊頓瓶實驗 的表演後，開始對電學有興趣，後來也做過蓄電方面 的研究，成功地研製出蓄電器。
西元       年	英國沃森(Watson)發現萊頓瓶的蓄電力與錫箔的面積成正比

馬森布羅克給朋友的信

我想告訴你，我曾經做過的一件既新 鮮，而又可怕的實驗，務必請你注意不要再去做它.....。為了這個實驗，我用兩根天藍色的綢子擰成繩子，繫在槍筒ＡＢ兩端，然後用手去摸一個繞著軸迅速旋轉的玻璃球以取得電，在槍筒的另一側Ｂ處垂下一根鐵絲，使它伸入下部裝有水的玻璃瓶Ｄ中去，然後我用右手Ｆ扶著玻璃瓶，左手Ｅ從帶電的槍筒上取火花。這時，立刻感覺右手Ｆ受到劇烈的沖擊，全身都感到是觸電了。.......手在這個騷動下，已經不能動了，胳臂和全身都受到了用言語難以形容的可怕沖擊。 （引自 管中淮一 「科學史奇聞」）

厄斯特與電流磁效應

世界著名的童話故事作家丹麥的安徒生曾如此贊揚厄斯特「當在您的腦海裡閃耀著電光似的思想時，科學的王國授予您光的光的美妙，啟發您以真理。人們拜倒在這個美妙的光下，由於您的方法開拓了通往造物主的道路」
"坦奈曼大自然科學史"，安田、加藤翻譯

背景：

　　厄斯特（Hans Christian Oersted 1777..1851）是一位丹麥藥劑師的兒子，當時正值爭取自由與人權的美國獨立戰爭，法國大革命也即將發生，工業革命已經開始了十餘年。種種實用的發明陸續產生，新的生活方式、新的社會結構、新的政治思想、新的哲學觀點、新的文藝風潮...正在醞釀著。

　　厄斯特原來學藥學，從小對物理與天文有濃厚的興趣，在哲學與文學方面造詣不低，和世界著名的童話故事作家丹麥的安徒生是知交，曾多方面協助他。厄斯特13歲跟著父親當學徒，學徒期間對自然科學發生興趣，並決定以此為業。1794年入哥本哈根大學，次年通過哲學考試，1797年又通過藥物學考試，1799年以一篇有關於形而上學的論述論文拿到哲學博士學位，但是他並沒有就此當一位哲學家，沒多久就把興趣轉至實驗物理方面的研究。

　　 開頭時他作過一些電化學、水的可壓縮性和運用電流爆破採礦等多方面的研究，他是第一個提煉出金屬鋁的人。聽到伏特電池的發明後，立即從事電磁學的研究，1806年他應聘擔任哥本哈根大學物理學教授，1820年發表驚人的成果--電流的磁效應。

電流磁效應的發現：

　　有些書說厄斯特的發現是偶然的，如此說到；一次講課助手操作示範實驗時，注意到導線附近的磁針發生轉動，告訴他後才知道的。這可能是由於厄斯特並一向不怎麼精於實驗，而引起人們的猜測之故，不彷讓我們把這種說法當作是當時一些忌妒的科學家的自然反應，或者是那些傳記作者特別喜愛將事情戲劇化。

　　十九世紀初唯心主義統治著歐洲思想，厄斯特受過哲學訓練，當時著名的哲學家康德對他影響很大，康德認為自然界的一切作用力，如熱、光、電、磁等作用，應該是同一個"原生力"在不同的物理條件下不同的表現方式，它們之間存在著密切的關聯（"自然科學的形而上學原理" 康德著）。厄斯特一直相信電和磁之間應該存在某種聯繫，從未停止對這個問題的思考與研究，1812年在他的著作"關於電力和化學力的統一研究"裡，就可找到他的這種看法的雛形。法國的化學家巴斯德(L.Pasteur 1822..1895 近代微生物學的開創者）評論厄斯特是否偶然發現這件事時曾說過一句著名的話；「在觀察的領域裡，機遇只偏愛那種有準備的頭腦」。大數學家拉格朗日的一句名言如此說；「這樣的偶然性只能被應當得到的人所碰上」。

厄斯特的實驗：

　　法拉第曾經對厄斯特的發現給過這樣的評價；「他猛然打開了一個科學領域的大門，那裡過去是一片漆黑，如今充滿了光明」。

　　厄斯特實驗所使用的裝置並不怎麼特殊，裝置本身只是電池、導線、以及一根磁針所組成。所要觀察的現象也十分顯而易見，並不需要精密的分析儀器，或者特殊的實驗技巧。所有的關鍵就僅僅決定於磁針擺置的指向，難怪有人會認為這個發現的本身看起來是那麼的偶然。在這以前人們所知道的萬有引力和庫倫力都是沿縱向的力，而呈現在磁針上的力卻是與導線電流方向垂直的，這是一個不折不扣的側向力。

　　通常科學的突破就是這麼一回事，要掙脫傳統觀念的桎梏與生活環境影響的束縛，往往需要時間的等待，一點一滴前人的失敗挫折慢慢地累積經驗，堆積到某個程度時機成熟時，總會出現那麼一位大智者給上奮力一擊，然後領導著大家進入剛啟開門檻的科學新世界，過一陣子人們就開始享受它給社會文明帶來的福祉。

