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九、电气时代来临
１９世纪，科学家发现了电和磁的联系，开辟了驾驭能量、传输信息的新途径。人类刚刚步入工业社会，又匆匆奔向一个新的时代。
当发明家和工程师们在拓展蒸气动力的道路上轰轰烈烈地前进的时候，一些鲜为人知的学者在实验室里默默地研究着另一类现象——电。这种研究没有任何功利目的，因为没有人知道探索它会有什么结果，更不能预测电对人类有什么实用价值，他们研究电纯粹是出于好奇心，希望了解自然。
早在２５００年前，古希腊人已经注意到摩擦琥珀会产生电，它能够吸附微小的物体。干燥的物体互相摩擦很容易带电，电会在不经意中产生，也很容易消失；偶尔会在空气中形成噼啪作响的小火花，但稍纵即逝。直到１６世纪，人们关于电的知识仅此而已。
科学家研究电，第一件事就是想办法获得足够多的可以随意产生的电。曾经表演过著名的马德堡半球实验的德国科学家盖里克（公元１６０２～１６８６年），于１６６０年发明了第一台能产生大量电荷的摩擦起电机。他设计的这种机器，有带手柄的轮子，摇动手柄，轮子即带动玻璃盘或琉璜球快速旋转，当它们与物体摩擦时，就会产生电荷。转动速度越快，摩擦时间越长，电荷就越多。这些电荷可以通过与它们接触的金属丝，由一端传到另一端，有时会在空气中产生爆炸般的火花。
这种起电机能够方便地产生电，但是不能贮存电；一旦停止转动，玻璃盘或琉璜球上的电就会通过空气或沿其表面消失得一干二净。
一件偶然的事使人们找到了贮存电的简单办法。１７４５年的一天，荷兰莱顿大学教授马申布洛克（公元１６９２～１７６１年）用起电机使装在玻璃瓶里的水带电，他把细长的金属链一端垂入瓶中，另一端与起电机相连，自己则用一只手握着玻璃瓶，另一只手迅速摇动起电机的转轮。当他正在端详带电的水有什么变化时，刚刚松开摇把的手无意中碰到了金属链，突然，他的身体受到强烈的电击（事后马申布洛克说，那次我差点完蛋）。平静之后，马申布洛克马上想到，是装着水的瓶子电击了他，因为那时瓶子早已离开了起电机。这一意外发现令他欣喜若狂，原来，电可以像水一样贮存。
随后，马申布洛克用各式各样的瓶子贮存电，发现不一定要装水，只要在干燥的玻璃瓶内外壁各贴一层互相绝缘的金属箔，内层与起电机相连，外层与大地相连，起电机产生的电就会贮存在瓶子里。瓶子越大，玻璃壁越薄，存的电就越多。这种装有电的瓶子，其重量没有任何变化，也看不见里面有任何东西，可以随意搬来搬去。但是，只要在内外两层金属箔上各连出一条金属丝，使它们的尖端相互靠近，就会在空气中产生啪啪的火花。人们称这种能贮存电的瓶子为“莱顿瓶”。
当时，一些聪明的欧洲人为“莱顿瓶”这种能存电的瓶子找到了两个奇特的用途：一些人利用它帮助乡村农户屠宰牲畜，他们先用“莱顿瓶”放电击晕牲畜，再令它们安静地结束生命；另一些人则用它“恶作剧”，让人在毫无防备的情况下触电出洋相。有个名叫诺雷的神父，曾在法国皇帝路易十五面前开过一个大玩笑，他让７００名修士手拉着手站成一圈，第一个修士的手触摸“莱顿瓶”的一条引线，最末的那个修士触摸另一条引线，使７００人在一瞬间同时遭受电击，人们惊恐万状，袈裟飞舞，皇帝看到这种情形乐不可支。后来人们知道，电以光的速度传输，修士撒开手至少在０．１秒钟以后，因而“莱顿瓶”通过人体放电，无人能够幸免。
１７４６年，美国政治家、发明家富兰克林（公元１７０６～１７９０年）得到一只“莱顿瓶”，开始研究电。这位没有上过大学也没有导师指点的学者，以自己的方式探索自然。当夜幕降临时，他注意到“莱顿瓶”引起的火花放电，在空气间隙中出现飘忽不定的闪亮通道，通道上的闪光和啪啪的声音同时出现，很像是天空闪电的微缩。他突然产生一种联想：天上的雷电和人们用摩擦产生的电会不会是一回事？
１７５２年７月，富兰克林做了一个冒险的实验，在雷雨将至时，将一个风筝放飞天空，风筝顶上系着一根细铁丝，风筝的细线下端系着一串金属钥匙；再用一段干燥的绳子，一端握在手上，另一端系在钥匙上（富兰克林知道，被雨水沾湿的线会导电，这样可使自己不受伤害）。当雷电发生的时候，富兰克林看见钥匙的尖端出现了时断时续的火花，他用“莱顿瓶”把钥匙上产生的电贮存起来认真研究，发现它与起电机产生的电没有什么不同。于是他对雷电的成因提出了自己的解释：天空中云和云相互摩擦或云与地面相互摩擦产生了大量的电，这些电释放出来的时候，就产生了雷电。由于云层的空间尺度和运动规模很大，产生的电比人们在实验室中用起电机产生的电量多得多，所以天空中的雷电才显得格外神奇壮观，它和人们常见的摩擦起电在本质上是一样的。
１７４７年，富兰克林用“莱顿瓶”研究不同形状的金属物体产生的电火花有何不同，发现尖端最容易放电，球形最不容易出现火花。当他发现闪电与摩擦起电是同一种现象时，发明家独有的思维方式使他想到，可以利用建筑物顶上指向天空的金属针，通过尖端放电，把云中贮存的电引入地下，以避免建筑物遭受雷击。１７６０年，富兰克林给美国费城的一座高楼装上了第一枚避雷针，２０年之后，费城已经装有数百枚避雷针。这是人类在探索电的历程中做出的第一个有实用价值的发明。这项发明很快传到英国，由于富兰克林是坚决反对英国殖民统治、领导美国独立建国的重要人物，英国当局出于对他的仇恨，曾经颁布命令，英国的建筑物不许采用富兰克林发明的尖端避雷针，如果要用，也只能用球形。后来一些英国建筑物多次遭雷击，当局便悄悄取消了这个禁令。直到１９世纪后期，英国的许多教堂还是不愿意安装避雷针，他们认为雷电是上帝在惩罚有罪的人，教堂不会遭受雷击。有位拿不定主意的神父曾经私下询问发明家爱迪生（公元１８４７～１９３１年），教堂不装避雷针是不是可以免遭雷击？爱迪生说，上帝有时候也会大意。
