【Sonic π】電聲學導引《六》

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電流的單位是『安培

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電容的單位是『法拉

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頻率的單位是『赫茲

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馬克士威方程式
牛頓後的物理學第二次統一

古代人從『天然磁石』中認識了『磁性』,發現了那是會吸引鐵的『石頭』。希臘文中『磁鐵』的意思就是『來自馬格尼西亞 Magnesia 的石頭』;中國有關天然磁石吸引鐵以及製備磁鐵的描述文獻,可見之於《管子》、《呂氏春秋》、和《淮南子》,稱之為『慈石。約在西元前十二至十三世紀,中國、歐洲和其它地區的人已經用磁鐵做成的『指南針』來導航。然而『學術性』論述的發展,最早是一二六九年法國學者皮埃‧德馬立克 Pierre de Maricourt 所寫的《磁石書信》,他仔細標明了『鐵針』在塊狀磁石附近多個位置的『定向』,並用這些『定向記號』描繪出很多條『磁力線』,於是發現了這些『磁力線』聚會於磁石的『兩端』,就好比地球的經線交會於『南極』與『北極』。因此,他將這兩個特殊位置稱之為『磁極』。三百年後,威廉‧吉爾伯特主張『地球』本身就是一個大磁石,地球的磁極分別位於南極與北極。他的巨著《論磁石》開創了『磁學』這一門『科學』領域。

一八二零年是『磁學』發展的『黃金年』,吹響了現代『電磁理論』的號角。七月,丹麥物理學家漢斯‧奧斯特 Hans Ørsted 發現『載流導線的電流會施加作用力於磁針,使磁針偏轉指向。』;據聞在這條新聞抵達法國科學院僅僅一周後,法國化學家安德烈‧瑪麗‧安培 André-Marie Ampère 成功的實驗演示︰假使兩條平行導線所載的電流的『方向相同』,則會『互相吸引』;如果電流的『方向相反』,就會『彼此排斥』。 十月,法國物理學家讓‧巴蒂斯特‧必歐 Jean-Baptiste Biot 與法國物理學家菲利克斯‧沙伐 Félix Savart 共同發表了『靜磁學』的『磁場』方程式,現今叫做『必歐‧沙伐定律

B = \frac{\mu_0}{4\pi} \int_C \frac { l_s \  dl_c \times \hat r} {r^2}

,此處 dl_c 是『載流導線C 上的微小『線元素』,l_s 是那個線元素所載的『電流』量,而 \mu_0 是『磁常數』。

一八二四年法國數學家西莫恩‧德尼‧帕松 Siméon Denis Poisson 發展了一種類似『靜電學』電荷概念的『磁荷』理論來描述『磁場』。這個『物理模型』以『同類磁荷互相排斥,異類磁荷彼此吸引』,說明『磁性』是如何由『磁荷』產生的。雖然這個理論能夠解釋許多『磁場現象』,可是並無法說明『電磁感應』的現象,同時『分割磁鐵』最終也得不到『磁北極』、『磁南極』這樣的『磁單極』,縱使過往以來有一些物理學家持續『努力尋找』,至今依舊是『毫無跡象』的哇!其後一八二五年安培又發表了『安培定律』,說明『載流導線』所載的電流,與所引發的『磁通量』沿著圍繞導線的『閉合路徑』的關係為

\oint_\mathbb{C} \mathbf{B} \cdot d\boldsymbol{\ell} =\mu_0 I_{enc}

此處,\mathbb{C} 是圍繞導線的『閉合路徑』,\mathbf{B} 是『磁通量感應』強度,d \boldsymbol{\ell} 是此路徑上的微小『線元素』向量,\mu_0 是『磁常數』,I_{enc} 是『閉合迴徑\mathbb{C} 中所圈住的『電流量』。

一八三一年,英國物理學家麥可‧法拉第 Michael Faraday 實驗證實『隨著時間而變化的磁場會生成電場』,這使得『』與『』的關係更加密切。從一八六一年蘇格蘭數學物理學家詹姆斯‧克拉克‧馬克士威 James Clerk Maxwell 將『電學』與『磁學』的各種雜亂表述『方程式』加以整合,發表於在《論物理力線》On Physical Lines of Force 一文中,這方程組能夠解釋古典電學和磁學的各種現象。一八六五年,馬克士威在《電磁場的動力理論》A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field 論文中,成功的擴充了『安培定律』,並以『分子渦流模型』提出『位移電流』的存在原由。現今稱之為『馬克士威修正項目』。其後他更推導出『電磁波方程式』,並且斷言『』是一種『電磁波』!!終於一八八七年德國物理學家海因里希‧赫茲 Heinrich Hertz 做實驗證明了這個『電磁波』的事實。馬克士威方程式統一了『電學』、『磁學』與『光學』理論,成為今天所說的『經典電磁學』!!

如果以『總電荷』和『總電流』為源頭的表述為︰
\nabla \cdot \mathbf{B} = 0
\nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho}{\epsilon_0}
\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0\mathbf{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t}
\nabla \times \mathbf{E} = - \frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}

假使用『自由電荷』和『自由電流』作考慮的表述是︰
\nabla \cdot \mathbf{B} = 0
\nabla \cdot \mathbf{D} = \rho_\mathrm{f}
\nabla \times \mathbf{H} = \mathbf{J}_\mathrm{f} + \frac{\partial \mathbf{D}} {\partial t}
\nabla \times \mathbf{E} = - \frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}

一九零五年,愛因斯坦的『狹義相對論』解釋了︰『電場』和『磁場』是處於不同『參考座標系』的『觀察者』所觀察到之同樣的『物理現象』!!

在奧斯特發現電流經過導線時,導線旁邊的磁針會發生轉動後,同年九月十六日,德國化學家 Johann Salomo Christoph Schweigger哈雷‧維騰貝格馬丁路德大學 Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg 發明了電流『檢流計』,為了紀念『路易吉‧伽伐尼  』又稱作『Galvanometer』,今天也叫做『安培計』或『電流表』。

在此之後,科學家就有了『電流』的『測量裝置』,大概不再需要『以身驗電』的作實驗了吧!!

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