自泰勒斯記錄摩擦起電和磁石吸鐵之后的2000多年,，人們對(duì)電和磁的理解一直止步于對(duì)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和利用,。19世紀(jì)初，依然有許多人認(rèn)為,，電是電,，磁是磁，電沒法搞出指南針,，磁也沒法生成閃電,。富蘭克林認(rèn)為電和磁石的南北極相吸一樣，存在異種電荷相吸引,。

                         圖1：奧斯特和他的實(shí)驗(yàn)

漢斯·奧斯特是哥本哈根大學(xué)的一位普通物理系老師,，在上一次物理實(shí)驗(yàn)課時(shí)，不經(jīng)意將一個(gè)小磁針放在了電路旁邊,，又是不經(jīng)意看到在開關(guān)電的一瞬間,，小磁針會(huì)擺動(dòng)。原來通電斷電可以隔空操控磁針,。之后他在實(shí)驗(yàn)室里玩了三個(gè)月的電路和小磁針,，宣布發(fā)現(xiàn)了電和磁的魔法奧妙：運(yùn)動(dòng)的電荷可以讓靜止的磁針動(dòng)起來（圖1）。1820年7月21日,，一篇題為《論磁針的電流撞擊實(shí)驗(yàn)》的短論文發(fā)表,，奧斯特一舉成名。當(dāng)時(shí),，許多物理學(xué)家都在研究靜電和靜磁之間的聯(lián)系,，但靜電和磁針之間總是冷淡，啥作用都不發(fā)生,，也無法相互轉(zhuǎn)換,。奧斯特的發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵在于突破思維框架，在運(yùn)動(dòng)的電荷里尋找到了電和磁的相互作用,。

圖2：安培右手螺旋定則 

奧斯特的實(shí)驗(yàn)報(bào)告猶如投河石子激起了層層漣漪,。1822年,，幾位法國科學(xué)家相繼做出重要貢獻(xiàn)：阿拉果和蓋·呂薩克發(fā)現(xiàn)繞成螺線管的電線可以讓鐵塊磁化；安培發(fā)現(xiàn)電流之間也存在相互作用,；畢奧·薩伐爾發(fā)明了直線電流元理論解釋,。

安培是一個(gè)癡迷于物理研究的科學(xué)家，當(dāng)他得知奧斯特的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之后,，第一時(shí)間重復(fù)了奧斯特的所有實(shí)驗(yàn),，并把結(jié)果總結(jié)成一個(gè)非常簡單的規(guī)律—右手螺旋定則（圖2）。安培把電線繞成螺線管,，直接用電流做成了一個(gè)“磁鐵”,，根據(jù)右手定則，可以輕松判定電流磁鐵的磁極方向,。安培利用螺線管原理發(fā)明了第一個(gè)度量電流大小的電流計(jì),，成為電學(xué)研究的重要法寶之一（圖3）。

圖3：安培實(shí)驗(yàn)用的螺線管和電流計(jì)

既然通電導(dǎo)線有磁作用力出現(xiàn),，那么兩根通電導(dǎo)線之間也應(yīng)該存在類似的吸引或排斥作用,。安培研究了電流之間的相互作用規(guī)律，想象磁鐵里面也有一群小電精靈,，就像一個(gè)個(gè)電流小圈圈,，形成了一大堆小電流磁針，并且指向一致,，集體的力量最終形成了大的磁作用力,。安培給小電精靈取了個(gè)形象的名字，叫做分子電流,。雖然分子電流被后來的實(shí)驗(yàn)證明并不存在,，但其概念雛形為解釋固體材料里面的磁性起到了拋磚引玉的效果。為紀(jì)念安培的貢獻(xiàn),，后人將電流單位命名為安培（簡寫為A）,。

電可生磁，那磁可以生電嗎,？答案是肯定的,。用實(shí)驗(yàn)事實(shí)第一個(gè)回答這個(gè)問題是英國的僅有小學(xué)二年級(jí)文憑的邁克爾·法拉第。他利用在書店打工的機(jī)會(huì),，以僅有小學(xué)二年級(jí)水平博覽群書,，特別是《大英百科全書》。法拉第從19歲開始頻繁出現(xiàn)在倫敦市各種科學(xué)講座現(xiàn)場(chǎng),。一位叫做戴維的大科學(xué)家用淵博的知識(shí)征服了法拉第,，很快他成為戴維爵士的鐵桿粉絲。戴維被這位渴望科學(xué)知識(shí)的窮孩子粉絲所感動(dòng),，在急需一名助手的時(shí)候,，法拉第從一個(gè)倫敦街頭打工仔,，變成了皇家研究所的科研助理。對(duì)其他人來講,，科研助理無非是換個(gè)地方打工混飯吃,。然而對(duì)于法拉第來說，接觸到真正的科學(xué)就等于插上了飛翔的翅膀,。他毫不介意以仆人的身份陪戴維老師出訪，也從不抱怨老師給的各種化學(xué)研究任務(wù),。他在出色地完成科研助理工作的同時(shí),，努力繼續(xù)著電學(xué)和磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)。19世紀(jì)初的電磁學(xué)研究領(lǐng)域大都是些不愁吃穿的富家子弟,，法拉第在緊衣縮食的情況下,，以一個(gè)寒門子弟的身份用大量的物理實(shí)驗(yàn)證實(shí)：磁可生電。

