1767年,根据充电圆球的实验,普利斯特里成为历史上第一个猜测带电点电荷间的相互作用力满足平方反比律的人,尽管如此,他没有总结出这个定律,而是由库伦给出.1769年,约翰•罗比逊宣告说充电/带电小球之间的排斥力与它们的距离平方成反比,早于库伦1785年的预测.
1766年,他做实验证明了带有相同电荷的两个球之间的静电排斥力的大小随着距离的 2次方成反比,而指数的绝对误差小于 0.06.
1770年年初,带电球之间的相互作用力与它们的距离和电量的关系已经被卡文迪许发现,但是没有发表.
1785年,库伦通过扭秤实验,得出并发表了带电球之间的相互作用力与它们的距离和电量的关系.
1769年,瓦特发明了蒸汽机,蒸汽机可以带动摩擦起电机产生大量的电.
18世纪中叶,人们进行电学研究,也发现了电力对人体的影响,医用电学这一领域因而诞生.1780年11月的一天,意大利医生、物理学家与哲学家,现代产科学的先驱者伽伐尼在铁制平台上放了一只已经剥去皮的青蛙,准备做实验,当他把锡制的刀放在桌面上且撘在青蛙腿上时,青蛙腿抖动了一下.伽伐尼百思而不得其解.6年后,一艘英国船从南美把几条电鳗带到伦敦.电鳗是生长在南美的一种特殊的热带河鱼.当地土著人都知道在捕捉电鳗时会遭到它狠狠的一击,捕鱼人因此会身体灼痛、发热、发胀、发麻.于是土著人就利用电鳗的这种攻击来治疗风湿痛.这次由轮船带来的电鳗被放养在伦敦的水族馆里,引起了市民的极大兴趣.有人去摸鱼的头部,尝到了攻击的滋味,这种滋味与莱顿瓶放电时给人的电击是一样的.后来,有位科学家让电鳗给莱顿瓶充了电,从此大家都相信了电鳗的攻击是一种动物放电现象.消息传到意大利,伽伐尼顿觉眼前闪过一道亮光.6年前的往事又历历在目.青蛙颤动的原因并不是起电机放电,也不是大气放电,而是在于青蛙体内本身就储藏着电.是啊!世界上有着各种各样的电:有摩擦产生的玻璃电和树脂电;有富兰克林发现的空中的电;还有我发现的动物身上的电,也就是动物电.想到这里,伽伐尼兴奋地高声背诵起德国哲学大师谢林的名言:“啊,电是宇宙的活动,宇宙的灵魂!”为了证实自己的想法,1786年9月20日伽伐尼在一间密闭的房间里作了这样的实验:他用铜钩勾住蛙腿,平放在玻璃板上,再用一根细长的弯铁杆,一端去接触铜钩,另一端去碰蛙腿.果然看到了蛙腿会颤动.但是换一根玻璃弯杆去试验,青蛙却一点也不会动.这样就更证实了伽伐尼的设想,动物体内存在着“动物电”,金属弯杆只是起着一种传导作用.于是伽伐尼在1792年发表了《论肌肉中的电力》一文,向科学界宣布他对“动物电”的论述:“在紧缩现象发生时,有一种很细的神经流体从神经流到了肌肉里去了,这就像莱顿瓶中的电流一样……”伽伐尼的研究成果立即受到了欧洲学术界的普遍赞扬,大家推崇说这是科技史上一件有意义的大发现.
帕维亚大学的实验物理学教授亚历山德罗•伏特重复并检验了伽伐尼的实验,他是最早这样做的科学家之一.起初他接受动物电理论,然而后来他开始产生怀疑.伽伐尼的理论认为,电流传导是由动物的腿(或身体其它部分)内含有的特殊电力产生的;而伏特提出,电流传导是通过伽伐尼在试验中用来连接神经和肌肉的金属线产生的.伽伐尼相信动物电来自骨盆中的肌肉;反对这一理论的伏特则提出,动物电是摩擦青蛙皮导致的一种物理现象,而不是“金属电”——也就是现在所说的电流.
