电磁学与通讯技术的发展

早期的电磁学

如果说力学和光学是17世纪物理学取得最大进展的两个科目，那么静电学则是18世纪物理学取得引人注目的发展的科目。从研究摩擦起电开始的静电学起初进行得很缓慢，因为它依赖于那些没有任何理论指导的偶然观察。每一门精密科学都要经历这样的最初阶段，而电学是物理学各分支学科中最后一个脱离这个阶段的。直到进入18世纪很久以后，电学才进入以在假说性概念指导下的系统实验为表征的第二阶段。这一阶段特别突出的是库仑的工作。后来使静电学终于成为一门精密科学的数学演绎正是建立在他的实验研究之上。

1. 摩擦电

1675年皮卡尔发现在黑暗中摇动一个气压计的水银柱，就可以在托里拆里真空中观察到一种独特的磷光。这一奇特现象引来不少猜测。最后英国皇家学会会员弗朗西斯·豪克斯贝作出了正确的解释，他用实验证明，这种现象起因于水银摩擦玻璃管壁而生成电。1729年，斯蒂芬·格雷在实验中发现经摩擦产生的电能够传递，在他的实验中电被传送了765英尺远。

让·泰奥菲尔·德扎古利埃在继续格雷而做的一些实验中，把能够让电透过的物质称为导体，而把不具备这种性质的，在实验中用来支撑导体的物质称为电本体或载体。电物质和非电物质相区别的真正本性大约同时为其他几位研究者认识到。

2.电的产生和储存

利用摩擦起电的原理，人们自然想到制造专门的机器来获得电荷。真正意义上的起电机是从1743年莱比锡的豪森开始的。他在那年出版的《电学史上新进展》中描述了这样一种起电机。接着人们造出了各式各样的起电机，绝大多数富有的业余爱好者都拥有一台起电机。摩擦电的其余现象如电火花的引燃作用等也相继被发现。

莱顿瓶

在实验过程中，人们发现一些液体如水也能起电，同时人们希望把产生的电荷保存起来。这两者的结合促成了现在称为莱顿瓶的装置的发明。1745年，莱顿大学制造出一个金属衬里的玻璃瓶，从瓶口的软木塞插入一根金属棒，它能贮存由起电机产生的大量静电。只要瓶内储存的电足够多，当人手靠近金属棒时会感受到电击。如果将瓶靠近金属,会产生电火花，并伴随着清脆的爆裂声。

3.电的本质

在积累了大量的电现象的新发现之后，人们开始探究电现象的原因。起先人们认为物体带电是因为一种叫电索的物质与之相结合的缘故。但是如果电素是一种物质，那么物体起电后的重量应当有所增加，但是一切想证明这一点的尝试都没有成功。同样的问题也出现在热、光、磁等物理现象中。人们把这些物质说成是没有质量的实体，这在逻辑上难以成立，但是在18世纪却提供了唯一可能的解释。事实上，无质物体的概念直到20世纪初才在物理学的所有分支领域中被推翻。在解释电的本质问题上，一个杰出的人物是富兰克林。这似乎也是新大陆上第一位加入到欧洲科学行列的科学家。

富兰克林

富兰克林1706年1月17日出生于波士顿，在17个孩子中排行15，家境并不富裕。他只受过两年正规教育。他当过印刷工人、作家、政治家、外交家和科学家，并被奉为美国的立国之父之一。1743年他创立了美国第一个科学学会——美国哲学学会。他的科学创造才能表现在许多发明上，像改进火炉和双焦眼镜等，但他的最大成就是在电学方面。

当时很多科学家都用莱顿瓶做实验，富兰克林是其中之一。他注意到电火花和爆裂声，联想到这可能是一种微型的闪电和雷鸣。从另一个角度看，地球可能就是一个巨大的莱顿瓶，雷鸣闪电可能就是天空和这个巨大莱顿瓶之间的相互作用。为了验证这种想法，他在1752年的一个雷雨天气里放出一只风筝，风筝上有一根带尖头的金属线，它连着一根丝线。要是空中有电，就会使丝线带电。风云积聚，电闪雷鸣。富兰克林把手靠近栓在丝线上的金属钥匙，金属钥匙像莱顿瓶一样放出火花。富兰克林接着用这个钥匙给莱顿瓶充了电。风筝实验给科学界造成很大震动，富兰克林也因此被选为英国皇家学会会员。

风筝引电

这里需要说明的是，这个实验高度危险。富兰克林是幸运到了极点，后来有两个试图重做这个实验的人都丧了命。认识闪电也是一种放电现象之后，富兰克林马上设计出了避雷针，并投入实用。1782年仅费城一地就有400根避雷针。

富兰克林对电现象提出这样的解释：他设想电中包含一种微妙的流体，无论这种流体多了还是少了，都会表现出电性来。两种含有多余流体的物体相互排斥，两种缺少这种流体的物体也相互排斥。多余的流入不足的，这两种电就中和了。富兰克林建议将有多余流体的情况称为带正电，流体不足的情况称为带负电。