圖4：法拉第與電磁感應(yīng)現(xiàn)象

磁生電的關(guān)鍵是“動(dòng)起來”,。既然運(yùn)動(dòng)的電荷能產(chǎn)生磁作用力,，那么運(yùn)動(dòng)的磁鐵也應(yīng)該產(chǎn)生電流。法拉第用磁鐵穿過安培發(fā)明的金屬螺線管,，發(fā)現(xiàn)磁鐵在進(jìn)入和離開線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流,，也發(fā)現(xiàn)在兩塊磁鐵間運(yùn)動(dòng)的金屬棒會(huì)產(chǎn)生電壓（圖4）。法拉第把磁產(chǎn)生電的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng),。后來,，美國的亨利研究了感應(yīng)電流的大小與磁強(qiáng)度之間的關(guān)系；俄國的楞次總結(jié)出了電磁感應(yīng)的楞次定律：感應(yīng)電流的方向與金屬棒和磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相關(guān),。為了形象地理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象,，法拉第提出了“磁場(chǎng)”概念。他認(rèn)為磁鐵周圍存在一個(gè)看不見摸不著的“力場(chǎng)”,，就像一根根的磁力線,，從磁北極出發(fā)跑到磁南極結(jié)束。讓金屬棒做切割磁力線的運(yùn)動(dòng),，就會(huì)產(chǎn)生電壓或電流,，電流方向由磁力線與金屬的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向決定。為了證實(shí)磁場(chǎng)的存在,，法拉第在各種形狀的小磁鐵周圍撒上了細(xì)細(xì)的鐵屑,，清楚看到了鐵屑的密度分布（圖5）。力場(chǎng)的概念至今仍然是物理學(xué)的最重要理論基礎(chǔ),。法拉第的實(shí)驗(yàn)記錄里幾乎找不到一個(gè)數(shù)學(xué)公式,，都是一張張精美的手繪實(shí)驗(yàn)圖表，讓人一目了然,。,。

圖5：法拉第手繪的磁力線圖

然而,，究竟是先有磁還是先有電，是一個(gè)如同“雞蛋”的問題,。很多人認(rèn)為雞是雞恐龍進(jìn)化而來,，當(dāng)然是先有蛋再有雞。最近,，英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有一種蛋白質(zhì)只能在雞的卵巢里產(chǎn)生,，看來還是先有雞比較靠譜。于是就有個(gè)“原雞”了,，下了蛋叫做“雞蛋”,。那么，有無所謂的“原磁”或“原電”呢,？

終于,，無論是電生磁，還是磁生電,，都可以用麥克斯韋方程組來解釋,。這些看不見摸不著的“超距作用”原來就是電場(chǎng)或磁場(chǎng)在作祟。然而事情沒有那么簡單,，麥克斯韋發(fā)現(xiàn),，這個(gè)方程組可以預(yù)言一種既有電場(chǎng)又有磁場(chǎng)的東西，而且傳播速度是光速,！接下來,，他在《電磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué)》里用數(shù)學(xué)方法論證了這種“電磁波”（時(shí)稱“位移電流”）的存在。究竟是先有電還是先有磁的問題,，在麥克斯韋方程組里不攻自破,，既然倆娃都不分彼此了，那就甭管誰先誰后的問題了,。

1873年,，麥克斯韋完成《電磁學(xué)通論》一書，宣告電和磁相互作用被統(tǒng)一描述,，成為繼牛頓力學(xué)之后的第二個(gè)集大成者,。16歲的德國科學(xué)家赫茲決心找到麥克斯韋預(yù)言的電磁波。15年后,，實(shí)驗(yàn)終于得到成功,，電磁波被證實(shí)存在。

盡管電和磁都統(tǒng)一了,，但是電畢竟是電,，磁畢竟是磁，兩者細(xì)究起來還是有區(qū)別,。電有正電荷和負(fù)電荷的存在,，而磁為什么沒有南磁荷和北磁荷,？一塊條形磁鐵無論你怎么切，每一塊都是有南北極同時(shí)存在,。如果從麥克斯韋方程組看,，電場(chǎng)是有源的，而磁場(chǎng)卻是無源的,。

1879年,，麥克斯韋去世。同年愛因斯坦出生,。麥克斯韋方程里提到的物理模型—“以太”,，最終在19世紀(jì)末引發(fā)了物理學(xué)的一場(chǎng)革命。之后相對(duì)論和量子力學(xué)誕生,，電磁學(xué)的研究進(jìn)入到了一個(gè)嶄新的時(shí)代。英國保羅·狄拉克建立了一個(gè)相對(duì)論形式的量子力學(xué)波動(dòng)方程（狄拉克方程）,。在這個(gè)方程里面,，不僅存在帶負(fù)電的電子（負(fù)電子），也存在帶正電的電子（正電子）,，還預(yù)言了有南極或北極的磁單極子,。關(guān)于磁單極子的尋找，至今仍然是一個(gè)謎,。近幾年在一種叫做自旋冰的固體材料里面發(fā)現(xiàn)了類似磁單極子的準(zhǔn)粒子,，但嚴(yán)格來說它并非是我們理解的單粒子，只是可以用磁單極子的理論來描述,。

現(xiàn)在人們逐漸了解到,，電磁現(xiàn)象實(shí)際上都來自于材料內(nèi)部微觀電子的排布方式和相互作用模式，而電磁相互作用力屬于自然界四大基本相互作用力之一,。