到１８世纪后期，通过实验定量研究自然现象，已经成为许多学者的习惯，这种源于１６世纪的研究方法，开始由力学逐渐扩展到其他领域。１７８５年，法国科学家库仑（公元１７３６～１８０６年），发现了电荷之间相互作用力的规律。
很久以前，人们已经知道电荷只有两种，同种电荷互相排斥，不同电荷互相吸引。但是这种相互排斥或吸引的力非常小，难以测量，２０００多年来人们始终无法了解这种力的规律。库仑是一位细心窥探自然奥秘的人，他注意到用古老的纺车把棉花纤维捻成细纱的时候，如果纱线断头，绞在一起的纤维会迅速松开反捲回去，绞合力越大，反捲的圈数就越多。这一司空见惯的现象，启发他想到利用有弹性的细小纤维扭转变形，测量微小的力。
１７８１年，库仑发明了扭秤。不过，实用的扭秤不再采用难以控制的棉纱，而是一根垂直悬吊的细金属丝，下面系着绝缘的水平横杆，横杆两端放置带电小球。水平方向的静电力使悬丝扭转，在悬丝上方有一面固定的小镜子，一束光投射在镜面上。镜子和悬丝一起转动时，反射的光点会产生很显著的偏移，从而测出微小的转角。根据扭转的角度，可以精确测量这种难以感知的力的大小，其灵敏度远远超过弹簧秤和使用砝码的天平。
近代科学诞生之后，许多科学家为了探究新的领域，总要先创造出新的实验装置和测量仪器，因此科学家常常又是发明家。
库仑使用扭秤精确测量各种情况下力的变化，发现了它们遵循的规律。这种相互吸引或排斥的力与电量的乘积成正比，与距离的平方成反比，它的数学形式很像牛顿在１６８７年发现的万有引力定律。不同的是，牛顿出于理论上的推断，库仑则完全是通过精细的测量归纳出这一定律的。
这是科学家在电学领域发现的第一个基本定律，直到今天，人们还没有发现它与事实不符的地方。为纪念这位探索电的先驱，人们把电量的单位称作“库仑”。
不久，意大利波洛尼亚大学解剖实验室发生的一件怪事，悄悄改变了电学研究的方向。实验室工作人员在无意中用手术刀触碰放在金属工作台上的一只解剖过的青蛙时，发现早已死去的青蛙，其肌肉会像青蛙活着时一样收缩震颤。解剖学家伽伐尼（公元１７３７～１７９８年）把青蛙肢解后，仔细研究发现，只要有两种不同金属制成的物体同时触及青蛙肌肉不同的部位，就会观察到青蛙肌肉的收缩。他认为这是一种神秘的“生命元素”发出了电流，就像人们早已知道的一些鱼会自己发出电一样（例如电鳗和电鳐）。１７９１年，伽伐尼发表著作《论肌肉运动产生的电荷》，人们把这种电流称为“伽伐尼电流”。
其时，意大利维尼亚大学物理学教授伏打（公元１７４５～１８２７年）正在研究电学，当他知道这个消息后，重复了伽伐尼的实验，并对此提出不同的解释。他认为是青蛙体内的某些物质在水的参与下，与两种金属发生了化学反应，在金属片之间产生了能够推动电荷运动的力量（后来人们把这种力量称为“电压”），流动的电荷刺激了青蛙的神经，引起肌肉收缩。他还用自己的嘴做了一个实验，用舌头舔一片锡箔，再用一只银勺触碰舌根，舌头上出现了一种令人很不舒服的奇怪味觉。他认为是锡和银在唾液参与下发生化学反应，产生了刺激味觉神经的电流。
为了证实自己的推断，伏打发明了非常灵敏的验电器，利用静电排斥力引起金属箔片分开的角度变化，测量微小的电压。他研究过锌、锡、铜、银、金等容易加工又不易锈蚀的金属和石墨，发现这些材料中的任意两种与溶液接触，都会产生电压，材料不同，产生的电压也各不相同。１８００年，伏打发明了人类历史上最早的化学电源。他在一块浸透盐水或碱溶液的皮革两侧分别贴上锌片和铜片，用金属导线把锌片和铜片连接起来，感觉到金属导线在微微发热，看见锌片和铜片与皮革接触的地方发生了化学反应。
为了让人们对他的发明有深刻的印象，伏打设计了一个恶作剧般的实验。他用几十片铜锌做成的电极分别夹着浸透盐水的绒布，叠压成一个高高的柱子，用两条金属丝分别与最上面的锌片和最下面的铜片相连，金属丝的另一端分别置入两个盛水的盆中，然后，他问谁敢把两只手同时伸进这两个盆？所有冒险的人无一例外都遭到了强烈的电击。
伏打关于“伽伐尼电流”的解释和他发明的化学电源很快被人们接受，在伏打发明的这种装置里，两个金属电极之间好像有一种神奇的力量推动着电荷运动。为了纪念这位杰出的科学家，人们把电压的单位定为“伏特”。
１９世纪初，人们已经能制造出许多种柔韧细长的金属丝。这些金属丝具有良好的导电性，在空气中不易锈蚀，它们逐渐成为物理学家研究电荷运动必不可少的材料。当时在电学实验室里，电池和金属导线已经取代了起电机和“莱顿瓶”，物理学家有可能充分研究流动电荷产生的各种效应。