　　厄斯特是一位認真嚴謹的學者，發現這個令人興奮的驚人現象後，它又花了三個月的時間仔細地進一步研究；它在磁針與導線之間分別放置玻璃、木塊、水、石頭..等不同的物質重複實驗，觀察磁針的偏轉是否受影響。它又用黃銅、玻璃、橡皮..等不同材質做成的細針代替鐵針進行實驗，以確定這是真正的磁效應，並且完全弄清楚相關的規律。1820年7月21日厄斯特發表了一篇拉丁文寫成的論文"關於電流對磁針作用的實驗"，從人類認識磁與靜電開始到那個時候約有2600年相隔，厄斯特把兩種作用首先地關聯在一起，這是個創是之舉。厄斯特自己曾如此說到；
「將電池的兩極用鐵絲接連起來，為了方便起見，把它叫做導體。然後把該導體及其周圍的場的作用叫做 "電衝突"....，這個電衝突的作用不僅限於導體的鐵絲，也擴展到其他方面。不僅如此，從觀察事實中可以得出電衝突是在鐵絲的周圍成渦行的結論」 

（"電磁學史" 矢島祐利著）

　　 歐洲英、法各國很快的知道厄斯特發現了電流的磁效應，除了震驚外，立刻掀起了巨大的回響。不久法國的阿拉貢（F.Arago 1786..1853）發現通電流可以把普通的鐵變成磁鐵，法國的安培（Andre Marie Ampere 1775..1836）找出了平行導線之間的相互作用，並且和同一個國家的畢爾（J. B. Biot 1774..1862）、薩瓦爾（F. Savart 1791..1841）分別建立了"電氣力學（或可說成電動力學）"。很快地在1831年法拉第發現電磁感應，從此電與磁就歸屬同一家族。後來馬克士威整理這些現象，用幾個簡單的數學式子就能清楚地描述電磁之間的奇妙關聯，而且從這四個公式中推導預言電磁波的存在，於是電磁家族又收編了光。
一封關於厄斯特的信：

　　哈斯坦是厄斯特的朋友，曾經目睹厄斯特的實驗，1857年他寫給法拉第的信中兩段話摘錄如下；

「厄斯特將一根與賈法尼電池相連接的導線垂直地跨在一枚磁針上，沒有發現磁針運動。他接著用一隻更強的賈法尼電池重複一次實驗，並打算隨後結束他的演講。就在此時他突然說到："讓我們把導線平行地置放試試看.."。剎那間他完全愣著了，因為他看到磁針這時幾乎和磁子午線成大直角地大幅度擺動著。接著他又說到："現在讓電流方向反過來"。於是磁針就沿著相反方向偏轉。」

「厄斯特教授是一位非常聰明的人，但卻是一位不適合實驗工作者，他不會熟練的使用儀器，他總要有一位助手或者一位聽眾來幫助他操作並安排實驗，而我們常常就是這樣的一位聽眾兼助手。」

安培與畢爾-薩瓦爾：

　　法國的安培出生里昂富商家庭，小時被稱讚為天才，18歲時父親在大革命中喪命，後來喜歡上植物學，老婆就是野外採集標本時認識的，結婚四年太太就去世，遺留一個兒子約翰、賈克、安培，賈克後來成為著名的文學史家。安培在厄斯特旋風吹至法國時，曾經在短短三個月內向科學院提了關於電流磁效應的六篇重要論文，奇怪的是在此之前和在此之後都沒看到安培從事物理研究的工作。

　　厄斯特發表重要的電流磁效應實驗結果不到兩個月後，1820年9月11日阿拉貢就在法國科學院演示厄斯特的電流磁效應實驗，引起科學界很大的迴響。安培在聽了這個演講後的第二天就重複一次實驗，並且進行更深入的研究
　　阿拉貢演講後一周9月18日、9月25日、10月9日安培在法國科學院會議上宣讀三篇論文包括；磁針偏轉方向的規律即著名的「安培右手定則」、平行電流導線的作用力、分子電流的假設（每個分子的圓形電流就一枚小磁針，並以此推論磁體呈現磁性的原由）、以及不同形狀電流間的交互作用（螺線管首次在此出現）。再經過三個月時間仔細定量研究後，他又發表三篇論文，最重要的部分是他這次用數學公式描述了電流導線的作用力，這個公式現在記為

在 ＳＩ 單位制裡，k = m0/4p，m0 為真空磁導率(Permeability)而m0 = 4p’10-7 牛頓1o安培-2。這又是一個平方反比定律，最早電流的單位安培就是從這個公式所定義出來的。

　　同樣的，1820年底法國的畢爾和薩瓦爾兩個人設計實驗，找出長直導線的磁場強度 B = m0I/2p。接著當時法國著名的數學物理學家拉普拉斯（Laplace）從他們的實驗結果分析，並且加入重疊原理的考慮，完成電流磁場強度的一般關係。拉普拉斯並未發表這個成果，但是我們現在還是把他稱為；畢爾-薩瓦爾-拉普拉斯公式（或者稱為畢爾-薩瓦爾公式）；