不巧的是，富兰克林猜测的含有多余流体的情况恰恰是物体缺少了电子。甚至现在电工技师在设计电路时还假设电流从正极流向负极。但物理学家明白，电子实际上是从负极流到正极。在这里电流的流向当然只是个约定问题，只要大家遵守同一个约定就行了。

4.感应和热电

在富兰克林同时代从事电学实验的许多人当中，最突出的是两位欧洲大陆的物理学家——德籍瑞典人维尔克和其合作者埃皮努斯。维尔克发现，当两个物体摩擦时，总产生两种电。他把他研究过的物体材料排成一个系列，其中的物体与系列中的下一个物体摩擦时带正电，与上一个摩擦时带负电。这个系列是：玻璃、羊毛、木材、火漆、金属、硫。英国一位物理学家坎顿进一步注意到：一种给定物质在摩擦时产生的电荷可以是正的，也可以是负的，视其表面的性质以及所用的摩擦物的性质而定。他在同一根玻璃管的两端产生了相反的电荷。维尔克还发现了一种新的产生电的方法。他发现，硫和树脂在熔化后再放进一个绝缘陶瓷容器中让其凝固时，会强烈地带负电，这是可熔性非导体一个特有的性质。

坎顿

大约在1753年，坎顿研究了将一个带电体接近由两根亚麻线悬吊着并相互接触的一对软木球时的效应。他发现，在这种条件下两个球互相排斥，尽管没有电从带电体传给它们。当带电体撤走后，两球又重新并拢。坎顿还观察到，当将一个带电体靠近一个绝缘的中性导体时，后者能显现两种相对的电荷：靠近的一端带异性电，远离的一端带同性电。

维尔克和埃皮努斯更精确地重复了坎顿的实验。他们发现当被置于一个带电物体附近的一个中性物体短暂接地后，它就获得了与影响物体所带电荷相反的电荷。埃皮努斯解释说这是因为带电物体上过多的流体把流体从中性物体中排挤了出去的缘故。埃皮努斯还对导体和非导体提出了合理的见解，认为不可能在两者之间划出一条绝然分明的界限，差别仅在于不同物质对一个电荷通过所给予的相对电阻。导体的电阻很小，而非导体的电阻很大。这些思想后来成为法拉第剩余电荷理论的基础。埃皮努斯还发现当加热电气石晶体时，一端带正电，一端带负电。热电是摩擦起电之外另一种获得电荷的方式。

5.静电学

当把数学引入到电现象的研究中去时，一门新科学即静电学兴起了。在静电学的确立过程中，普利斯特列、卡文迪许和库仑作出了重要的贡献。

静电感应

普利斯特列用一架起电机做实验，在多次造访伦敦期间结识了富兰克林、坎顿等一流的电学家。受到他们的鼓励，他在不到一年的时间里写出了他的第一部科学著作《电学的历史与现状及原始实验》。该书使他在1766年当选为皇家学会会员。普利斯特列描述了许多放电现象，但最有意义的工作是他想用实验证明电的引力和斥力随距离的变化遵循平方反比定律。这在他还仅仅是尝试，细致的研究等待卡文迪许来完成。

卡文迪许

卡文迪许出生于贵族家庭，他天生腼腆，不愿与人打交道，说话口吃。他虽然在剑桥大学度过了四年，但没有取得学位，部分原因是害怕面对教授。他从不跟一个以上的男人说话，更从不跟女人说话，只用便条通知他的女佣人。这个怪癖的人只有一个爱好，就是做科学研究。他独自进行研究度过了将近60年。他出于一种纯粹的好奇而进行研究，不关心他的成果是否发表，是否能得到荣誉。因此，直到他死后若干年，他做的许多工作才被人们知道——1879年麦克斯韦审查了他的笔记并将他的成果发表出来。而此时，法拉第已经通过独立的研究重新发现了其中的绝大部分。

引力场实验

卡文迪许总共只发表了两篇电学论文，都投给了《哲学学报》。1771年发表的第一篇也是较重要的一篇题为《试以一种弹性流体解释若干基本电现象》，在文中他试图为静电学的数学理论奠定基础。他的基本假设同富兰克林等人的一样，认为电是一种流体，其微粒互相排斥，其力与距离的某小于立方的幂成反比。他用数学方法研究了带电导体中流体的分布、物质和流体的各种分布对微粒的作用力或相互之间的作用力以及电流体在两个相连通的带电导体间的运动，等等。他尽可能根据普通实验的结果来证实自己的理论结论。以下的结果都没有发表：他用亲身遭受电击的方法、根据电击的强度来判别不同物体的电阻，并指出一个导体的电阻与放电强度无关；还证明了一个导体上的电荷全部驻留在它的表面，由此推出了电斥力的平方反比定律。