伏打发明化学电源２０年之后，丹麦哥本哈根大学自然哲学教授奥斯特（公元１７７７～１８５１年）发现了电和磁的联系。２０００多年来，人们一直认为电和磁是互不相干的两件事，仅对它们进行孤立的研究。奥斯特十分赞赏哲学家康德（公元１７２７～１８０４年）关于自然界各种现象之间有着深刻内在联系的观点，他认为电能够产生热、产生光，还会发出声响，例如放电时的“啪啪”声，电可能也会产生磁，他希望找到电产生磁的证据。１８２０年４月，在一次讲授“各种电与磁的现象”的课堂上，奥斯特演示了当时能够做的各种电和磁的实验，当他举起手中的指南针向学生讲述地磁场的作用时，发现磁针并不指向南方，而在水平方向偏转了一个很大的角度。他注意到，刚才做过实验的伏打电池和相连的导线没有断开，是电流引起磁针偏转。
奥斯特决定深入研究这种奇特的现象，他在３个月的时间里做了６０多次实验，研究各种情况下电流对磁针偏转的影响。发现所有通过电流的导线，都会使周围磁针发生不同程度的转动。１８２０年７月２１日，他用拉丁文发表了自己的研究报告。
奥斯特的新发现迅速传到德国和瑞士，正在日内瓦访问的法国物理学家阿拉果（公元１７８６～１８５３年）立即带着这一新闻回到法国，并于１８２０年９月４日在法国科学院的例会上宣读了奥斯特的这篇论文。此后，法国科学家安培（公元１７７５～１８３６年）、比奥（公元１７７４～１８６２年）和沙伐尔（公元１７９１～１８４１年）等人迅速做出反应，对这一现象进行深入研究。
在１８２０年９月１８日、９月２５日和１０月９日的法国科学院例会上（该例会每星期举行一次），安培提交了３篇研究报告。报告指出，线圈通电时对磁针的作用与磁铁相似，他推断磁铁之所以能够使磁针运动，是由于内部存在着环形电流，而且他认为磁针之所以指向南北，是因为地球内部存在着与赤道方向相一致的环形电流，磁在本质上是电荷运动的结果。他发现，只有运动的电荷才能产生磁。他还发现，通电导线之间也存在着相互作用力，电流方向相同的导线相互吸引，电流方向相反的导线则互相排斥，这种相互作用力可以延伸至很远的地方。
在１８２０年１０月３０日的法国科学院例会上，比奥和沙伐尔报告了他们发现的通电导线对磁针作用的定律，通电导线对磁针的作用力与电流成正比，与距离成反比。曾经担任拿破仑财政部长的数学家拉普拉斯（公元１７４９～１８２７年）还用微积分符号写出了这一定律的另一种表达形式。
在奥斯特宣布自己发现电与磁的联系１００天后，科学家们已经非常清楚地了解电如何产生磁，并且开始探寻物质产生磁性的内在原因。为了纪念这项研究的先驱，人们把磁场的单位定为“奥斯特”，把电流的单位定为“安培”。
新的科学发现常常导致新的技术发明。１８２１年，世界上出现了两件重大的新发明——电动机和电流表。
电动机能够使电转换成机械运动，揭开了电气时代的序幕；电流表则可以使人们“看见”电荷的流动、测量电流的大小，对电磁学进行定量研究。
１８２１年９月，英国物理学家法拉弟（公元１７９１～１８７６年）发明了电磁转动实验装置，他利用伏打电池产生源源不断的电流，使一段通电的直导线在水银杯中不停地围绕中央的一根磁铁棒缓慢旋转。后来，他又使一根倾斜的磁铁棒在水银杯中绕固定在杯中央的直导线旋转，从而做成了人类历史上最早的电动机。然而，这一构想最早是由当时英国皇家学会会长沃拉斯顿（公元１７６６～１８２８年）提出的，但他没有做成。法拉弟认真阅读了１８２０年法国科学家们的研究报告，分析了导体在磁场中受力的情况，并采用水银作为减小摩擦阻力的导电介质，完成了这一发明。
还是在这一年，几位在不同的电学实验室工作的欧洲科学家，不约而同地想到利用线圈和磁针测量电流的方法。他们在两个相隔一定距离的垂直线圈之间，水平放置一枚可以自由转动的磁针，当线圈不通电时，磁针和地磁场的方向一致；当有电流通过这两个线圈时，电流产生的磁场会推动磁针偏离原来的指向，偏转一定角度后，它和地磁场的作用力达到新的平衡。电流越大，磁针偏转的角度就愈大，根据磁针的偏向转角度，可以知道线圈中电流的大小。这种巧妙的装置将人无法看到的电荷运动，转换成视觉可以分辨的相应磁针空间位置的变化，从而轻而易举地解决了电流的测量问题。这项发明为电磁学的研究和日后电气技术的应用奠定了重要的基础。
１８２７年，德国物理学家欧姆（公元１７８９～１８５４年）发现电荷在导体中流动遵从一种十分简单的规律，电流和电压成正比。电压和电流之间的比例系数称作电阻，它表示导体对电荷流动所呈现的“阻力”。这是电学中极为重要的另一个基本定律，依据它，人们可以通过改变电阻的办法精确地控制电流的大小，方便地调节、分配流过导体的电流，就像拧阀门调节自来水流量一样。
然而这一定律的发现过程并不简单。当欧姆着手研究的时候，习惯性地采用伏打电池作为电源，这种化学电源产生的电压不够稳定，还会受到温度的影响，使实验数据似乎无规律可寻。后来人们建议他采用德国物理学家塞贝克（公元１７８０～１８３１年）在１８２２年发明的“热电偶”作为电源。“热电偶”是由两种不同金属材料做成，利用热产生电的装置。两种不同金属条带的一端固结在一起加热，在另外两个冷的端点之间就会产生电压，电压的数值与冷热两端的温度差成正比，只要冷热两端温度保持恒定，电压就保持不变。１８２６年，欧姆用铜和金属铋做成一个“热电偶”，铜和铋相接的一端放在沸水里，另外两个端点插在冰水里，温度差总保持在１００摄氏度（当时人们已经知道沸腾的水和冰水混合物都会保持各自恒定不变的温度）。他在铜和铋的冷端点之间接入粗细均匀但长短不同的铜丝，仔细观察电流的变化。他改进了不久前刚刚发明的磁针电流计，用库仑扭秤测量磁针的转角，使电流测量更加精确。
