王鵬 西南民族大學計算機科學與工程學院

電磁學是對我們現(xiàn)代生活影響最為直接的一門科學，電磁學是一門起源很早的古老的科學，電磁學的發(fā)展從古希臘開始至今，持續(xù)了兩千多年。無數(shù)的科學家為電磁學的發(fā)展做出了自己的貢獻，因此這些科學家也經(jīng)常出現(xiàn)在各個國家的鈔票上，這使我們在享受現(xiàn)代便捷的生活時，不會忘記他們?yōu)槿祟惪茖W進步所付出的努力。

01漫長的靜電時代

在持續(xù)的電流出現(xiàn)之前人類經(jīng)歷了漫長的靜電時代，古希臘的第一位哲學家和科學家泰勒斯（Thales， 公元前625-547 ）就發(fā)現(xiàn)用絲綢摩擦琥珀后可以像磁石一樣吸引輕小的物體，這其實就是靜電現(xiàn)象，泰勒斯也因此成為了第一位完成靜電實驗的科學家。

由于靜電是在摩擦后的琥珀上發(fā)現(xiàn)的，所以英語中的電這個詞的詞根Electron原意是“琥珀”，它起源于希臘語中的“琥珀”（ελεκτρον）。 而在中國最早記錄靜電現(xiàn)象的是在公元三世紀晉朝的張華（232-300）。

他在《博物志》中記載：“今人梳頭，解著衣，有隨梳解結，有光者，亦有吒聲?！睆埲A在這描述的就是人在梳頭、脫衣服時出現(xiàn)的靜電現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在干燥季節(jié)大家可能都遇到過。

在隨后的二千多年漫長的時間里人類對于電的認識都停留在靜電領域。在當今最大面額的國際通用貨幣100美元鈔票上就印著一位在靜電領域做出過重大貢獻的科學家富蘭克林（Franklin， 1706-1790）（如圖1）。

富蘭克林曾經(jīng)參與了美國《獨立宣言》起草，他最被廣為傳頌的故事是1752年冒著生命危險在雷雨天將帶有導線的風箏放上天，證明了閃電是一種電現(xiàn)象。富蘭克林還發(fā)現(xiàn)了電荷守恒定律，即在任何孤立系統(tǒng)里，總電量不變。

1785年，庫侖用實驗證明了庫侖定律，即：兩個帶電物體施加于彼此之間的作用力與距離成平方反比。庫侖定律使得靜電學成為了一門精確的物理學，靜電的吸附能力得到了完美的數(shù)學描述。

圖1 2009年美國發(fā)行的100美元鈔票上的富蘭克林

為靜電時代做出貢獻的科學家中高斯可能是最為知名的一位，由于高斯在廣泛的科學領域都做出了巨大貢獻，以至于人們幾乎忘記了高斯在電磁學中的貢獻。高斯提出了高斯定理，高斯定理也叫電通量定理，高斯定理認為一個閉曲面的電通量，與其內(nèi)部包含的電荷量有關。

1989年德國開始發(fā)行的10馬克鈔票正面采用的就是高斯的肖像、正態(tài)分布曲線以及高斯長期生活的德國哥廷根的多座歷史建筑構成，這張鈔票高斯的肖像雕刻精美，有1989年、1991年、1993年和1999年四個不同發(fā)行版本，非常值得收藏。

圖2 1989年德國發(fā)行的10馬克鈔票正面

02 持續(xù)電流的產(chǎn)生

從靜電到獲得持續(xù)的電流人類等待了二千多年，直到意大利物理學家亞力山大·伏打（Volta， 1745-1827）出現(xiàn)。1800年伏打?qū)~片和鋅片浸于食鹽水中相互堆疊，并接上導線，制成了第一個電池：伏打電堆。

伏打電堆可以提供穩(wěn)定持續(xù)的電流，是電磁學和電化學的研究基礎。伏打電池基本原理直到現(xiàn)在還在被使用，而且隨著電動汽車的推廣電池技術成為了一項十分重要的戰(zhàn)略性技術。