　　1824年阿拉貢進行一個實驗，他看到吊起來的磁石下邊的銅板轉動時，磁石也隨之轉動，而轉動磁石也會使銅板轉動。現在我們知道把置於兩極的銅板轉動會產生渦電流。此外德國的化學家舒威格和波根道各自獨立自製出電流計，而現行使用電流計的形態是法國的阿遜瓦和德布勒玆所發明的，電磁鐵則是在1825年由威廉史達金(W. Sturgeon)首先製造出來的，當時他曾經做過轟動一時的表演，用繞著38匝銅絲的馬蹄形鐵芯，通電後吸起一塊9磅的鐵製重物。

庫倫的扭秤

庫倫設計了一個精密的儀器，創始物理學定量的分析，他用嚴密的實驗所得到的數據，強有力地向世人介紹他所發現的新物理規律。
　
背景：
　　人們集中注意地球的磁性，此外科學家大都忙於力學或光學，較少顧及電學。十八世紀隨著蓄電裝置的發現與閃電的認識，電學變成熱門的研究主題，著名的科學家牛頓(Issac Newton 1642 .. 1727)就曾經探討過玻璃的摩擦發電，也曾對磁石的作用力大膽的提出平方反比律。
　　庫倫（Charles Augustin Coulomp 1736..1806)生在法國南部的望族，動盪的政治年代中長大，當時伏爾泰(Voltaire 1694 .. 1778)的自由主義和盧梭(Jean Jacques Rousseau 1712..1778)的民主思想已經開始影響法國。他先學習軍事，受教育當中自己也同時鑽研科學與數學，以軍事工程師開始他的事業。在馬提尼克島上監督防禦工事的經歷，從事材料摩擦及扭轉方面的研究，因此使他對科學更有興趣，1776年回到巴黎直到1798年法國大革命，全力致力科學研究。期間曾以「簡單機械的理論」參加科學院某次爭設計案而獲獎，1774年發明扭秤，逐利用扭秤進行大量的定量研究，許多重大的發現就在這個時期產生，1781年被選為法國科學院院士。戰爭時期隱居鄉下，1799年拿破崙執政時才又回巴黎定居。
　
庫倫扭秤：
　　通常我們在實驗室所能得到的靜電荷非常小，如果要精確地測量電荷之間的作用力，必須使用十分靈敏的儀器，庫倫發明的扭秤就是靈敏的測力計。
　　庫倫在一個直徑長12英寸、高為12英寸的玻璃圓柱體頂端，蓋上一塊直徑為13板上的中心及中心旁邊分別鑽了一個洞。然後在中央孔裝上一個高24英寸的玻璃管，玻璃管的頂端裝置放上一個分度頭，分度頭夾持一根銀製的懸絲，銀絲一直垂到玻璃圓柱容器裡，它的下端懸掛著一根橫桿，橫桿的一端鑲著小木髓球，另一端則貼上圓紙片，控制圓紙片的重量能使橫桿保分度頭持平衡。玻璃圓柱容器的內壁刻上 0--360度的刻度，當銀絲沒有扭轉的情況時，使圓柱壁上刻度與分度頭的零度互相對準。實驗時，由側孔垂下另外一個帶電的木髓球，先使兩球輕輕接觸，讓橫桿的木髓球也帶同類電荷，由於同類電荷間的斥力，兩球會自動分開，銀絲上的扭力會和靜電力平衡，最後木髓球就靜止在平衡位置。銀絲上的扭轉角與扭力是成正比關係，所以由分度頭上的角度可以讀出作用力的大小強度，而圓柱壁上的刻度則以弧長顯示平衡時兩個球之間的距離。庫倫的實驗數據如下；

實驗次數	小球間鉅離	銀絲扭轉角度
1	360	360
2	180	1260＋180＝1440
3	8.50	5670＋8.50＝575.50

記載上英國有一位神父麥凱爾(Rev.John MicHell)可能比庫倫早些時候發明扭秤，不過庫倫發明扭秤的發明是自己獨立完成的，與麥凱爾的發明無關。
　　後來卡文迪許用麥凱爾的扭秤精確地驗證了萬有引力定律，測出地球密度。
　
庫倫定律：
　　 雖然定性上的發現同樣令人興奮，然而由實驗得出定量規律，卻是科學發展中不能缺少的過程。庫倫定律是電學中第一個精確的定量規律，它是電學從定性的觀察和實驗階段進入定量研究的標竿，對後來電磁感應上的豐收影響極大。
　　庫倫並未想到從庫倫定律來定義電荷的單位，他僅由牛頓的萬有引力定律類比，大膽假設電荷作用存在平方反比關係，並以自己發明的精密扭秤驗證這個假設。"靜庫倫"是描述電荷電量的一種單位，德國的數學家兼物理學家高斯（C. F. Gauss 1777..1855)首先由庫倫定律定義出電荷的"靜庫倫"單位。當相同電量的兩個電荷相距 1 厘米，而作用力為 1 達因時，定義每個電荷的電量為1 靜庫倫。高斯後來繼續創造了磁矩、磁場強度等的單位，建立了電磁學裡的"高斯制"單位系統。高斯制系統中使用的單位在實用上有的量顯得太大（如電阻），有的量則又太小（如電流），使用起來不是很方便，於是科學家後來又發展成另一種叫做國際單位制（ＳＩ-unit），在國際單位制中電荷電量的單位是"庫倫"。如果我們用數學式子

表示庫倫定律，則在高斯制裡 Ｋ＝1 ，對物理系學生作電磁學理論推導時，在這種情況下運用起來相當方便。而在 ＳＩ制 系統裡 ，
 其中 為真空容電率(permittivity)，
 法拉／米。