１８２７年，欧姆出版了《伽伐尼电流的数学研究》一书，阐述了他发现的电流与电压成正比的规律，并且详细论述了金属导线电阻研究的结果：粗细均匀的导线电阻与长度成正比，与截面积成反比。欧姆的发现奠定了电路研究的基础。但当时德国学术界不承认他的成果，拒绝发表他的研究报告，权威们认为“电学中没有如此简单的规律，而且欧姆只不过是一名中学教员”。
直到１８４１年，英国皇家学会在多次重复研究欧姆的实验后授予他考普利奖章，欧姆的工作才引起德国学术界的重视；到１８５２年欧姆成为德国慕尼黑大学教授；两年之后，他离开了人世。人们为了纪念他，把电阻的单位定为“欧姆”。“欧姆”已经成为今天电学中使用频率最高的词汇之一，然而人们却很少想到它背后那些发人深思的故事。
１８３１年，电磁学研究取得了突破性进展，英国物理学家法拉弟发现了电磁感应现象，为人类找到了使机械能直接转化为电能的有效途径。
法拉弟出生在一个贫困但温馨的家庭，父母有１０个孩子。１３岁时，法拉弟就到印刷厂当了装订工。好学的法拉弟通过３种途径在艰难的环境里学习：一是努力阅读他装订的书；二是加入当时一位热心传播知识的人组织的“伦敦哲学研究会”，这位组织者经常请人在自己家中介绍人们感兴趣的新知识，允许研究会成员阅读自己的藏书；三是听英国皇家学会定期为公众讲述科学的讲座。通过这些途径，年轻的法拉弟走上了与众不同的科学探索之路。
１８１２年，法拉弟成为著名化学家戴维（公元１７７８～１８２９年）的助手，主要从事化学方面的研究工作，１８２１年，他成为英国皇家学院科学实验室主任。
从１８２０年起，欧洲掀起了研究电磁现象的热潮，出现了各种各样的理论。１８２１年，《英国哲学学报》的编辑邀约法拉弟写一篇关于电磁学研究的述评，使他转而研究这个新的领域。他重复了奥斯特、安培以及其他物理学家做过的许多实验，在仔细分析这些实验结果后，他坚信电和磁之间还有更深刻的联系。他认为，不仅电流能够产生磁，磁也会产生电，他希望用自己的实验证实这种想法。在１８２１年之后的１０年间，法拉弟总是在实验室里用电池、线圈、磁铁和磁针，反复进行各种各样他能够想出来的实验，他希望借助磁铁的磁性或电流产生的磁性，在一个与电池不相连的线圈里产生电流，结果一无所获。但与众不同的执着和耐心，使他毫不气馁地进行着单调枯燥的实验。
１８３１年８月２９日，法拉弟的实验终于取得突破性进展。他在一个软铁做成的环形铁芯上绕了两个线圈，第一个线圈与伏打电池相连，让电流通过；第二个线圈的一端延伸出一段距离，再返回来和另一端连在一起（中间没有电池），在延伸的导线下方放一个可以自由转动的磁针，它距离铁心大约１米远，这样的距离可使磁针不受第一个线圈电流的影响，只探测第二个线圈里的电流。当接通第一个线圈的电流时，法拉弟看到磁针突然剧烈摆动，然后平静下来回归原位。当断开第一个线圈的电流时，磁针再次剧烈摆动，然后平静复归原位。他猛然意识到，磁针的摆动是由第一个线圈中电流的变化引起的，不同于当年奥斯特发现电产生磁的情况，法拉弟发现的是磁力变化引起电流。
紧接着，法拉弟又进行了３个实验，他发现磁铁插入或拔出线圈的时候，线圈里也会出现电流；如果线圈绕在一段铁棍上，铁棍两端分别与两个磁铁相接，当这两个磁铁的另一端合拢或离开时，线圈中会出现电流；当一个铜盘在磁铁的两个磁极之间旋转时，铜盘上也会产生电流，实际上，这就是最早的发电机。
１８３１年１１月２４日，法拉弟在向英国皇家学会提交的报告中，把这种磁产生电的现象称为“电磁感应”，并且概括了可以产生感应电流的５种途径：电流变化、磁场变化、流过恒定电流的导线空间位置变化、磁铁运动，以及使导体在磁场中运动。实际上，法拉弟已经告诉了人们发电的５种方法，其中第５种已经成为今天全世界共同采用的发电方式，目前人们使用的电主要用这种方法得到。
法拉弟一生淡泊名利，执着地探寻大自然的奥秘，为人类进入电气时代铺就了最重要的一块基石。他谢绝了英国王室授予的“爵士”头衔，谢绝了英国科学界希望他出任皇家学会主席的美意，只为自己保留了两个职位：一个是皇家研究所实验室主任；另一个是负责为青少年安排科学讲座的秘书。
１８６５年，英国物理学家麦克斯韦（公元１８３１～１８７９年）发现，在库仑、奥斯特、安培、欧姆和法拉弟分别发现的规律之间，有一种深刻的内在联系。他把这些定律归纳成一组统一的数学方程式，从这组方程式中解出一个令人惊异的结果：变化的磁场会产生变化的电场，变化的电场又会产生变化的磁场，交替变化的电磁场以光的速度向外传播；这种波的传播方式与声波不同，不需要有形的物质作为媒介，可以在真空中传播。麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，而且认为光本身就是一种电磁波。他在自己的方程式中，算出电磁波传播的速度应为每秒３１．１万千米，与物理学家裴索（公元１８１９～１８９６年）于１８４９年测得的光速每秒３１．５万千米非常接近。