库伦扭力天平

另一位法国军事工程师库仑用精密的扭秤独立地证实了电斥力和引力的平方反比定律。1777年库仑发明了一种扭力天平，这种天平用一根拉紧的细纤维所产生的扭转多少来度量力的大小。在实验中库仑将两个带电小球安放在不同的距离上，根据它们使扭力天平产生扭转的多少来度量引力或斥力。他用这种方法于1785年证明，电的引力或斥力与两个小球上的电荷的乘积成正比，与两个小球球心之间的距离成反比。这表明电力也遵循与牛顿所创立的引力论相似的法则。这一规律现在仍称做库仑定律，电量的单位也命名为库仑。

库仑定律

同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。真空中，两个点电荷之间的相互作用力沿着二者连线的方向，按照如下公式给出 其中， 是点电荷的距离， 是从施力电荷指向受力电荷的单位矢量， 是真空的电容率。

理解库伦定律矢量式的含义，当考虑电荷1对电荷2的作用时， 从1指向2，否则 就反向。无论电荷1和2的电性如何，只要规定正电荷用正数，负电荷用负数，库仑力的方向总能自动通过矢量式获得。

6.流电学

到现在为止，人们已经认识到了：摩擦能够起电；加热晶体能够起电；大气中也能收集到电。人们还发现一些海洋鱼类在攻击时也放电。在18世纪末，人们发现了第五种起电的方法即接触电。对此现象的充分研究和从理论上加以解释是19世纪物理学的最大成就。在此先介绍接触电的发现过程。

1750年前后，一个德国教授祖尔策首先注意到，在一定条件下，仅使两种金属接触，就能产生一种奇异的感觉。祖尔策有一次碰巧用他的舌尖放进两块不同的金属之间，它们的边缘是接触的，他注意到一种刺激性的感觉。后来人们把这种效应与电联系起来。

电击青蛙

对接触电的真正研究开始于意大利解剖学家伽伐尼的偶然观察。伽伐尼在1771年注意到，当切下来的青蛙腿——有人说这是准备做汤用的，拿到了实验室——若碰到电器发出火花，就会猛然抽动；或者当电器开动时，即使不直接接触火花，只用金属刀触一下，也是如此。这时富兰克林已经证明了闪电的本质也是电，那么雷雨时青蛙腿应该也会抽动。伽伐尼把青蛙腿挂在铜钩上放到屋外，靠在铁格子上。蛙腿在雷雨时当真抽动了，可是在没有雷雨时偶尔也会抽动。他猜想这是大气电状态的变化引起的，于是在一天的不同时间里观察这些蛙腿，但是其上肌肉难得有明显的运动。最后他等得不耐烦了，便把铜钩贴压在铁格子上，结果他立即看到了蛙腿的反复痉挛。同样的事情放在屋里做时，也发生同样的现象。他进一步把蛙腿放在绝缘的玻璃板上，用铜钩把蛙腿连接起来。如果用另一种金属作连线则痉挛会产生，如果用同种金属或非导体，就没有这种痉挛。

对伽伐尼发现的蛙腿痉挛现象有两种可能的解释：它或者由于动物机体内存在电的缘故；或者它包含某种取决于不同金属接触的电过程，而蛙腿只是起到了一种灵敏验电器的作用。作为一个解剖学家，伽伐尼自然偏重活组织，于是他认为电来自肌肉，宣称有“生物电”这样一种东西，并且十分固执地坚持这一观点。后来他的同胞伏打证明他错了。

伏大

伏打是伽伐尼的朋友，在静电学方面也有自己的发明和贡献。得到伽伐尼送给他的论文后，他重复并证实了伽伐尼的实验。起先他赞同伽伐尼的观点，认为肌肉接触两个不同金属产生的电流是由肌肉组织引起的。但是在他设计的各种实验中他发现，电流的产生和持续与生命组织无关。他只用金属而不用肌肉组织也测到了电。于是两个意大利人之间发生了一场论战。伽伐尼的支持者有德国人洪堡，伏打的支持者有法国人库仑。论据越来越有利于伏打，伽伐尼在怨恨中去世。1800年伏打制成了能产生很大电流的装置。他使用几个盛有盐溶液的碗，将相邻的盐溶液用弓形金属条联接。金属条为两类，一类为铜，另一类为锡或锌，两者间隔放置。这样便产生了一股稳定的电流，两只碗相隔越远，能产生的电流越大。这是世界上第一组电池。伏打又用小圆铜极板和小圆锌极板以及浸透了盐溶液的硬纸板圆片，做成体积小、含水少的装置，这个装置被叫做“伏打电堆”。电池的发明使得伏打声名远播，1801年拿破仑将他招徕到法国，表演他的实验。他获得一连串的奖章和勋章，被封为伯爵。但他最高的荣誉应该是由同辈的科学家给予的，电压的单位——伏特以他的名字命名。