庫倫定律發現的十八年前，富蘭克林在一系列的電學研究中，就注意到擺在帶電金屬容器內部的軟木球，完全不受容器電性的影響。他寫信告訴他在英國的朋友名化學家普里斯特利(J.Priestley 1733..1804)這個結果，而普里斯特利作出了富蘭克林結果可能與平方反比定律有關的猜測，當時由萬有引力已經知道如果引力是平方反比關係，一個均勻球殼不會在它的內部產生引力場，這是由於引力源的大小（即面積）剛好和距離的平方成正比之故。後來卡文迪許曾經作實驗驗證過這個道理，它用兩個同心金屬球殼，外球殼由兩個半球殼併合而成，可以隨時拆合。先使外球殼充電然後以銀絲接觸內球殼，然後扯斷銀絲移走外球殼，在用靜電計測量內球殼的電位，當然沒有在內球殼找到任何電荷。

　　卡文迪許在上述的實驗中，根據儀器的精密度推斷，靜電的平方反比定律至少在準確度2％之內是成立的。也就是說如果把庫倫定律寫成

至少我們知道不會大於0.02，即δ≦ 0.02。

　　後來馬克士威整理卡文迪許手稿時（當時英國在建橋大學新建一個實驗室，叫作卡文迪許實驗室，請馬克士威主持這個實驗室）重複了這個實驗，並且作了些微改進，這次實驗中不須移走外球殼，而是直接將外球殼接地，如此提高實驗的精密度，馬克士威得到的結果為

1936年美國的普里姆頓(S. J. Plimpton)和勞頓(E. Lawton)
將精確度提高四個數量極，為δ≦ 2 × 10^-9。

　　1971年威廉斯等人又提高至 δ≦（2.7 ± 3.1）× 10^-16，也就是說電學中的庫倫定律在億億分之一的精確度內是成立的。

　

卡文迪許：

　　英國的卡文迪許（Henry Cavendish 1731..1810)出生在法國，1749年進入劍橋大學皮特豪斯學院（當時劍橋大學還不是著名的科學研究中心，英國的科學鼎盛時期是在十九世紀），沒有完成學位論文就離開，往後及過著隱居式的生活。他是第一個成功測量出萬有引力的人，電學與化學方面也是一個開拓者，然而它的大部分研究成果都沒有發表，許多是等他過世後別人才由遺留下來的文章才知道這些偉大的發現。玆略述如下；

• 發現氫和氧燃燒生成水，水的重量等於過程中消失掉 氣體的重量。
• 在燃燒室裡製造出硝酸。
• 第一個驗證了萬有引力定律。
• 測出地球精確密度。
• 發現電荷間作用力的平方反比關係，可由物體表面電 荷分佈導出，並以實驗驗證之。

科學上的功績：

• 第一個以定量方法的嚴密實驗
• 發現靜電學平方反比定律..庫倫定律
• 發現磁力平方反比關係
• 指出導體表面電荷的分佈情況
• 首先發現摩擦力與正壓力成正比

閃電富蘭克林

美國富蘭克林(Benjaming Franklin 1706..1790)在1746年看過萊頓瓶的實驗後，開始了電學的研究，一段時間曾從事蓄電研究，勾聯數個萊頓瓶做成蓄電器。後來懷疑雷電與摩擦起電的相同性，對雷電進行長期的觀察、對比、及分析，發現它們有許多共同之處；包括發光、顏色光線曲折形狀、可由金屬導電、發出爆裂的聲響等。於是大膽的計劃著，正準備進行一個驚人的實驗.........

人間的普羅米修斯：

　　 遠古時代，人們對雷電往往心存畏懼驚奇之心。除此之外，早期人們就已經注意到，船尾頂上的金屬尖端、以及教堂塔尖上的"電暈"現象，這是一種緩慢的火花放電。人們稱之為"聖埃莫之火"（Saint Elmos's Fire)，認為它是水手的守護神顯靈。

　　 希臘神話中一則故事如此說；普羅米修斯到取火種至人間，造福人群。因此觸怒宙斯，將之鎖在高加索山崖，每日受神鷹啄食肝臟。普羅米修斯寧受折磨，堅毅不屈。最後為大力神赫拉克斯解救。

費城實驗：

　　當時在人們心目中，雷電是上帝之火。關於費城實驗，大部分的人覺得是非常反傳統性的，而且大大地冒犯天威。 富蘭克林原本計劃爬上建築中的高塔上親自引電，後因高塔來不及完成而做罷，沒有被電死算是非常僥倖。

　　1752年7月富蘭克林與兒子威廉，在一間四面開敞的木棚裡，進行引接雷電的實驗。首先他將絲綢做成風箏，頂端縛了一根尖細的金屬絲，再用一條長長的繩子繫著風箏，下雨後繩子打濕著。繩子另一端末梢繫著充作絕緣的綢帶，因為人躲在木棚裡，綢帶一直保持乾燥，綢帶的另一端握在手中。綢帶與風箏交接處，掛上一串鑰匙作為斷路器以避免觸電。閃電後看到繩上纖維豎起，一陣子高興，禁不住另一手伸出去摸一下，突然指尖與鑰匙間發生火花，左半身麻了一下，手收了回去。