伏特在1792-1796年重复伽伐尼的实验时发现,只要有两种不同金属互相接触,中间隔以湿的硬纸、皮革或其他海绵状的东西,不管有没有蛙腿,都有电流产生,从而否定了动物电的观点.伏特认识到蛙腿收缩只是放电过程的一种表现,两种不同金属的接触才是电流现象的真正原因.
根据各种金属接触的实验结果,伏特列出了锌-铅-锡-铁-铜-银-金的次序,这就是著名的伏特序列.其中两种金属相接触时,位于序列前面的都带正电、后面的带负电.
1800年伏特用锌片与铜片夹以盐水浸湿的纸片叠成电堆产生了电流,这个装置后来称为伏特电堆,他还把锌片和铜片放在盛有盐水或稀酸的杯中,放多个这样的小杯子串联起来,组成电池.他指出这种电池“具有取之不尽,用之不完的电”,“不预先充电也能给出电击”.伏特电堆(电池)的发明,提供了产生恒定电流的电源——化学电源,使人们有可能从各个方面研究电流的各种效应.从此,电学进入了一个飞速发展的时期——电流和电磁效应的新时期.
长期以来,磁现象和电现象一直是被分别进行研究的,特别是吉尔伯特对电和磁的现象进行分析对比后断言,电和磁是两种截然不同的现象后,很多科学家都认为电和磁之间不可能有什么关系.法国物理学家库仑曾证明:“电与磁是完全不同的实体”;另一位法国物理学家,安培定律的创立者安培也说过:“电和磁是相互独立的两种不同的流体”;英国物理学家、光的波动说的奠基人托马斯•杨在他的《自然哲学讲义》中说:“没有任何理由去设想电与磁之间存在任何直接的联系.”
然而,也有一些人猜测电和磁之间可能存在着某种联系.一位名叫威克菲尔德的小商人,就曾描述过雷电使他箱子中的刀、钢针磁化现象;1751年,富兰克林发现莱顿瓶放电可以使焊条、钢针磁化或退磁.1774年,德国巴伐利亚电学研究院为了激励科学家们深入研究电和磁之间的关系问题,提出了一个有奖征文题目《电力和磁力是否存在着实际的和物理的相似性呢?》不少人去努力探索,但都没有取得什么成果.
毕业后,奥斯卡得到了一笔奖学金使他有机会去国外旅行,在拜访德国时认识了德国物理学家、化学家里特(Johann Wilhelm Ritter,1776-1810),里特在电和磁方面的观点据说使奥斯卡觉得电和磁之间似乎有某些联系,在当时,没有任何实验支持,只是纯粹的猜测.当富兰克林发现莱顿瓶放电能使钢针磁化以后,奥斯特更坚定了自己的观点,他认为:电可以转化为磁是不成问题的,关键问题在于要寻找转化的条件.1811年,奥斯特在《对新发现的化学自然定律的看法》一文中,提出用电流实验来弄清楚潜在状态下的电是否对磁具有什么作用.第二年,在这本书的修订本《对化学力和电力的同一性》一文中,奥斯特进一步论述了电流与磁的关系,并进行了实验,但仍未能发现电对磁的作用.
困难和挫折并未使奥斯特畏缩,他毫不气馁,继续不断思考,反复进行实验,探究电和磁的关系.化学家J.G.佛克哈默曾担任过奥斯特的抄写员,他非常钦佩奥斯特坚韧不拔的精神.在奥斯特逝世一周年纪念会上,他深情地怀念道:“奥斯特一直在探索这两种巨大自然力之间的关系.他过去的著作都证明了这一点,我在1818年到1819年每天跟随在他左右,可以用自己的经历说明,发现至今仍然很神秘的(电和磁)联系的想法一直萦绕在他的心中.”1819年冬至1820年春,奥斯特在哥本哈根开办了一个讲座,专门讲授电、电流及磁方面的知识,讲座吸引了许多物理知识的爱好者.
1820年4月的一天,在哥本哈根的一个讲演厅里,座无虚席.大家聚精会神地倾听着奥斯特的演讲.奥斯特深入浅出地讲解着电学知识,为了让听众较容易地理解那些深奥的电学原理,奥斯特边讲边做演示实验.