从伽利略时代开始，科学家即依靠实验发现自然规律，电磁学发展的早期，完全遵循着这条道路。随着数学的进展，科学家开始以实验发现的规律为依据，运用新的数学方法，进行高度抽象的逻辑推理探寻自然奥秘，一批精通数学的理论物理学家应运而生，麦克斯韦是１９世纪后半期最重要的代表，这标志着人类探究自然的历程达到了一个新的高度。
１８８８年，德国物理学家赫兹（公元１８５７～１８９４年），用实验证明电磁波的存在，验证了麦克斯韦的理论。赫兹设计了一个十分巧妙的实验，用充电的莱顿瓶通过火花放电，激发金属导体组成的电路产生电流振荡；在几米之外放置接收这种振荡信号的探测器，当接收器的固有频率和电流振荡的频率一致时，振荡电路激发的电磁波会在探测器上感应出高电压，从而在它的间隙上产生火花放电。然而，无数次实验都失败了，赫兹总也看不到探测器上的电火花。
有一天，新婚的妻子拉着疲惫不堪的赫兹离开实验室到花园散步，心不在焉的赫兹看见空中一群飞来飞去的小虫，问：“这是什么？”妻子说：“它们是萤火虫。”他又问：“为什么看不见它们发光？”妻子说：“白天不是也看不见星星吗？”赫兹如梦初醒，径直跑回实验室，拉上厚厚的窗帘，重新开始实验，果然，在昏暗的背景下，他看到了探测器上微弱的电火花。
无数个夜晚，赫兹一次又一次地进行实验，在振荡电路和探测器之间放置各种物体，观察它们对电磁波传播的影响。他观测到金属平板使电磁波发生反射，绝缘体大棱镜使电磁波发生折射，金属凹面镜使电磁波发生聚焦。他又根据振荡电路的频率和测量出的电磁波波长，计算出电磁波传播的速度，与当时人们测得的光速相同。
１８８８年１月，赫兹发表了他的最终研究结果。此时，麦克斯韦已经去世９年，十分遗憾的是，他没有见到自己预言的电磁波。
从马申布罗克到赫兹，科学家以各自不同的方式探索电和磁的奥秘，发明家以丰富的想象力，把新的科学发现变成前所未有的技术。电从科学家的实验室一步一步走进充满生机的世界。
伏打电池出现后的第４年，人们发明了用电传输信息的方法。
１８０４年，西班牙发明家萨尔瓦发明了最早的电报。他用２７条长长的电线传送简短的信函，这些电线的一端浸泡在酸水里，另一端的线头分别与电池相接。其中有一条线固定接在电池的一个极上，其余２６条线分别代表２６个拉丁字母，按照一定的顺序，它们与电池的另一极相连。当某个线头与电池相连时，另一端的线头由于发生了电化学反应，有气体在线头析出，因此会在酸水里冒泡。萨尔瓦就是利用这种办法，把文字传送到１０００米之外的地方。
１８０７年，英国化学家戴维发明了电解技术，他利用电池产生的电流使溶液中的物质分解，使构成化合物的成分从溶液中分离。用这种方法，戴维得到了在自然界中很难找到的金属钠和钾。这种用电流“拆开”物质的办法非常有用，它使人们能够用简便的方法，把宇宙中众多的化合物，还原成构成它们的组分。今天人们使用的金属铝，就是从电解熔融的三氧化二铝矿石中得到的。如果有一天人类到达遥远的星球，大可不必自带氧气，只要在那里找到水，用电解水的方法即刻就可得到维系生命所必需的氧。
差不多与此同时，戴维还发明了电镀技术，用电学方法使一种金属均匀牢固地附着在另一种金属表面上。
电镀技术在本质上是借助电流在液体中“搬运”物质的技术。戴维在溶液中放置两种不同的金属，分别与电池的两极相连，电流通过溶液时，一种金属会变成溶液中的离子转移到另一种金属表面析出，并牢牢地固结在另一种金属的表面。通过控制电流的大小，可以精确控制镀层的厚度。利用它，可以为钢铁表面镀金、镀银、镀铜、镀镍或镀铬，这样，不仅可以使钢铁制造的器物表面光洁美观，避免锈蚀，而且还可以改变它的表面硬度，使其更加耐磨。利用电镀技术，人们还可以在溶液中静悄悄地“铸造”出精美奇特的艺术品和机器零件。
１８０８年，人类开始探索用电照明的方法。这一年，戴维发明了最早的电弧灯。他把几十个伏打电池串连在一起，构成可以产生高电压的组合电池。电池的两极，各接一根石墨做成的碳棒，当这两根碳棒的尖端相互接近到一定距离时，在间隙处就会突然出现明亮耀眼的弧光。这是由于空气在电池的高电压作用下分解成导电的离子，使绝缘的间隙成为电流的通路，伴随着通过间隙的强大电流，电弧产生高温，就会使更多的空气电离，发出明亮的光。不同于稍纵即逝的静电火花，弧光能够持续相当长一段时间，它的空间位置十分稳定，可以照亮一大片地方。
弧光是一种可以控制、连续发生的微型闪电，它是人类最早制造的不用燃料的光源。
然而，弧光灯点燃之后，电弧迅速烧蚀碳棒，使碳棒间隙不断加大，电池的电压不足以维持放电，不久弧光就会熄灭，而戴维对此无能为力。后来，英国发明家施泰特用一个发条驱动钟表机构推动其中一根碳棒，在发出弧光时缓慢向另一根碳棒靠近，使它们在烧蚀过程中保持间距不变，以维持长时间发光。不久，他又用一根铜丝做成的弹簧直接推动碳棒，利用电弧发出的热量使弹簧膨胀产生位移，自动补偿碳棒烧蚀产生的空间距离变化，使弧光保持稳定。
经过发明家的改进，弧光灯终于出现在英国伦敦和法国巴黎的街道，成为当时的动人景观。
1832年，法国人皮克希（公元1808~1835年）发明了可以连续产生电流的最早的发电机，他是第一个赋予法拉弟发现的电磁感应现象以实用价值的人。