伏大电池模型

7.磁学

18世纪磁学方面的探索有一些具体的进展，但理论上的飞跃则等待之后的19世纪来完成。在18世纪，人们发现了除铁以外，其他一些物质也受磁体影响，而且这种影响并非总是吸引，如新发现的元素钴和镍就具有轻微的磁性。

磁性

18世纪磁学上的最大成就应该是库仑确定了磁极的力随距离的变化而变化的定律。牛顿、哈雷等前辈都为确定这条定律做过研究，但都没有成功。库仑用他的设计巧妙的实验证实了磁力也遵循距离的平方反比规律。

另外，18世纪对磁偏角进行了更为广泛、系统的测量，观察到磁偏角的周日波动和不规则波动，发现了地磁场强度从两极向赤道递减。

地磁场

二、从法拉第到麦克斯韦

伏打发明电池之后，成功地获得了持续电流。电池还不能作为大规模的工业动力源，但在实验室里它已是一股不小的动力，法拉第用它打开了电能的宝库。

1、法拉第的发现

法拉第(1791-1867)的父亲是个铁匠，带着10个子女移居伦敦。法拉第在认得几个字后就当了装订学徒(1805年)，不过这让他有机会接触许多书，他常翻阅大英百科全书中的电学文章和拉瓦锡的化学教程等。而更幸运的是他的老板并不反对他这样做，还允许他去听科学讲座。1812年法拉第从一位顾客那里得到一张戴维在皇家学院讲演的票子。法拉第做了详细的笔记，并精心地加入彩色插图，总共386页，装订好之后送给了当时的皇家学会主席，希望找一份有更多机会接触科学的工作。在没有得到回音后，他又给戴维本人送去一份，并附上了要求当他助手的申请。这一举动给戴维留下了深刻印象，但他没有立即满足法拉第的要求。后来戴维因争吵解雇了自己的助手，就想到让法拉第来接替。1813年22岁的法拉第成为戴维的助手，工资比当装订工低，任务是刷洗瓶子。接着戴维周游欧洲，法拉第既当秘书又当仆从，还被戴维夫人当做奴仆对待。

进入实验室后，法拉第渐渐表现出他的实验天分，甚至远远超出了值得戴维提携的程度。比如法拉第能熟练地制备具有爆炸性的三氯化氮气体，而戴维则不那么熟练，一次还让它爆炸了，几乎因此而失明。一次在法庭上宣誓作证时，法拉第指出戴维发明的“矿工安全灯”有一些缺点。这一切使得戴维开始对法拉第产生嫉恨和不满。1824在投票是否选法拉第为皇家学会会员时，只有戴维投了反对票。

法拉第

1816年法拉第发表第一篇论文，论述托斯卡纳生石灰的性质。此后法拉第留下了大量的论文和实验记录。法拉第退休后，把他的16000多条实验笔记仔细地分类编号，分订成许多卷，他在这时显示了过去当装订工学徒时学会的高超技能。

1825年法拉第当上了实验室主任，同年他发现了苯。法拉第还发展了戴维在电化学方面的研究成果。1832年他公布了现在以他名字命名的电解定律：电解时，电极上所析出的物质量与通过电解液的电量成正比；一定电量下析出量与被析出元素的原子量成正比，与被析出元素的化合价成反比。1833年法拉第成为皇家学会的化学教授。但法拉第最有意义的工作在电学方面。

奥斯特

1819年丹麦物理学家奥斯特在一次课堂实验中让一个罗盘靠近通电导线，发现罗盘指针发生转动，指向与电流方向成直角的方向。这次实验是电与磁之间联系的第一次实验演示。1820年奥斯特发表这个实验之后，引起了爆炸性的反响。法拉第在第二年就设计了一个实验装置，把电力和磁力间的作用转化成了连续的机械运动。但这个装置充其量只不过是一个科学玩具。奥斯特让电流产生了磁力，法拉第所想的是怎样倒过来让磁力产生电流。

电磁感应

实验经过了许多曲折和戏剧性的过程，他用安培发明的线圈来产生磁场，希望这个磁场能对第二个线圈产生影响。第一个线圈固然产生了稳定的磁场，但是在第二个线圈中读不到电流。在多次无效的尝试之后，他想放弃了。但是在关闭第一个线圈的电流的一刹那，第二个线圈的电流计指针颤动了一下。据说10年前安培就发现过这个现象，但是这个现象不合于他的理论，就对之未加考虑。法拉第没有轻易放过这一现象。他反复实验，发现只有在打开和关闭第一个线圈的电流时，第二个线圈内才产生一股瞬时的电流。于是他推断，只有当磁力线切割导线时，才产生电流。这就是感应电流的发现。这种现象被称做电磁感应，是后来一切电动能源的基础。法拉第没有多少数学知识，对自己的发现很难抽象到更深一层的理论。但是他直观地用磁力线来描述磁体周围的磁场，并用铁屑来演示磁力线的排列。电磁场的理论问题要等麦克斯韦来完成。