在讲课过程中,奥斯特突然想到一个问题:过去许多科学家在电流方向上寻找电流对磁体的效应都没有获得成功,很可能电流对磁体的作用不是“纵”向的,而是“横”向的.于是,奥斯特把导线和磁针平行放置进行实验.当时,他用的电源是伏特电池,导线是一根细铂丝.当他把与伏特电池两端连接的导线平放,并与一枚支在支架上的小磁针平行时,他惊奇地发现:靠近铂丝的小磁针突然摆动起来,小磁针向垂直于导线的方向偏转了.小磁针发生偏转的现象,对听众来说,几乎是无动于衷,并没有引起任何一位听众的注意,然而,这一不显眼的现象却使奥斯特兴奋异常,多年盼望出现的现象,终于看到了,这重要的发现,使奥斯特欣喜若狂:这是电磁之间关系的一个确定的实验证据.
其实,这一现象早在1802年就曾被意大利法学家罗曼诺西发现,但未引起人们的注意.演讲一结束,奥斯特立即回到自己的实验室,开始对这种现象进行深入细致的研究.从1820年4月起,一直到7月,奥斯特整整耗费了3个月的时间,做了60多个实验.奥斯特分别将磁针放在导线的上方和下方,考察电流对磁针作用的方向.他先将导线的一端和伏特电池连接,然后把导线沿南北方向平行地放在小磁针的上方,当导线的另一端接通伏特电池的负极时,小磁针立即指向东西方向;如果将导线放在磁针的下方,小磁针就向相反的方向偏转.奥斯特还把磁针放在距导线远近不同的距离处,检验电流对磁针作用的强弱;他把玻璃板、木板或石块等非磁性物体放在导线和磁针之间,考察电流对磁针的影响,甚至把小磁针浸在盛水的铜盆中,小磁针都照样偏转.如果导线沿东西方向放置,无论将导线放在磁针的上方,还是下方,磁针始终保持静止,丝毫没有偏转现象.
在反复实验的基础上,1820年7月21日,奥斯特正式宣布他发现了电流的磁效应,并在《关于磁针上电流碰撞的实验》一文中,详细论证和解释了他的发现.这篇论文发表在法国《化学与物理学年鉴》杂志上.这份杂志在当时很有影响,在刊登奥斯特的论文时,特别作了如下的说明:“《年鉴》的读者都知道,本刊从不轻意地支持宣称有惊人发现的报告……但是,至于说到奥斯特先生的文章,则其所得的结果无论显得多么奇特,都有极详细的记录为证,以至无任何怀疑其谬误的余地.”可见奥斯特的实验是多么具有说服力.
当时,奥斯特把电流对磁体的作用称为“电流碰撞”,或“电流冲击”,从实验中总结出了这种作用的基本特点.他认为:这种“电流冲击”只能作用在磁性粒子上,对非磁性物体是可以穿过的,磁性物质或磁性粒子受到“电流冲击”时,就发生了偏转现象.奥斯特成功地解释了通电铂丝附近磁针发生偏转的现象,证明了电可以转化为磁.
奥斯特的重大发现,揭示了电与磁之间的联系,为以后法拉第发现电磁感应定律,麦克斯韦建立统一的电磁场理论奠定了基础.法拉第后来在评价奥斯特的发现时说:它猛然打开了一个科学领域的大门,那里过去是一片漆黑,如今充满了光明.
安德烈•玛丽•安培(André-Marie Ampère,1775年—1836年),法国物理学家、化学家、数学家,在电磁作用方面的研究成就卓著.电流的国际单位安培即以其姓氏命名.创造了“电流”这个名词,又将正电流动的方向定为电流的方向.1820年他根据奥斯特的发现的”电流的磁力效应“,进行了很多有关电流和磁铁相互作用的实验,得出几个重要的结果:(一)两个距离相近、强度相等、方向相反的电流对另一电流产生的作用力可以相互抵消;(二)在弯曲导线上的电流可被看成由许多小段的电流组成,它的作用就等于这些小段电流的矢量和;(三)当载流导线的长度和作用距离同时增加相同的倍数时,作用力将保持不变.经过一番定量的分析之后,他终于在1822年发现了安培定律,并在1826年推出两电流之间的作用力的公式.安培在电磁学上杰出的成就是有目共睹的,当时许多物理学家都对他万分敬佩.