皮克希在两个绕在软铁芯上的线圈下方，安装了1个可以转动的马蹄形永久磁铁，磁极端面非常靠近线圈；永久磁铁通过摇柄在水平方向高速旋转，引起软铁芯中磁场快速交替变化，在两个线圈中激发出感应电压。由于永久磁铁每转过半圈，线圈中感应电流的方向就会改变一次，因而它发出的电是交流电。后来，在物理学家安培建议下，皮克希采用使电流自动改换方向的装置，做成了直流发电机，其发出的电与电池产生的电没有任何区别。然而，当时永久磁铁均由天然磁铁矿石做成，磁性不够，因此发出的电十分微弱。
1835年，美国人达文波特（公元1802~1851年）发明了实用的电动机。虽然早在14年前，法拉弟已经做出用于演示、可以连续运转的电动装置，但由于当时永久磁铁的磁性不足，电流在磁场中受到的力很小，因此仍不足以产生足够的力量。达文波特把永久磁铁改成电磁铁，电池既为转动的线圈供电，同时又为电磁铁的线圈供电，并且周期性地改变流过线圈的电流方向，使线圈在磁力推动下能够连续不断地旋转。由于电磁铁的磁力比永久磁铁大许多倍，使得这种电动机力量大增，能够在钢铁工件上钻孔，后来人们用它带动印刷机，曾印刷过美国最早的电学期刊《电磁学与机械信息》。
有了电动机，人们可以安然自如地使用自然界提供的动力，不必永远守着喧闹而且冒着黑烟的蒸汽机。这种新的动力机械启停方便，操纵灵活，可以同各种装置配合在一起构成多种多样的新机器。
皮克希和达文波特的发明，使人们远远地望见了电气时代的曙光。
1837年，英国人库克（公元1806~1879年）和惠斯登（公元1802~1875年）发明了实用的电报机。他们不再使用冒泡的酸水，而是利用电流令磁针偏转，然后根据磁针偏转的方位，判断远方发送的信息。
这种电报机只需5条电线发送拉丁字母组成的信函。这种机器有5根并列排成一行的磁针，磁针偏移的方位，受来自远方的电流控制，磁针上下两边各有1幅网格状的字母表；发报员按照文稿字母顺序按键，电流便使收报机上的磁针有规律地摆动；根据接收机上磁针偏转的方位，人们就可以知道远方发送的是哪个字母。
1年以后，这种电报系统开始在英国西部大铁路沿线安装使用，因为铁路沿线很容易架设传送电报的电线，而且铁路沿线的电报业务量会比其他的地方大。有一次，英国警方向铁路沿线各火车站发送电报，描述一名当天登上列车潜逃的杀人犯的外貌特征，沿线警察收到电报后很快便逮捕了这名罪犯。这件事成了那一天的头号新闻，人们纷纷议论：“电报真的比火车还快。”然而，库克和惠斯登发明的电报机需要用的电线太多，安装起来麻烦；而且磁针从开始摆动到稳定下来需要一定的时间，发报的速度尚不够快，辨读字母也常常会出错。
1838年，美国人莫尔斯（公元1791~1872年）发明了一种新的电报系统，使用时断时续的电流发送文字信息。这样发电报只需一条电线，而用大地作另一条电流的通路。莫尔斯用两种持续时间不同的电流信号组成不同的时间序列，以此分别代表不同的拉丁字母和阿拉伯数字，发报机发送的断断续续的电流信号，通过长长的电线流过收报机上的电磁铁线圈，嘀嘀嗒嗒时断时续地吸动铁片，铁片开合的时间恰与发报机送出的信号完全一致。如果在铁片上系一支铅笔，用钟表机构驱动1条纸带匀速地在铅笔下通过，纸带上就会清晰地留下发报员发送的点线组合笔迹，译电员可据此解读函件内容。当时，这种电报机每分钟可以发送10个字。
莫尔斯的发明，使电报信息由空间组合变为时间序列，解决了电报技术实用化中最大的难题。后来，人们把他发明的这种代表字母和数字的点线组合称为“莫尔斯电码”。这是人类在早期电报通信中运用得最成功的软件技术，直到今天，世界许多地方仍在使用它。
莫尔斯电码发明不久，人们很快便意识到电报对于国际交往的意义。1850年，英国工程师雅可布和布瑞特成功地铺设了穿越英吉利海峡的海底通信电缆，实现了英法两国之间的直接电报联系。这种前所未有的通信电缆以橡胶作为绝缘材料，紧紧地包裹导电性能良好的多股铜芯线和51根绞合在一起的钢丝，这种电缆可以承受大海的风浪冲击和自身的巨大重力。电报系统采用莫尔斯电码，电缆中用铜制成的芯线和海水，共同构成了传送信号的通路，这时，通信技术的新发明，已经发展成为浩大的工程。
1859年，法国人普朗泰（公元1834～1889年）发明了蓄电池，从此人们可以“储存”电能。
普朗泰将两片金属铅浸泡在稀硫酸中，用直流发电机的两条输出线与其相接，发电机输出的电流使它们发生电化学反应，变成一种可以自行产生电压的电池，普朗泰把这一过程叫作“充电”。充过电的蓄电池可以像伏打电池那样自动输出电流，储存的电用光之后还可以再充电。伏打电池只能使用一次，而普朗泰的蓄电池则可以反复使用。为了使这种发明实用化，普朗泰将妻子的天鹅绒裙剪下一大块，用它裹住一块铅板，然后外面再包上一块铅板，放入稀硫酸里浸透，随后将这些一起塞进瓶子，做成了最早的蓄电池。这件发明直到今天仍无太大改变，全世界所有的汽车都在使用这种蓄电池，潜艇悄无声息地在海底航行时，亦靠这种蓄电池储存的电能提供动力。
1867年，德国工程师西门子（公元1816~1892年）对皮克希的发电机进行实质性的改进，完成了发电机实用化进程中最重要的发明。他利用发电机自身发出的电供应电磁铁产生强大的磁场，发电机发出的电愈多，磁铁的磁场愈强，这促使发电机发出更多的电，令发电机的输出功率迅速增加。这种发电机被称为自激式发电机，即使用转速很不高的机器带动它，也可以产生很强的电流。