电磁感应

磁力线

一旦证明磁能产生电，法拉第接下来的工作是要用磁场来产生连续的电流。不久他就造出了世界上第一台磁感应发电机。当然，要生产出完全实用的发电机还需要许多辅助设备，而发明这些辅助设备花了人类半个多世纪。最终的发电机与法拉第的最初模型看起来毫不相同，但是其基本工作原理是一样的。

1839年法拉第患了精神崩溃症，像牛顿一样以后再也没有恢复如初。记忆力的衰退迫使他离开了实验室，从此不再搞什么科学研究，他也拒绝使用助手来做研究。这使得他的晚年比较凄凉。据说当某勋爵摆出一副令人讨厌的恩主样子提出给他一笔年金时，法拉第一声不响地走开了，直到该勋爵向他道歉才回来。法拉第说，他关心的倒不是个人的面子，而是科学的尊严。

法拉第

在英俄克里米亚战争中，英国政府问法拉第能否大量制造一种可以用于战场上的毒气；如果可能的话，他能否领导这一科研项目。法拉第的回答是：这个科研项目毫无疑问是可行的，但他本人绝不参与。

1857年他被提名做皇家学会的主席，他推辞了；要封他爵士，他也谢绝了。他要求死后葬在“最普通的墓碑”之下，只需几位亲戚朋友参加葬礼，这些也都被照办了。

2.麦克斯韦的数学升华

出生于苏格兰望族的麦克斯韦(1831—1879)是家中的独子，他从小就有数学方面的天分，但是被同学们称为傻瓜。15岁时他把如何绘制卵形线的方法写成论文送到皇家学会，当时很多人不相信作者是个孩子。1850年他进了剑桥大学，毕业时为全班第二名。1857年麦克斯韦用数学方法从理论上推断了土星光环的组成和形成机制，其预言后来一一被观测所证实。1860年麦克斯韦用数学方法讨论了气体分子的运动，与当时也从事这个问题研究的玻耳兹曼一起创立了麦克斯韦一玻耳兹曼气体分子运动理论。

麦克斯韦

1871年麦克斯韦接受了剑桥大学实验物理学教授的聘任，期间他组建了卡文迪许实验室，担任实验室主任一直到去世。该实验室二三十年后在放射性方面做出了伟大的工作。

麦克斯韦一生中最辉煌灿烂的工作是在1864年到1873年之间进行的。他对法拉第的力线模型用数学方法进行了处理，得到一组简洁、对称的偏微分方程组，后来被称为麦克斯韦方程组。从麦克斯韦方程组出发，可以解释所有的电磁现象，并把电和磁真正统一了起来。麦克斯韦的理论表明，电与磁不能孤立地存在，哪里有电，哪里就有磁，哪里有磁，哪里就有电。电荷的振荡产生电磁场，电磁场由振源以固定的速度向外辐射电磁波。这个波的速度为1/√( ε₀μ₀)，这里ε₀为介质的绝对介电常数，μ₀为介质的绝对磁导率。从实验中可以测出这两个常数，从而算得电磁波的速度为每秒30万公里。

麦克斯韦方程组

麦克斯韦进一步指出光由电荷振荡产生，所以也是一种电磁辐射。因为电荷可以以任何速度振荡，所以应该有一整套的电磁辐射，可见光只不过是其中的一部分。所有的这些预言，在不久的将来都得到了证实，但是麦克斯韦因为患有癌症，不到50岁就去世了。如果他有正常人的寿命，就能够看到自己的一个一个科学预言被证实。然而他也会看到他为了解释电磁波在空间传播而精心构建的以太理论被证明是不必要的。

但是他的电磁场方程组并不依赖他对以太的解释，他做出的比他知道的还要好。麦克斯韦去世后二十多年，爱因斯坦几乎推翻了整个“经典物理学”，而麦克斯韦方程组仍保持不变，同过去一样依然适用。

电磁波

电磁波动方程

三 通讯技术的进步

电磁学的大量实验和理论成果成为通讯技术飞跃发展的物质基础。对无线电通讯来说，理论基础由麦克斯韦奠定，而亨利·赫兹(1857-1894)使得人工产生电磁波产生可能。商业领域内的促进资本流通、提高利润和政治、文化、教育、宣传、交通等部门甚至战争等，都对通讯技术的发展提出了需求。

到19世纪，通讯技术的飞跃发展主要体现在三个方面的成果上：有线电报、有线电话、无线通讯。

亨利.赫兹

1.有线电报

利用烽火、狼烟等传递视力信号，有各种各样的缺点：信息量少；受大雾和暴风雨等恶劣天气的影响大；中间环节多，即使使用望远镜，每15英里左右就必须设一个中转站。作为电学在通讯领域的运用，电报是人们最早尝试的一种形式，它大概经历了三个阶段：静电电报、电化学电报和电磁电报。