安培还发现,电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性和磁铁相似,设计出第一个螺线管,在这个基础上发明了探测和量度电流的电流计.
在磁学上,1820年阿拉戈发现通电的铜螺线管能像磁铁一样吸引铁屑,1824年还发现转动的铜盘能影响磁针转动.
1825年W.斯特金发明电磁铁,为电的广泛应用创造了条件.
早在1820年春天,丹麦的奥斯特在一次偶然之中就发现了这一原理.1822年,法国物理学家阿拉戈和吕萨克才发现,当电流通过其中有铁块的绕线时,它能使绕线中的铁块磁化.这实际上是电磁铁原理的最初发现.1823年,斯特金也做了一次类似的实验:他在一根并非是磁铁棒的U型铁棒上绕了18圈铜裸线,当铜线与伏特电池接通时,绕在U型铁棒上的铜线圈即产生了密集的磁场,这样就使U型铁棒变成了一块“电磁铁”.这种电磁铁上的磁能要比永磁能放大多倍,它能吸起比它重20倍的铁块,而当电源切断后,U型铁棒就什么铁块也吸不住,重新成为一根普通的铁棒.
斯特金的电磁铁发明,使人们看到了把电能转化为磁能的光明前景,这一发明很快在英国、美国以及西欧一些沿海国家传播开来.
1829年,美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新,用磁电绝缘导线代替裸铜导线,因此不必担心被铜导线过分靠近而短路.由于导线有了绝缘层,就可以将它们一圈圈地紧紧地绕在一起,由于线圈越密集,产生的磁场就越强,这样就大大提高了把电能转化为磁能的能力.到了1831年,亨利试制出了一块更新的电磁铁,虽然它的体积并不大,但它能吸起1吨重的铁块.
电流磁效应的发现打开了电应用的新领域.1825年W.斯特金发明电磁铁,为电的广泛应用创造了条件.早在1821年安培建议可用电磁仪器传输信号.1833年C.F.高斯和W.E.韦伯制造了第一台简陋的单线电报.1837年C.惠斯通和H.M.莫尔斯分别独立发明电报机.莫尔斯还发明了一套电码,利用他所制造的电报机可通过在移动的纸条上打上点和划来传递信息.这时期越洋海底电报的实验研究也在进行.1855年W.汤姆孙(即开尔文)解决了水下电缆信号输送速度慢的问题.1866年按照汤姆孙设计的大西洋电缆铺设成功.另一方面的发展是1854年法国电报家C.布尔瑟提出用电来传送语言的设想,但未变成现实;后来,P.赖斯于1861年实验成功,但未引起重视.1876年A.G.贝尔发明了电话.作为收话机,它仍用于现代,而其发话机则被爱迪生的发明(碳发话机)以及D.E.休士的发明(传声器)所改进.
电流磁效应发现不久,几种不同类型的检流计设计制成,为G.S.欧姆发现电路定律提供了条件.1826年,受到J.B.J.傅里叶关于固体中热传导理论的启发,认为电的传导和热的传导很相似,电流好像热流,电源的作用好像热传导中的温差一样.为了确定电路定律,开始他用伏特电堆作电源进行实验,由于当时的伏特电堆性能很不稳定,实验没有成功;后来他改用两个接触点温度恒定因而高度稳定的热电动势做实验,得到电路中的电流强度与他所谓的电源的"验电力"(electroscopic force)成正比,比例系数为电路的电阻.由于当时的能量守恒定律尚未确立,验电力的概念是含混的,直到1848年G.R.基尔霍夫从能量的角度考查,才澄清了电位差、电动势、电场强度等概念,使得欧姆理论与静电学概念协调起来.在此基础上,基尔霍夫解决了分支电路问题.