富蘭克林興奮的告訴兒子說： 「這就是電！！」

給朋友柯靈遜的信：

　　當帶著雷電的雲來到風箏上面時，尖細的鐵絲立即從雲中吸取電火，風箏和繩子全都帶了電，繩子上鬆散的纖維向四周豎了起來，可以被靠近的手指所吸引。當雨點打濕了風箏和繩子，以致電火可以自由傳導時，你可以發現電火從鑰匙向你的指尖大量流過來。用這個鑰匙可以使萊頓瓶充電，用充得的電火可以點燃酒精，也可以進行其他的電氣實驗。像平常用摩擦過的玻璃球，或者玻璃管來做的電氣實驗一樣。於是，帶著閃電的物體，和帶著普通電的物體之間的相同之處，就完全顯示出來了。

富蘭克林的遭遇：

　　後來富蘭克林以一篇論文"論閃電和電氣的相同"，寄給英國皇家學會，起先受到當時科學家的冷遇，不久法國的特里布爾，在巴黎成功地重複這個實驗後才受到重視，甚至被當時的法王路易十五世請去當場表演，歐洲科學界開始承認富蘭克林的成果，並且接納他成為皇家學會會員，授與柯普利金質獎章。許多科學家從此開始轉向研究電氣，期間俄國的梨赫曼曾在實驗時因電擊意外導致身亡。

避雷針：

　　富蘭克林將3米長的尖細鐵棒放在煙囪頂端，以金屬線引至屋內的金屬水pump，中間電線分成兩股，相隔一定的距離掛上小鈴，當閃電時經過鐵棒引電進入金屬線，小鈴因同性電荷的作用發出聲響。於是富蘭克林成功地將避雷針介紹給人們，漸漸消除他們對雷電的恐懼。

富蘭克林的發現：

• 費城實驗證明雷電與摩擦起電性質相同
• 電不是摩擦創造出來的，而是帶走轉移的
• 電的一流體(+ e - e)
• 電荷守恆律

伏特與伏特電池

背景：

　　當時對於電已經有相當的認識（靜電、導電、電的種類），加上對雷電的正確了解，尤其是避雷針的研製成功，消除人們對於雷電的畏懼。特別是蓄電裝置的發現後，科學家開始動腦筋去想如何能夠有效地運用電。

青蛙腿的啟示：

　　義大利波洛尼亞大學的解剖學教授賈法尼(Luigi Galvani 1737..1798)經常利用電擊研究生物反應，1780年秋天無意間發現，即使沒通電源的情況下，剝下來的青蛙腿也會發生痙攣的現象，後來經過十年的研究，在1791年發表成果。他一直認為這是一種由動本身的生理現象所產生的電，稱為動物電，因此開發了一支新的科學 電生理學 的研究。同時也帶動了電流研究的開始，觸使電池的發明。關於這次意外的發現說法如下；

　　一次尋常的閃電，使賈法尼解剖室台上的起電機發生電氣火花的同時，放在桌子上與鉗子和鑷子環連接觸的一隻青蛙腿發生痙攣，而此時起電機與青蛙腿之間並無導體連接。接著他把青蛙腿的一隻腳吊高，再用黃銅鉤刺在脊髓上，並使其接觸銀製的檯板，讓另一隻腳可以在檯板上方自由活動，當它碰到銀檯時，腳的肌肉就起收縮而離開檯板，但是離開檯板後即又再度伸長碰到銀檯，如此反覆搖擺。如果將鉤與檯改換成同一種金屬，就看不到這種現象。

伏特和賈法尼的爭辯：

　　義大利利帕維亞大學的物理學教授伏特(Alessandro Vlota 1745..1827)，反覆重做賈法尼的實驗，仔細觀察後發現電並不是發生於動物組織內，而是由於金屬或是木炭的組合而產生的。於是伏特完全不使用動物的組織，僅用不同的金屬相接觸，使用萊頓瓶及金箔檢電器進行實驗，發現在接觸面上會產生電壓，稱為接觸壓。這種裝置可以同時用不同的幾種的金屬，提高實驗效果，但是總無法產生連續不斷的電流。

　　伏特同時注意到賈法尼的實驗中也是使用不同的金屬，而實驗中的青蛙腿可以看作一種潮濕的物質，所以就使用能夠導電的鹽水液體代替動物組織試驗之，終於因此發現了電池的原理，做出了著名的伏特電堆與伏特電池。

　　賈法尼和伏特是朋友，賈法尼相當堅持自己的看法，伏特的反對意見觸使賈法尼更進一步的研究，這一次他乾脆不用任何金屬做導體，剝出一條青蛙腿的神經，一端縛在另一條腿的肌肉上，另一端和脊髓相接，結果腿仍然會有抽搐現象，證明了表現在青蛙腿上的電刺激，可以僅僅來自動物本身，這就是所謂的賈法尼電池、賈法尼電流(Galvanic Cell、Galvanic Current、Gagnometer)。賈法尼創造出動物電，導使電生理學的建立。

伏特電堆與伏特電池：

　　伏特電堆是由幾組圓板對堆積而成，每一組圓板包括兩種不同的金屬板。所有的圓板之間夾放著幾張鹽水泡過的布，潮濕的布具有導電的功能。伏特進一步試驗不同金屬對所產生的電動勢效果，得到以下的關係；