1729年，英国人格雷发现电荷能够在导线中传递，而且传递速度极快，几乎不需要时间。从这里人们萌发了电通讯的念头。1753年一名佚名人士提出了静电电报的方案，他用26根导线代表26个字母。在发送端代表要发送字母的导线和起电机接触；在接收端，每根导线下面挂一个小球。若该导线有电，则小球受电感应而被吸起。但是这种通讯方式效率低下，没有得到广泛运用。

1804年西班牙工程师沙尔伐利用刚刚发明的伏打电池做电源分解水时，发现负极产生氢气泡。他以此为指示，制成了第一部化学电报。之后，许多人研制了化学电报，但没有一部是有实用价值的。

1820年奥斯特发现电流的磁效应，为电磁电报奠定了理论基础。俄国人斯契林从1822年开始研制单针电报机，还发明了一套电报电码。1833年高斯和韦伯在哥廷根建立了一个电报系统，它在相距8千英尺的实验室和天文观测站之间建立了电信联络。而使电磁电报投入实际运用的，主要应归功于英国的科克、惠斯通和美国的莫尔斯(1791—1872)。

1836年科克制成了几种形式的电磁电报。就电报运行中出现的一些困难，他求教于皇家学会的惠斯通教授。两人一起研究，在1837年申请了第一个电报专利。1838年他们成功运行了13英里的电报线。1846年英国成立电报公司，1852年英国建成的电报线长达4千英里。科克和惠斯通设计的电报系统在英国一直运行到20世纪初。

英国的电报系统

莫尔斯是一名美国画家，略通化学和电的知识。1832年10月，他在欧洲绘画后乘萨利号邮轮回国。同船有一位杰克逊博士，为了排遣旅途寂寞，用二三种电气设备做实验玩。莫尔斯对杰克逊的实验很感兴趣，在旁观时突然闪过一个念头，并写在了笔记本里：

电流发生在一瞬间，如果它能不中断地传送10英里，我就能让它传遍全球。可以突然切断电流，使之产生电火花，电火花是一种信号，没有电火花又是一种信号，没有电火花的时间长度又是另一种信号。这三种信号结合起来可以代表各种数字和字母。数字和字母按顺序编排。这样文字可以经电线传送出去，而远处的仪器就把信息记录下来。

莫尔斯

电报机

电报机

就这样由于在一次偶然旅途中的一次偶然旁观，在他脑子里浮起了电报机方案的幻想。从此他放弃了绘画，致力于实现这个幻想。

莫尔斯电报机

莫尔斯电码

莫尔斯发明的精华部分是他的电码。发报机送出的电流可以是短的或长的，它给磁铁以相应的作用力，并推动钢笔在纸带上自动记录。1837年11月莫尔斯传送电报到10英里远的地方。1843在美国政府的资助下，在华盛顿和巴尔的摩之间架设了最早的电报线。1844年5月24日在华盛顿最高法院首次用有线电报进行了公开通讯，电文内容取自《圣经》：“上帝说要有什么，就有什么。”1845年莫尔斯组建了磁电报公司，在纽约和华盛顿之间的电报线路上取得了很好的效益。到1848年，除佛罗里达州以外，密西西比河以东各州都入了电报网。

电报线

当时世界经济逐渐走向一体化，比如美国农作物的收成会直接影响欧洲的市场。那么谁先得到消息就会成为商战中的胜者。所以当时一个迫切的需求就是用电缆把欧洲和美洲大陆连接起来。在铺设横跨大西洋的海底电缆之前，1851年先成功铺设了45公里长、横跨英吉利海峡的电缆。以后又铺设了地中海、黑海、北海等海域的电缆。1856年7月美国实业家塞勒斯·菲尔德在英国组建大西洋电报公司，致力于铺设大西洋海底电缆这一宏伟工程。进行这种史无前例的尝试，挫折是必然会有的。在开始的一年里他们遭受了三次失败。1858年7月开始第四次尝试，终于在8月5日于纽芬兰的特灵尼德海湾把电缆接通了。英、美两国分别庆祝，维多利亚女皇和布坎南总统通过海底电缆互致贺电。但是这次成功是短暂的，电缆运行月余后逐渐恶化，最后不得不放弃。1865年开始第五次尝试，最后在距离纽芬兰600英里处电缆断裂，坠落茫茫大洋中。当时虽然设法找到了电缆在海底的位置，但是要从2.5英里深的海底把它打捞上来是很困难的。连续四次打捞失败，船只被迫返航，这样又结束了第五次尝试。在改进了电缆铺设机械、加固了电缆强度之后，1866年6月末开始了第六次铺设。这次的铺设很顺利，1866年7月28日敷缆船在特灵尼德海湾下锚，欧洲与美洲之间的电信联络终于贯通。他们又继续努力，终于在1866年9月7日把1865年丢失在海底的电缆打捞上来，这样又建立了另一条连接欧美的海底电缆。