杰出的英国物理学家M.法拉第从事电磁现象的实验研究,对电磁学的发展作出极重要的贡献,其中最重要的贡献是1831年发现电磁感应现象(美国物理学家J.亨利几乎在同时也发现了电磁感应现象,但发表稍晚些).紧接着他做了许多实验确定电磁感应的规律,他发现当闭合线圈中的磁通量发生变化时,线圈中就产生感应电动势,感应电动势的大小取决于磁通量随时间的变化率. 后来,Э.Χ. 楞次于1834年给出感应电流方向的描述,而F.E.诺埃曼概括了他们的结果给出感应电动势的数学公式.法拉第在电磁感应的基础上制出了第一台发电机.此外,他把电现象和其他现象联系起来广泛进行研究,1833年成功地证明了摩擦起电和伏特电池产生的电相同,1834年发现电解定律,1845年发现磁光效应,并统一解释物质的顺磁性和抗磁性,他还详细研究了极化现象和静电感应现象,并首次用实验证明了电荷守恒定律.
电磁感应的发现为能源的开发和广泛利用开创了崭新的前景.1866年西门子发明了可供实用的自激发电机;19世纪末实现了电能的远距离输送;电动机在生产和交通运输中得到广泛使用,从而极大地改变了工业生产的面貌.
对于电磁现象的广泛研究使法拉第逐渐形成了他特有的“场”的观念.他深信在带电体和磁体的周围存在着某种特殊的“紧张”状态,他用电力线和磁力线来描述这种状态.他认为:力线是物质的,它弥漫在全部空间,并把异号电荷和相异磁极分别连结起来;电力和磁力不是通过空虚空间的超距作用,而是通过电力线和磁力线来传递的,它们是认识电磁现象必不可少的组成部分,甚至它们比产生或“汇集”力线的“源”更富有研究的价值.
法拉第的丰硕实验研究成果以及他的新颖的场的观念为电磁现象的统一理论准备了条件.诺埃曼、韦伯等物理学家对电磁现象的认识曾有过不少重要贡献,但他们从超距作用观点出发,概括库仑以来已有的全部电学知识,在建立统一理论方面并未取得成功.这一工作在19世纪60年代由卓越的英国物理学家麦克斯韦完成.早在1842-1854年,W.汤姆孙通过热传导、弹性现象和电磁力线的对比研究,建立了它们共同的数学描述.汤姆孙的类比方法鼓舞了麦克斯韦致力于将法拉第的力线思想写成便于数学处理的形式.开始(1856)他仅仅是通过力学现象与电磁现象的类比试图建立电磁学的理论体系;后来(1862)他觉得需要建立一种媒质理论来体现法拉第的力线思想.他认为变化的磁场在其周围的空间激发涡旋电场;此外他又引入了“位移电流”的概念,变化的电场引起媒质电位移的变化,电位移的变化与电流一样在周围的空间激发涡旋磁场.麦克斯韦明确地用数学公式把它们表示出来,从而得到了今天以他的姓氏命名的电磁场的普遍方程组──麦克斯韦方程组.法拉第的力线思想以及电磁作用传递的思想在其中得到了充分的体现.
麦克斯韦进而根据他的方程组推论电磁作用以波的形式传播,电磁波在真空中的传播速度等于电量的电磁单位与静电单位的比值.根据1856年韦伯和R.H.A.科尔劳施纯电学方法测量得到其值与光在真空中传播的速度相同,由此麦克斯韦预言光是电磁波.
麦克斯韦理论的推论和预言被德国物理学家H.R.赫兹的实验光辉地证实.1888年赫兹根据电容器放电的振荡性质设计制作了电磁波源和电磁波检测器,通过实验检测到电磁波,测定了电磁波的波速,并观察到电磁波与光波一样,具有偏振性质,并能够反射、折射和聚焦.从此麦克斯韦的理论逐渐为人们所接受.
麦克斯韦电磁理论通过赫兹电磁波实验的证实,开辟了一个全新的领域──电磁波的应用和研究.1895年俄国的Α.С.波波夫和意大利的G.马可尼分别实现了无线电信号的传送.后来马可尼将赫兹的振子改进为竖直的天线;德国的C.F.布劳恩进一步将发射器分为两个振荡线路,为扩大信号传递范围创造了条件.1901年马可尼第一次建立了横跨大西洋的无线电联系.