1873年，在奥地利维也纳举行的国际博览会上，由于工作人员疏忽，他们把西门子发明的两台自激式发电机的输出线连在了一起，当一台发电机转动起来后，另一台发电机也莫名其妙地转动起来，而且这种转动速度和力量超过了以往任何一台电动机。人们欣喜若狂，梦寐以求的大功率电动机居然意外地诞生了。技术人员临时搭建了一个表演厅，用人工瀑布驱动发电机，用它发出的电带动另一台用发电机改装的电动机，进而带动水泵喷出泉水。在这戏剧性的场景中，大功率发电机和电动机双双登场，它们被迅速地广泛应用于许多领域。从此以后，电以不容置疑的姿态进入工业社会。
1871年，移民到美国的意大利人梅乌奇（公元1808～1889年）发明了电话。电话的使用，大大地提高了人类活动的效率，相距千里的人们可以轻声细语交谈，每个人都可与世界保持联系。
梅乌奇早年在意大利佛罗伦萨学习机械工程。在担任舞台技师时，为了便于同事们相互联络，他曾发明一种很简便的通讯系统。后来他移居古巴，在研究电击疗法时发现，声音可以通过铜丝传导，这令他兴奋不已。1850年，梅乌奇移居美国，在纽约附近研究能够传播声音的机器。
梅乌奇的妻子瘫痪在床，他用自己研究成功的通讯系统，把妻子的房间与在隔壁的自己的实验室连接起来，以便随时照应妻子。1860年，他在纽约公开演示了这种“能够讲话的通信器”。梅乌奇不会讲英语、不善交际应酬，穷困潦倒无力把实验继续下去，他的妻子以6美元的价格，把他的通讯系统卖给了二手货商店。不久，梅乌奇又做了一个更加复杂的通话器，用电磁铁的舌形簧片感受声音引起鼓面皮膜振动，簧片位移引起线圈电流变化，变化的电流通过导线引起另一个远端的电磁铁上的簧片振动发出声音，这就是今天的电话。
1871年，梅乌奇为这项发明申请了美国专利，可是他付不起250美元的专利申请费，出于无奈，他把电话样机和技术资料交给了当时有名的西联电报公司，希望获得一笔合同，结果石沉大海，样机和资料均不知去向。几年后，曾与梅乌奇同在一个实验室工作的贝尔（公元1847～1922年），于1876年1月在美国申请了电话专利，并获得了西联电报公司的合同。同年3月，美国专利局批准了贝尔的申请，专利号为174465。为此，梅乌奇曾连续13年上诉，然而无人受理，梅乌奇于1889年含冤离开人世。
经过很长时间的调查，2002年6月，美国国会正式通过一项决议，认定梅乌奇才是电话的发明者，并在决议中谴责了贝尔。梅乌奇死后113年，真相才大白于天下。
1879年，美国人爱迪生和英国人斯旺（公元1828～1914年），分别发明了碳丝白炽灯。电灯开始取代油灯和煤气灯，从而减少了由于照明引起的污染和火灾。电灯使许多工厂能够日夜开工，使人们能够在室内长期从事精细的工作，使矿工在井下作业更加安全。有了电灯，人类开始改变“日出而作，日落而息”的生活方式，开始了用电照明的新纪元。
19世纪初，人们已经发明了电弧灯。但由于这种灯容易烧着东西，且发出的光太刺眼，价格昂贵又费电，因此一直没有进入普通人的家庭。但是，电照明的诱人前景激励人们继续探索。斯泰特曾经尝试用白金丝在玻璃泡中通电加热，在短暂的时间里，白金丝发出了明亮的白光，但是由于玻璃泡中有空气，灯丝很快便烧断。发明白炽灯很不容易，主要困难是必须抽去灯泡中的空气，找到在高温下能长时间发光的材料，这使得许多科学家放弃了这种探索。
有时科学家和发明家面临的问题有所不同。科学家努力探寻自然界隐秘的规律，发明家则要解决人类面临的实际问题。这造成了他们不同的气质和智慧。
白炽灯的发明，完全是两个普通人以非凡的毅力和耐心完成的。制造白炽灯，首先需要改进抽气机，当时抽气机还停留在18世纪研究大气压力的水平，没有人想办法抽掉容器中残留的空气，当时买到的抽气机都不好用。曾经发生过这样一件事：当爱迪生一筹莫展的时候，一位雇员兴冲冲地跑来告诉他：“可以乘热气球到达高空，那里空气稀薄，可以在气球上把灯丝封进玻璃泡里！”他让那位雇员马上去准备热气球，随后又紧紧锁住眉头说：“在那里怎么呼吸呢？”说完又重新投入抽气机的改进之中。后来他终于解决了抽气机漏气以及提高抽气效率的问题，使灯泡获得了必需的真空。
白炽灯的灯丝既要能导电，又必须有足够的电阻，而且还要在高温下不熔化、不变形。为了寻找适合做灯丝的材料，爱迪生做过6000多次试验，甚至有一次拔了来访的友人几根胡须当灯丝（当然也失败了，因为胡须的主要成份是蛋白质，加热就会烧掉）。最后他将中国折扇骨架上的竹丝炭化，最终做成了耐火的灯丝。1879年10月21日，爱迪生发明的电灯亮了13小时，后来他用炭化棉丝代替了竹丝，又用更耐用的炭化纸条代替棉丝，推出了他的白炽灯商业产品。
白炽灯发出的光明亮柔和，可以非常方便地照亮房间的每个角落，几乎克服了电弧灯所有的缺陷，人在这种没有油烟味的灯下活动，感觉非常舒服。白炽灯的出现，成为19世纪末美国和欧洲社会生活中最热门的话题之一，它标志着电可以进入每个家庭了。
1881年，英国建成第一座水力发电站，第一次把江河水流蕴含的能量直接转化为电能，这种能量可以方便地用两条金属导线将其传输到遥远的地方。第二年，爱迪生在美国纽约建成第一座火力发电站，用蒸汽机驱动发电机，将煤燃烧产生的热能转化成电能。这座电站功率500千瓦，主要为城市照明供电。尔后，城市开始出现像蜘蛛网一样的电线，而电主要用于电灯和电动机。这时，发电、输电和用电，已开始形成社会化服务体系，能源和用户实现了空间上的分离。