Zn -- Pb -- Sn -- Fe -- Cu -- Ag -- Au

同時他也試過不同的導電液，後來就用硫酸液代替鹽水。至於電堆的原理，伏特則認為是由於金屬接觸的機械原因所導致的，一直到後來赫爾姆霍玆才指出這是錯誤，而認為這是化學作用所引起的。

　　1800年伏特將十幾年研究成果，寫成一篇論文「論不同金屬材料接觸所激發的電」，寄給英國皇家學會，不幸受到當時皇家學會負責論文工作的一位秘書尼克爾遜有意的擱置，後來伏特以自己名義發表，終於使尼克爾遜的竊取行為遭受學術界的唾棄。

　　當時法國國王拿破崙平素喜歡學者，1800年11月20日在巴黎召見伏特，當面觀看實驗頓覺感動，立即命令法國學者成立專門的委員會，進行大規模的相關實驗（有眼光！！）。同時也頒發6000法郎的獎金和勳章給伏特，發行了紀念金幣，而伏特也被作為電壓的單位，直到現在我們還在如此引用。

伏特電池之後：

　　在伏特之前，人們只能應用摩擦發電機，運用旋轉以發電，再將電存放在萊頓瓶中，以供使用，這種方式相當麻煩，所得的電量也受限制。伏特電池的發明改進了這些缺點，使得電的取得變成非常方便，現在電氣所帶來的文明，伏特電池是一個重要的起步，他帶動後續電氣相關研究的蓬勃發展，後來利用電磁感應原理的電動機，和發電機研發成功也得歸功於它，而發電機之後電氣文明的開始，導致第二次產業革命改變人類社會的結構。

？？？ 丹麥丹聶爾(J.F.Daniell)和盧克歇爾(Leclanche) 發明乾電池。 西元1859年 普蘭第(R.L.G.Plante)發明鉛蓄電池。
？？？ 英國的化學家德斐(Humphry Davy 1778..1829)後續 的研究發現了幾種鹼金屬，導致電氣化學工業的興 起。 德斐在電流的磁效應上面的研究有過重要的貢 獻，著名的物理大師法拉第，曾經在德斐實驗室當 助理學習。

白努利定律

白努利從牛頓運動學中，能量守恆觀念：動能＋位能＝定值，推導出

白努利定律：動能＋壓力＝定值。

數學式：

P:壓力 r :液體密度 m :流速

此結果告訴我們，當液體流速減少時，壓力便會增加。

一、關於白努利的家世背景：

(1)白努利(Daniel Bernoulli)，1700年出生於荷蘭，1782年死於瑞士。

(2)其伯父、父親，兄弟均為知名的數學家，後來和白努利一起研究的知名

數學家尤拉，即是經由其伯父(Jacob Bernoulli , 1654~1705)的推薦下，由

白努利的父親(Johann Bernoulli , 1667~1748)指導下的高徒。

(3)內鬨不合睦的家族：

在白努利五歲時，舉家遷回瑞士的貝賽爾，而為了爭奪"名聲"及"教職"，

其父親與伯父交惡，而日後白努利與其父親之父子關係亦惡化了30年之

久。

二、白努利的求學過程

(1)少年熱衷數學及醫學的白努利：

白努利並非依其父的安排成為生意人，從小便對微積分充滿興趣，一直

到13歲，其父親終於認同且指導他，但他堅決的反對白努利以數學研究

為工作，後來白努利依父親的意研究醫學，但也卻難忘情於數學。

(2)21歲的白努利：

完成醫學研究的他，不僅在解剖學及植物學上佔有一席之地，且在義大

利獲得了第一個獎，並且在其好友Christian Goldbach的安排下，研究數

學運動學(Mathematical Exercises)。

三、白努利定律的由來：

(1)來自血壓的靈感：

25歲的白努利回到了瑞士，並與其父親高徒－尤拉一起研究，它們對血

流和壓力之間的關係有很大的興趣，並著手研究。

很快的，全歐洲的醫生都使用白努利的方式量病人的血壓，一直到170

年後(西元1896年)，一個義大利的醫生改良方法，一直沿用至今。

(2)由牛頓運動定律衍生出流體力學。

白努利想更進一步的研究血流和血壓，所以他又返回早期所研究的能量

守恆的工作，進而發展出白努利定律。

四、1725年 ~ 1749年：

(1)載譽回鄉，但是‧‧

從1725年到1749年，白努利在天文、重力、潮汐、磁學、海流及船在

海上的行為等方面獲得了十項獎項，而也在白努利三十歲時(1730年)便

幾乎要完成流體動力學，也很渴望回家，就在四年後，再次得獎回家時，

其父親並不接受他，因為其父親無法接受兒子的能力與他相匹敵。

(2)之後白努利雖然努力挽回父子關係，店但其父親並不領情，而且還剽竊

白努利的流體力學研究，父子關係終告破裂，白努利也將研究方向轉向

藥學及生理學，一直到1782年，死於貝塞爾(瑞士)。

五、白努利定律在生活上的應用：

(1)文氏管流量計，乃測定一液體的流速。

(2)皮氏管，乃測定一氣體的流速。

(3)動昇力，由一流體經過一物體如機翼之流動結果。

(4)火箭推力，由氣體逃脫所產生在一火箭上之力。

參考資料：

(1)Halliday/Resnick , 基本物理學 , p575~589

(2)www.kfvhs.kh.edu.tw

(3)www.history.mcs.st.andrews.ac.uk/histury/mathematicians/Bernoulli_Daniel.htm

氣球的由來與發展

1. 氫的發現:
   西元1766年英國物理學家卡文迪希,將酸溶液與鋅等金屬 作用產生了氫這種氣體,重量僅及同體積空氣的十分之一, 燃燒後則產生水。打破了以往將水視為元素的觀念。
   