电子管的发明(1904年J.A.夫累铭;1906年L.德福雷斯特)及其在线路中的应用使得电磁波的发射和接收都成为易事,推动了无线电技术的发展,极大地改变了人类的生活.
虽然麦克斯韦的电磁理论对光在真空中的传播作了完备的描述,但它不能很好地揭示出物质的光学特性,特别是不能解释色散现象;此外,把电磁理论用于运动介质的情形也未获得成功.1896年H.A.洛伦兹提出的电子论,将麦克斯韦方程组应用到微观领域,并把物质的电磁性质归结为原子中电子的效应.这样不仅可以解释物质的极化、磁化、导电等现象以及物质对光的吸收、散射和色散现象;而且还成功地说明了关于光谱在磁场中分裂的正常塞曼效应;此外,洛伦兹还根据电子论导出了关于运动介质中的光速公式,把麦克斯韦理论向前推进了一步.
在法拉第、麦克斯韦和洛伦兹的理论体系中,假定了有一种特殊媒质“以太”存在,它是电磁波的荷载者,只有在以太参照系中,真空中光速才严格与方向无关并等于c, 麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式也只在以太参照系中才严格成立.这意味着电磁规律不符合相对性原理.关于这方面问题的进一步研究,导致了A.爱因斯坦在1905年建立了狭义相对论,它改变了原来的观点,认定狭义相对论是物理学的一个基本原理,它否定了以太参照系的存在并修改了惯性参照系之间的时空变换关系,使得麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式有可能在所有惯性参照系中都成立.狭义相对论的建立不仅发展了电磁理论,并且对以后理论物理的发展具有巨大的作用.
赫兹在柏林学习期间,曾经在赫姆霍兹和基尔霍夫的指导下学习.
赫兹在柏林大学随赫尔姆霍兹学物理时,受赫尔姆霍兹之鼓励研究麦克斯韦电磁理论,当时德国物理界深信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论.因此赫兹就决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论谁的正确.依照麦克斯韦理论,电扰动能辐射电磁波.赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理,设计了一套电磁波发生器,赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上.当感应线圈的电流突然中断时,其感应高电压使电火花隙之间产生火花.瞬间后,电荷便经由电火花隙在锌板间振荡,频率高达数百万周.由麦克斯韦理论,此火花应产生电磁波,于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波.他将一小段导线弯成圆形,线的两端点间留有小电火花隙.因电磁波应在此小线圈上产生感应电压,而使电火花隙产生火花.所以他坐在一暗室内,检波器距振荡器10米远,结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生.赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电磁波的锌板,入射波与反射波重叠应产生驻波,他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实.赫兹先求出振荡器的频率,又以检波器量得驻波的波长,二者乘积即电磁波的传播速度.正如麦克斯韦预测的一样.电磁波传播的速度等于光速.1888年,赫兹的实验成功了,而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩.赫兹在实验时曾指出,电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振.由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波,其电场平行于振荡器的导线,而磁场垂直于电场,且两者均垂直传播方向.1889年在一次著名的演说中,赫兹明确的指出,光是一种电磁现象.
1887,Heinrich Hertz (Germany). Accidentally discovered the photoelectric effect
在验证电磁波的试验中,赫兹进行了更深入的研究.他发现,如果将最小接收端暴露在火花中的紫外线照射下,火花会更明亮.这个结论是花了很长时间才找出的 – 他首先检查了各种不同的电磁效应,只找到了一片玻璃可以有效地罩住火花.之后又发现一片石英不能罩住火花,之后用一块石英三棱镜将前端的大火花分解成不同成分,发现使小火花更加旺盛的波长在不可见光区,在紫外线之外.赫兹写到,当我确信地知道我所处理是紫外光的效应时,我就把这个研究放在一旁而把注意力再一次放到了主要问题上(电磁波).
Hertz then embarked on a very thorough investigation. He found that the small receiver spark was more vigorous if it was exposed to ultraviolet light from the transmitter spark. It took a long time to figure this out - he first checked for some kind of electromagnetic effect, but found a sheet of glass effectively shielded the spark. He then found a slab of quartz did not shield the spark, whereupon he used a quartz prism to break up the light from the big spark into its components, and discovered that the wavelength which made the little spark more powerful was beyond the visible, in the ultraviolet.