电缆断裂

塞勒斯·菲尔德由于坚持不懈地推进大西洋海底电缆的铺设，被人们称为“当代的哥伦布”。英国物理学家威廉·汤姆生因技术指导有功而得到女王授予的爵位。在横跨大西洋电缆的推动下，1869年铺设成了从伦敦到印度卡里卡特城的电缆，这条电缆部分陆地、部分海底，全长1万海里；19世纪末铺设了从印度到澳大利亚的海底电缆；1902年电缆连接了加拿大和澳大利亚；1906年铺设了旧金山——上海之间的太平洋电缆。

铺设跨海电缆

2.有线电话

现在我们知道电话的发明者是美国人贝尔(1847—1922)和他的助手华生。其实在1876年2月14日贝尔向美国政府递交电话专利申请的几个小时之后，另一个发明者格雷也提出了类似的申请。最后美国最高法院判定贝尔是电话的第一个发明者。

贝尔

贝尔出生在苏格兰的爱丁堡，父亲和祖父都是语言学家，他自己也以语音学为自己的专业。他最初的出发点是为了解脱聋哑人的痛苦，因而系统地学习、研究了人的语音分析、发声机理和声波振动等专门知识，这为他发明电话打下了良好的基础。

后来贝尔全家迁往加拿大，之后又到美国。贝尔继续在研究一种聋哑人用的“可视语言”，他设想在纸上复制人语言波的振动，以便聋哑人能够从波形曲线“读”出话来。这个设想最终没有成功。但在多次实验中他偶然发现，当电流导通和截止时，线圈会发出噪声。贝尔立即想到，要传送人的语声，必须造出一种能随语言的音调而振动的连续电流，就是说，必须用电波来代替传递声音的空气波。这就是贝尔后来设计电话的基本原理。

贝尔纪念邮票

当时德国物理学家赫姆霍兹对复制人的语音进行了多年的实验研究，并发明了复制人喉咙发声的装置。贝尔重复了他的实验。贝尔又专程到华盛顿就自己的用电传送声音的设想向物理学家亨利请教。亨利肯定了他的设想，并鼓励他继续研究下去。1873年贝尔辞去了波士顿大学语音学教授的职务，集中精力于电话的发明。由于在实验中要进行送话和收听，必须有两个人才行。在一次偶然的机会里，贝尔遇到了18岁的电气技师华生。从此两人协同工作，华生还补充了贝尔所缺乏的电的知识。贝尔一有新思想，华生马上动手制造。在两年里他们经历了无数次的实验和失败，最后制成了一台粗糙的样机。它的工作原理是这样的：在一个圆筒底部蒙上一张薄膜，薄膜中央垂直连接一根炭杆，插在硫酸里，人讲话时，薄膜受到振动，炭竿与硫酸接触的地方发生变化，导致电阻发生变化，电流也随着发生一强一弱的变化，在接收处利用电磁原理，把电信号复原成声音。这样就实现了用电流传递声波。

贝尔和华生夜以继日地实验，但是就是听不到声音。在苦苦思索中，远处传来的吉他声启发了他们。他们领悟到：送话器和受话器的灵敏度太低，所以声音微弱，很难辨别。如果像吉他一样装上一个共鸣器，就可以把声音放大了。1876年3月10日经过改装后的实验开始了。贝尔和华生待在相距好几个房间的各自的位置上。贝尔刚开始实验时，不小心把电池中的硫酸溅到身上，于是呼叫起来：“华生，快来这里，我需要你！”在受话器那一头的华生听到了通过电流传来的贝尔的呼救声，直奔贝尔的房间。这也是人类第一次用电话机传送的语言。这一年贝尔29岁，华生21岁。

贝尔电话

为了宣传这项发明，贝尔和华生在费城举行的美国建国100周年纪念博览会上表演了电话通话。开始并没有引起人们注意，后来巴西王太子彼得洛来参观博览会，对他们的电话机发生了兴趣，并从耳机里听到了贝尔的声音。他惊奇地说：“我的上帝，这钢铁玩意儿竟会说话！”电话才引起博览会的重视，最后还获得了建国100周年纪念奖。

以后贝尔和华生，还包括别的发明家对电话作了一系列改进，电话通讯得到迅猛发展。

3.无线通信

有线电报和电话的发展无疑是通信技术进步的重要标志，但是有线通信也还存在着许多局限性：(1)只限于定点之间的通信，无法做到移动目标之间的通信；(2)金属导线消耗的金属量巨大，敷设一公里电缆需要半吨铜、2吨铅；敷设海底电缆工程浩大，更需巨额投资；(3)一般来说有线通信有可靠性高、保密性好的特点，但是自然和人为的原因也常造成线路故障。海底的地质活跃带常造成电缆折断，这时查找故障位置和修复都极为困难。这些局限性促使人们思考是否可以不用导线来传输信息。