2. 氫氣球的發明:
   與卡文迪希同時期的英國物理學家布萊克 ,則利用氫玩了一 個小魔術。他將氫氣灌入牛膀胱中 ,因浮力大於氣球的重量 ,所以飛到天花板上朋友們看到後非常驚訝。
   
3. 氣球熱:
   氫氣發現的消息傳至法國 ,使法國人掀起了氣球熱。
   
4. 蒙哥夫葉兄弟觀察廢紙燃燒的煙往上昇到高空中 ,想到要捉住 空氣利用其浮往上昇。西元1783年於是兄弟倆做了一個直徑十 米的亞麻布氣球 ,在氣球下方開口生火 ,結果氣球飛到約460m 的高處時 ,不久因空氣冷卻而落至2km外 ,後來利用熱氣球載動 物升空 ,安全落下。兩個月後,羅傑和達朗特乘坐熱氣球,飛行了 二十五分鐘之久 ,是人類第一次的成功飛行。
   
5. 法國物理學家查理 ,也在西元1783年以橡皮綢布做為氣球的材 料 ,再以鐵屑和硫酸生成反應所產生的氫氣灌入氣球中。四天 後直徑四米的氫氣球就做好了 ,試飛時升高約1千米,而後降落 到二十km外的農村。後來查理做了一個更大的氫氣球 ,上面 用網子罩住 ,下端掛上吊籃。查理和羅伯特就利用氣球升至三 千米的高空 ,同時測量了空氣的溫度、壓力和溼度 ,為後來的高空探測開啟了大門。
   
6. 此時在歐洲各國掀起了更大的氣球熱 ,大家競相比高、比快、比 大、比遠,來創造新的記錄 ,完成人類飛翔的美夢。
   
7. 飛船:
   (1)西元1852年法國人亨利 ,製造了第一架蒸汽動力飛船。
   (2) 西元1884年法國人魯納爾和克里布製造了第一架電力馬達軟 式飛船。
   (3) 西元1900年德國人齊柏林 ,以鋁為氣囊支架的硬式飛船試飛成 功 ,飛船的的實用性一時取代氣球和滑翔機。直到西元1937年 興登堡號飛越大西洋到美國雷克哈斯城 ,準備購買氦氣來取代 易燃的氫氣 ,沒想到快著陸時卻發生爆炸。以後各國相繼放棄 飛船的發展 ,轉而從事飛機的研究。
   
   
8. 現代氣球的應用:
   現代氣球多以合成聚合物為材料 ,其耐張力大、重量輕的特性 , 使其效益、方便性比以前更高。
   (1) 小孩玩的氣球,及慶典所施放的氣球 ,大多充入氫氣 ,危險性較高 要更注意安全。
   (2) 休閒運動用的大氣球在歐美國家還很盛行。
   (3) 觀察敵方軍情的間諜氣球。 空飄物品、傳單的氣球。
   (4)收集高空氣象資料的氣球甚至可到80公里的高空,環繞地球好幾周
   
   參考資料:
   1.中華兒童百科全書第8冊。
   2.中國兒童大百科全書第19冊、第33冊。
   3. LIFE(SCIENCE LIBRARY)MATTER 　
   

氫氣球的故事

1. 英國物理學家卡文迪西發現元素氫硫酸or鹽酸等酸與鋅等金屬作用 氫氣可燃，產生水
2. 英國物理學家布萊克製氫氣球
3. 蒙哥夫葉兄弟以熱空氣使氣球上升
4. 巴黎科學院命物理學家查理進行氣球的研究 氫氣球浮力超過熱氣球浮力 500Kg鐵和250Kg硫酸 群眾夜裡手持火把隨氣球移動 富蘭克林：" 剛出生的嬰兒，有誰知道他們會有什麼用處哪? " 如果發現這個袋子，請交給查理教授 蒙哥夫葉兄弟的熱氣球與查理的氫氣球成功地載人飛行
5. 蒙哥夫葉兄弟以雞、鴨、山羊載醫師羅傑
6. 查理帶氣壓計和其他儀器 富蘭克林—氣球部隊 查理因氣球出名而逃過一劫查理定律 壓力一定下，溫度每上升1度，氣體會膨脹0O C時體積的273分之1 波以耳定律
7. 給呂薩克定律

火箭科學史

火箭的小傳記

　　每次討論到太空探測都離不開太空船與火箭，因此天文學會在每年高雄市科學週都會主辦寶特瓶水火箭製作與發射競賽活動，一方面共襄盛舉推展科普，一方面也滿足會員們的求知需要，除此還有各種場合下許多類似的活動，所以就整理了火箭科學史小故事，期望讓火箭相關科普活動會錦上添花吸引更多人。