1888年,另一位德国物理学家Hallwachs写到,赫兹在最近出版的论文中描写了被另外一个感应火花引起的感应火花的长度的独立性,他证明了这种现象是紫外光的作用.由于这个现象出现的研究情况的复杂性而没有找到更多的其他光能产生这样的现象.我曾经努力地在更简单的条件下获得相关的现象,使得这个现象的解释更加容易一些.
Hallwachs描述了他的简单实验:将一个干净的圆盘zinc板安装在一个绝缘的架子上并用一根导线与金质叶片的验电计相连,使验电计带负电.验电计失去电荷的速度是很慢的.然而,如果zinc板暴露在弧光灯或燃烧的镁产生的紫外光时,验电计上的电荷失去速度会非常快;如果zinc板冲了正电,则验电计没有那么快的失去电荷.据说Hallwachs是赫兹做电磁波验证试验的助手.
紫外线入射于火花间隙会帮助产生火花,这个发现立刻引起了物理学者们的好奇心,包括Hallwachs,Hoor,Righi, Stoletow等等进行了一系列关于光波对于带电物体所产生效应的研究调查,特别是紫外线.这些研究调查证实,刚刚清洁干净的锌金属表面,假如带有负电荷,不论数量有多少,当被紫外线照射时,会快速地失去这些负电荷;假若电中性的锌金属被紫外线照射,则会很快地变为带有正电荷,negative electrification[n.充电, 电气化]会逃逸到金属周围的气体中,假若吹拂强风于金属,则可以大幅度增加带有的正电荷数量.
德国物理学家埃尔斯特和盖特尔是同学,毕业后在同一所学校教书.1889年他们共同发表了一系列关于光电方面的论文.论文中说到,有些金属(potassium, sodium, zinc, aluminum)与水银形成合金后会变得对可见光和紫外光十分敏感,具有光电效应.而其他金属,比如锡、铜和铁却始终没有类似的效应.他们将各种金属依光电效应放电能力从大到小顺序排列:铷、钾、钠钾合金、钠、锂、镁、铊、锌.对于铜、铂、铅、铁、镉、碳、汞,普通光波造成的光电效应很小,无法测量到任何效应.上述金属排列顺序与亚历山德罗•伏特的电化学排列相同,越具正电性的金属给出的光电效应越大.在空气中、大气压环境下,被绝缘的锌板在光照时会获得2.5v电压.1890年,他们描述了一种现代光电池的先驱.一个玻璃球内含有碱金属或碱金属的合金或水银合金,并且用抽气泵将里面抽空并封口,其中还有一个金属电极用来收集从碱金属飞出的带负电的carriers,因此当这个电极从外部附加的电池提供正电压时,如果用可见光照射,则会有电流.1892年,他们在第一个光电的光度计中使用一个光电设备device作为敏感元件,用来测量来自太阳的紫外线辐射.同一年,他们制作了第一个气体填充的光电池,里面有一个碱性金属、充有0.33mm压力的氢气,这个压力正好可以给出最大的导电率.他们还证实了这样的光电池中的光电流强度与光强度成正比.1894年,他们观察到,特定的金属表面,特别是钠-钾合金的表面在极化光从某倾斜的入射角照射时,光电流会随着极化光的极化平面的旋转而变化.这两位科学家在基础自然科学上做出的这些成就直到很多年后才被understood.
1888年,俄国物理学家Aleksandr Stoletov将注意力转向赫兹发现的光电效应,在1888年2月到1891年之间,他对光电效应做了详细的分析.首先,他设计了一种非常适合于对光电效应做定量分析的仪器.使用这个仪器,他发现了光强度intensity of light与光电流之间有直接的正比关系,得出光电效应的第一个定律stoletov’s law. 另外,史托勒托夫和里吉还共同研究了光电流与气压之间的关系,他们发现气压越低,光电流越大,直到最优气压为止;低于这最优气压,则气压越低,光电流越小.这个特性被用来制造太阳能电池.
1899年汤姆生研究了克里斯特管中的紫外光.
在继续介绍之前,我们来看一看阴极射线管以及放射性的发现.