1984年意大利發(fā)行的10000里拉的正面就采用了伏打的肖像（如圖3），肖像的左側就是伏打電堆的圖片（如圖4）。這張鈔票背面的建筑就是位于科莫湖邊的伏打紀念堂（如圖5），這是1927年為了紀念伏打逝世100周年而建立的，紀念堂下方上圓、莊嚴肅穆，紀念堂正門上方刻著伏打的名字，里面陳列著伏打使用過的一些物品，包括他發(fā)明的電池。

圖3 1984年意大利發(fā)行的10000里拉正面

圖4 意大利10000里拉上的伏打電堆

圖5 1984年意大利發(fā)行的10000里拉背面

伏打在電磁學發(fā)展過程中的貢獻是具有里程碑意義的，他使電磁學的研究從靜電走向了動電。伏打電池的出現(xiàn)為奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應和法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應提供了基礎，十九世紀大量新元素的發(fā)現(xiàn)也得益于電池的出現(xiàn)，伏打的成果使電磁學的發(fā)展進入了快車道。

03電磁學的誕生

很長時間里，人們認為電和磁是沒有關系的。伏打的成果使人類脫離了靜電的約束，并推動物理學進入電磁學時代。1820年，丹麥科學家奧斯特偶然發(fā)現(xiàn)通電的導線能使旁邊的磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而其偏轉(zhuǎn)方向垂直于電流方向。1970年丹麥發(fā)行的100克朗鈔票（如圖6）上就將奧斯特的磁針偏轉(zhuǎn)實驗印在了上面（如圖7）。這張電流磁效應的實驗示意圖上甚至標注了直流電源的正負極和一個指針正在偏轉(zhuǎn)的帶有精美刻度的羅盤。

圖6 1970年丹麥發(fā)行的100克朗鈔票

圖7 100克朗鈔票上的磁針實驗圖

奧斯特的電流磁效應實驗使電和磁之間從此緊密的聯(lián)系在了一起，電學和磁學從此逐步發(fā)展成為了一門統(tǒng)一的學科—電磁學。奧斯特的電流磁效應實驗可以認為是電磁學誕生的標志。

04交流電的誕生

奧斯特證明了電流能產(chǎn)生磁場，他是康德哲學觀點的擁護者，康德認為電和磁等自然界中不同的力是可以相互轉(zhuǎn)換的。這一結論在1831年被英國物理學家法拉第所發(fā)現(xiàn)的電磁感應所證實。法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應定理可以簡單描述為：變化的磁場能產(chǎn)生電場。

這意味著磁可以逆向生電，由此產(chǎn)生的電流就稱為感生電流，只要閉合電路中的磁通量發(fā)生變化，電路中就會有感生電流出現(xiàn)。法拉第的發(fā)現(xiàn)對推動人類進入電器時代具有重大意義。法拉第出身貧寒，品德高尚，在英國人民心中具有崇高的地位，因此1991年英格蘭銀行發(fā)行的20英鎊鈔票就采用了法拉第的肖像（如圖8）。

圖8 1991年英格蘭銀行發(fā)行的20英鎊鈔票

這張20英鎊背面右側為法拉第的肖像，左側為法拉第在他創(chuàng)立的圣誕科普演講上做科普報告的場景（如圖9），法拉第創(chuàng)立的圣誕科普演講一直延續(xù)到了現(xiàn)在，因此他也被認為是現(xiàn)代公眾科普活動的先驅(qū)。

在講臺前放著的設備正是法拉第利用電磁感應原理發(fā)明的圓盤發(fā)電機，這種發(fā)電機利用圓盤轉(zhuǎn)動切割馬蹄形磁鐵的磁力線，從而獲得持續(xù)的電流，這是一種直流發(fā)電機。講臺上也還放著法拉第發(fā)明的磁場的磁力線圖，因此這張鈔票上法拉第可能正在向觀眾講解電磁感應的知識。

圖9 法拉第在圣誕演講上做科普報告

法拉第利發(fā)明的圓盤發(fā)電機是一種較為簡陋發(fā)電機，由于交流電更適合長途輸送，我們現(xiàn)在廣泛使用的交流發(fā)電機則是由塞爾維亞發(fā)明家特斯拉（Tesla， 1856－1943）發(fā)明的。特斯拉是塞爾維亞人的驕傲，也是出現(xiàn)在鈔票上次數(shù)最多的科學家，先后出現(xiàn)在了十多種不同面額的鈔票上（如圖10），能集齊特斯拉鈔票也是非常有趣的，而且價格都不太高，適合入門。