1. 古老的中國有一條龍　它的名字叫火龍
   
   　　中國人發明火藥, 火箭是火藥應用之一當然也是中國人的專利。宋代民間已出現了利用燃燒火藥產生的高速氣體推進箭枝的技術,朝廷並加以改進用於軍事,1086年宋朝與西夏蘭州之戰大量使用火箭。到了明朝技術更加提昇，連發數百枝箭的百矢弧箭、百虎齊奔箭逐一出籠，武備志記載如飛空擊賊震天雷炮、神火飛鴉等一些裝置甚至具有飛彈模型 。高雄市科工館內一個明朝發明叫火龍出水，是用於水戰的兩節式火箭，其機制就是現在送太空船上去的火箭一樣，記得有空去瞻仰感慨一番。
   
   
2. 明代有一隻笨鳥　叫萬戶
   
   　　明代有一位木匠叫萬戶,喜好鑽研精通製造火箭的技術,他造了一隻” 飛鳥”,飛鳥由一把椅子做主體以火箭為推力,讓人把他綁在椅子上雖然有衝入半空,飛鳥又急速向下墜落,萬戶不幸墜地身亡,成為人類有史以來,第一次以火箭作動力飛向天空的人,國際天文學會將月球上的一座環形山命名為萬戶,以紀念這位勇士.老外的想飛侍從翅膀開始，中國人率先利用反作用力挑戰重力場，又聰明又勇敢。
   
   
3. 太空火箭之父－柴奧爾科斯基
   
   　　西元1903年,俄國科學家齊奧爾科夫斯基發表”以噴氣裝置探測宇宙空間”的論文,提出以火箭作為動力航天的思想,並指出由於固體燃料振動太大,無法控制必須使用液體燃料. 他還證明了為脫離地球引力必須使用多級火箭.在他的”在地球之外”這本科學幻想小說裡,他提到了宇航服,太空失重狀態,登月車,他的設想與現代太空技術完全一樣. 可惜在當時沒有得到應有的重視,生前始終沒能親自造出一枚火箭.他的墓碑上刻著這樣一句話：
   
   　　　　　　　　”人類不會永遠將自己束縛在地球上”
   
   
4. 液體火箭的研製成功
   
   　　 美國人高達德首先研製液體火箭成功.1918年11月,他成功地發射一枚固體火箭,為液體火箭做好了技術準備.1919年,他發表了”到達超高空的方法”,指出火箭可以在沒有空氣的太空中飛行.1926年3月16日,第一枚以液體氧和汽油為燃料的液體火箭在麻省發射成功.
   
   
5. 1943年德國的造出了V-2導彈
   
   　　羅馬尼亞出生的德國科學家奧伯特在1923年出版了”向星際空間發射火箭”一書,建立了宇航火箭的數學理論.1929年在高達德試驗的鼓舞下,開始研製液體火箭.1930年,奧伯特的學生馮布勞恩發明了液氧和煤油混合燃料.1933年採用這種混合燃料製成了A-1火箭.到了1942年A-4火箭問世,其速度已達每秒2公里,射程達190公里. 緊接著隔成功造出了V-2導彈,它是在A-4火箭的基礎上改進來的,重約6噸,射程達300多公里,速度是音速的6倍.這隱喻著洲際飛彈的威脅，想想看隔著大海的敵國隨時隨地都有可能丟一個炸彈遠渡重洋炸得你雞犬不寧，那種待宰的恐慌多麼戰慄，上次總統大選時我們領教過中共的導彈搗蛋，二次世界大戰當時德國發明V-2導彈嚇壞了西方聯盟國家。科技文明互動中，戰爭扮演著重要的角色。
   
   
6. 1957年蘇聯發射了第一顆人造地球衛星嚇死老美
   
   　　蘇聯在第二次世界大戰後,得到了一些V-2火箭和工廠設備,其科學家在科羅列夫領導下,1956年發射成功了第一枚洲際導彈”蘇聯1號”,使蘇聯的火箭技術領先美國.1957年,他們研製的火箭速度已達每秒8公里,已具有擺脫地球引力飛出地球的軌道速度.1957年10月4日,蘇聯用”蘇聯一號”三級火箭成功地發射了第一顆人造地球衛星.12月4日蘇聯又發射了第二顆人造衛星。想想看天上隨時隨地有一雙眼睛監視著你的一舉一動，甚至可能丟一個石頭砸你，你能不緊張嗎?美國人當時嚇得把教育從頭改起，我們用了二十餘年高中pssc教材(近幾年我們已經修訂，不再採用了)就是當時的產物。
   
   
7. 美蘇的太空競爭
   
   　　剛開始由於美國急於求成,1957年12月6日,海軍試發射一顆衛星只上昇了2米就爆炸了.1958年1月31日,由馮布萊恩設計的 ” 丘比特-C ” 將美國的第一顆人造地球衛星”探險者1號”送上軌道.從此美蘇的空間競賽拉開了序幕，到了阿波羅太空船送阿姆斯壯登陸月球，老美終於找回尊嚴。環視目前；太空梭的成功代表搬到太空別墅日子已近。登陸車才去過火星，下次要到土星玩玩。太空船戴著太空望眼鏡翱翔太陽系，大大增廣視野。
   
   　　　　　　　　　　 火箭一步一步地實踐人類夢想。

＜參考資料＞ 　
“探空火箭”，（光復書局） 　
“火箭與太空船”，呂紹鄂著（冠南出版事業有限公司）