麦克斯韦关于电磁波的预言和赫兹(1857—1894)的证实(1888年)，为无线通信作了理论和实践上的准备。但是赫兹没有预见到无线电通讯的现实可能性。当他的一位工程师朋友古别尔问到能否利用电波进行通信时，赫兹在1899年12月的一封回信中作了否定回答。他说：“若要用电磁波进行不用导线的通信，得有一面和欧洲大陆差不多的巨型反射镜才行。”然而赫兹的实验鼓舞了其他科学家，他们尝试各种办法来通过无线电波传输信号。其中一个关键部件“接收机”被率先研制出来。1890年法国人布兰利发现：封在玻璃管内的金属粉末(铜、铁、铝或镍粉)，对一般直流电有很高电阻，因而不导电；但当电磁波通过这些金属粉末时，它们会凝集在一起，电导率大大增加，从绝缘体变为导体。根据这一现象他制成了他称之为“无线电导体”的接收机。1894年利物浦大学教授洛奇改进了布兰利的“无线电导体”，并改称为粉末验波器，提高了它的灵敏度，还在相隔180英尺(约54米)的地方成功地接收到了电磁波。作为教授的洛奇没有意识到他的工作的实用价值，也没有申请专利。最后是意大利发明家马可尼(1874-1937)和俄国科学家波波夫(1859—1906)把一种无线电报投入到实用中。

马可尼无线电报

无线电报原理

马可尼家道殷实，没有进过大学，但是把意大利最知名的学者请到了家里来指导他学习物理学。1894年夏天，他在阿尔卑斯山度假时读到一则年初去世的赫兹的工作报道，受到启发。在接下来的两年里，他在他父亲的庄园里完成了一系列的无线电报通信实验。1894年12月第一次获得成功的实验把信号传送至30英尺(9.15米)远，到1896年2月他能把信号传送到1.75英里(2.82公里)远。他向意大利政府请求资助而未获准，于是带着发报机和收报机来到英国，于1896年6月2日向英国政府提出了电报专利申请，并获准。1897年马可尼的收发报距离已经达到10英里，同年，为了给英国沿海的灯塔和灯塔船装备无线电通信设备，以马可尼为主要股东组建了“无线电报和信号公司”。1899年在美国成立子公司，1900年更名为“马可尼无线电报公司”。无线电报使海上航行的安全得到保障。1898 年刚装了无线电发射机没有多少日子的一艘灯塔船被撞翻，呼救信号发出后，及时赶来的救生船救起了船员。1901年后，各国沿岸广设海岸电台，并以法律规定：任何航海船舶都必须装设无线电发报机，以备遇险时呼救之用。1909年美国南蒂克特海岸电台忽然听到遇难求救信号“C.Q.D”(come quick dan-ger)，5分钟内就有五艘船前往救援，救起了全部遇难船员和乘客。1912年4.6万吨级的泰坦尼克号载着2200名旅客在开往纽约的处女航中撞在北大西洋纽芬兰岛东南的冰山上，船上的报务员发出了呼救信号，离它最近的两艘船中一艘没有电台，另一艘的报务员正在睡觉。远在90公里外的“卡尔帕夏”号接到电报，迅速赶往现场，只救出了700人。1912年经国际无线电会议决定，国际通用船舶呼救信号为“S.O.S”。

马可尼纪念邮票

1899年马可尼实现了横跨英吉利海峡的无线电通信。1901年12月12日马可尼引人注目地完成了横渡大西洋的无线电通讯。虽然当时只用莫尔斯电码发送和接收了一个英文字母“S”,但这一试验的成功标志着无线电报开始进入远距离通信的实用阶段。马可尼与另一位电报技术和阴极射线示波管发明者德国人布劳恩共同分享了1909年的诺贝尔物理学奖。

波波夫是俄国一个工兵军官训练班的物理教师。1894 年他发现电报的接收回路对闪电起反应，于是把它当做“雷电指示器”来记录大气中的放电现象。在一次偶然移动工作台时他发现台上的电波接收机的信号突然清晰起来。通过仔细观察，他发现移动工作台时有一根导线靠近了仪器。他取出一根十几厘米长的导线接到仪器上，信号果然清晰起来。这就是天线的首次发明。波波夫是忠诚的爱国主义者，他拒绝了美国企业家转让专利的要求。但是由于沙皇俄国政府的腐败，波波夫的设计没有起到太大作用。在1904年的日俄战争中，为了紧急装备俄国海军，沙皇政府不得不向德国购买电台。

军用电台

无线电报在当时的推广也存在着一些障碍。最大的障碍来自当时已经在有线电报和电缆线路方面投下巨资的官方机构和私人公司。当然还有一些无线电报方面的具体技术问题还有待完善。第一次世界大战刺激了无线电技术的高速发展，并从无线电报发展到无线电话。