1883年，瑞典人德拉瓦尔（公元1849～1913年）发明汽轮机，利用高温高压蒸气直接驱动叶轮转动，它的运转速度高得惊人，每分钟可达1万8千转。汽轮机的转轴和发电机相连，能够充分利用煤的热能提高发电效率。从此人们可以用煤产生廉价的电力，电开始进入越来越多的领域，蒸汽机逐渐退出历史舞台。
1888年，法国人勒普兰斯发明了电影，从此世界上产生了一个令人瞩目的新行业。这个行业专门生产人类活动的影像，这些影像可以像货物一样“搬运”到世界上任何地方，并且随时可供人们观看。这些影像有故事，有大自然的奇观，有的记录真人真事，还有形形色色的艺术。勒普兰斯充分利用人类的视觉暂留效应，使画面在电灯投射出的强光中不间断地变换，在观众视觉中造成连续运动的印象，创造了电影这种不可思议的技术。巴西的一位皇帝第一次看到电影的时候，惊讶地说：“它简直是光和电写成的历史！”
勒普兰斯在发明电影之后的第二年失踪，此后下落不明。
电影是电赠送给人类的一件意外的礼物，人类从未奢望要得到它。
1895年，一位年轻的意大利人马可尼（公元1874～1937年）发明了无线电通信技术。从此，携带人类信息的电磁波开始在空间自由旅行，人们不必依赖电线，就可以在遥远的地方互通信息，还可以借助电磁波获得大自然的信息。
拥有一半爱尔兰血统的马可尼出生在一个富有的家庭，13岁时进入意大利一所普通的技术学院，他对科学实验具有浓厚的兴趣。1894年，马可尼在度假期间，从他的老师为赫兹写的讣告中知道了电磁波。一种强烈的内心冲动使他立即返回家中，将自家楼顶的小房间用做实验室，请弟弟当助手，开始进行电磁波通信的实验研究。
赫兹在1888年发现电磁波时，发射机与接收机之间的距离只有几米远，当时在实验室中产生的电磁波特性与光很相近，在专门研究电磁波的学者中很少有人尝试把它应用于通信。在这个全新的领域，马可尼遇到了3个难题。第一是电磁波接收器的灵敏度很低，收不到微弱信号；第二是电磁波难以绕过障碍物；第三是发射机的信号在周围迅速衰减，不能到达远方。
当时，人们已不再使用火花放电的方法检测电磁波，而是改用法国科学家布兰利1890年发明的“金属粉检波器”。这种“检波器”是一种填充金属粉末的小玻璃管，两头各有一条引线，当有电磁波时，金属粉末颗粒就会紧紧地靠在一起，使电阻减小；如果通过它使电池与电铃相连，那么在探测到电磁波时，金属电铃就会铃声大作。但是这种“检波器”一旦接收到电磁波信号，粉末就不再松开，因而无法区分莫尔斯电码的信息。马可尼设法使莫尔斯电码产生的电流通过电磁铁线圈，电磁铁会短暂地吸动一个小锤轻轻敲击“检波器”，这样每次收到信号，粉末就会自动松开以连续接收莫尔斯电码。同时，马可尼还改进了这种“检波器”，用镍粉替代锌粉，显著地提高了“检波器”的探测灵敏度。他为赫兹用过的那种发射机加上两块铁板，降低电磁波的频率，使它能够绕过地面的障碍物逐渐增大通信距离。1895年9月， 当马可尼试图拉开两块铁板之间距离的时候，发现通信距离显著增加，于是他干脆把一块铁板插到地上，在另一块铁板上竖起一根长长的导线，这使通信距离达到了2000米。采用这种单独竖直向上的导线，是马可尼的创举，他把它叫做“天线”。
天线成为无线电通信技术突破的关键，它既可使发射机的信号传向远方，又可汇集空间的电磁波信号，显著地提高接收机的灵敏度。
当马可尼在父亲的陪伴下到意大利邮政部长官邸请求支持的时候，这位部长说：“意大利不需要无线电。”1896年，马可尼在母亲的陪伴下，带着他的无线电收发报机来到英国。当时英国正为寻找有效的海上通信方式发愁，邮电部门热情地支持了马可尼的研究。1899年，马可尼实现了跨越英吉利海峡的无线电通信，海峡的宽度为45千米。
马可尼表示下一步将努力实现欧洲和北美大陆之间越过大西洋的无线电通信。一位大学教授十分不以为然地说：“这是不可能的。电磁波像光一样传播，它不可能越过大西洋弧形海面凸起的230千米高度，除非在很高的高空悬挂一面与大西洋一样大的镜子，让它把电磁波从英国反射到美洲去。”马可尼没有理会，继续改进他的天线、发射机和接收机，他在英国康沃尔海边建造了一座高57米的发射塔，而后又匆匆赶往加拿大的纽芬兰，在面向大西洋的海港山顶建造一个接收站，用风筝把接收天线升高至400米处。1901年12月12日，马可尼收到了从大西洋彼岸发来的清晰的莫尔斯电码。20年之后，人们才知道大西洋上空确实有一面“大镜子”，这就是电离层。
人类大约用100年的时间铺平了通往电气时代的道路，也为现代科学技术的诞生准备了最必需的知识基础和物质条件。在这个世纪，人类的生产方式和生活方式再次发生了巨大的变革，出现了不可胜数的新事物。
电的真正魅力在于，它为人类提供了一种传输和控制能量最理想的方式，使人类获得了一种以光速传输信息的载体。能量和信息是人类活动永恒的主题，电将长久地陪伴人们生活在这个美丽的星球上。 |
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