圖10 鈔票上的特斯拉肖像

例如2013年塞爾維亞發(fā)行的100第納爾（如圖11）正面肖像就是特斯拉。鈔票的背面（如圖12）也有一張?zhí)厮估淖?，由于特斯拉被認為是交流發(fā)電機之父，在這張鈔票背面正中是特斯拉發(fā)明的電磁感應交流發(fā)電機的草圖。

這種發(fā)電機以中心磁鐵作為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變化的磁場，從而在定子線圈中產(chǎn)生感生電流（如圖13）。鈔票的對印防偽也采用了發(fā)電機線圈的圖案（如圖14）。在這張鈔票上處處都在展示特斯拉在電磁學領域所做出的貢獻，甚至將磁通量密度的公式赫然印在了鈔票正面的中間，而磁通量密度的單位正是以特斯拉名字來命名的。

圖11 2013年塞爾維亞發(fā)行的100第納爾鈔票正面

圖12 2013年塞爾維亞發(fā)行的100第納爾鈔票背面

圖13 特斯拉發(fā)明的電磁感應交流發(fā)電機

從南斯拉夫社會主義聯(lián)邦共和國到南斯拉夫聯(lián)盟共和國再到塞爾維亞發(fā)行的鈔票上，特斯拉都是被選用最多的人物主題。1993年南聯(lián)盟發(fā)行的5000000第納爾鈔票其正面是特斯拉老年時的肖像（如圖15），而背面圖案為特斯拉線圈放電時的情形和尼亞加拉水電站（如圖16）。

尼亞加拉水電站是由特斯拉設計的，1896年建成，是世界上第一座水力發(fā)電站。這座水電站生產(chǎn)的電通過交流輸電送到35公里之外的紐約州水牛城作為其主要供電來源。特斯拉在交流發(fā)電上的成就使人類社會加速進入到了電器化時代。

圖15 1993年南聯(lián)盟發(fā)行的5000000第納爾鈔票正面

圖16 1993年南聯(lián)盟發(fā)行的5000000第納爾鈔票背面

05電磁波與無線電通訊

英國物理學家麥克斯韋從數(shù)學上建立了完備的經(jīng)典電磁學的理論基礎，并預言了電磁波的存在。赫茲在1887年證明了這一預言，無線電通信時代就此開啟了。取得“無線電通訊之父”稱號的科學家是意大利人馬可尼（Marconi， 1874－1937），1901年馬可尼實現(xiàn)了跨大西洋無線電通信的創(chuàng)舉，馬可尼也因為自己在無線電通訊上的成就獲得了1909年的諾貝爾獎。

意大利在1990年發(fā)行的2000里拉上采用了馬可尼作為人物主題（如圖17）。這張鈔票的背面圖案包括無線電發(fā)射塔、無線電報收發(fā)機、以及一艘名為“Elettra”的游艇，在這艘游艇上，馬可尼曾進行過多次無線電通信實驗。（如圖18）。整個背面的底紋采用了象征電磁波的條紋作為防偽線條。

圖17 1990年意大利發(fā)行的2000里拉正面

圖18 1990年意大利發(fā)行的2000里拉背面

06結語

電磁學的發(fā)展前后經(jīng)歷了二千多年，而其高速發(fā)展只是近三百余年的時間，伏打使電磁學擺脫了靜電的約束后，電磁學進入了近代電磁學階段。電磁學、量子力學和相對論構成了現(xiàn)代物理學的三大理論支柱，塑造了我們當今現(xiàn)代化的生活，其中電磁學是這三大理論支柱中最為古老的學科。

我們需要感謝那些為此做出了貢獻的科學家，這些科學家被作為不同國家鈔票的主題，正是在向他們致以最崇高的敬意，表達這些國家和人民對待科學的態(tài)度。我們現(xiàn)在已置身于無處不在的電磁波中，隨著這些精美鈔票的流通，他們的精神也會變的無處不在。

編輯：jq