學測物理（下）：電磁、能量與量子

01　電與磁
 
磁石吸引含鐵物質的觀察可以追溯到西元前六世紀的希臘哲學家泰勒斯，而磁的英文名稱「magnetism」也是由最早發現磁石的希臘麥格尼西亞（Magnesia）而來。
 
公元前一世紀，西漢時代也有提到磁石的記載。後來公元一世紀，東漢王充觀察到：「頓牟掇芥，磁石引針。」白話文就是摩擦後的琥珀能吸引草芥，而磁石能吸引鐵針。這也是最早同時描述電力與磁力這兩種基本作用力的文獻之一。但當時沒有注意到電力與磁力兩者之間的關聯性。
 
相對於較早開始的電學研究，磁學研究感覺上就神祕許多，《X 戰警》裡中的「萬磁王」(Magneto) 的力量被想像成如此強大且迷人。到了法拉第手上，他發現了電磁感應（電學與磁學互有關聯）。因此，他也被稱為「電機之父」。沒有電磁感應的發現，我們就發明不了發電機、馬達⋯⋯等各種有用的機械，也就不會有當代工業。話說回來，電磁學看似複雜，但卻又可以馬克士威的的四條簡潔方程式描述；更進一步，光也可以被視為一個由震盪電場及震盪磁場交織組合而成的電磁波。因此，現在正夯的光通訊、光運算科技，都可以奠基於電磁學。
 
1-1　電流的磁效應
 
早期的磁學研究，多是以本身具有磁力的磁石作為探究標的。如1269 年，法國學者皮埃．德馬立克寫出歷史紀錄上第一本研究磁石性質的《磁石書》（Epistola demagnete）。他研究磁石產生磁場的方法到現在還是被廣泛的使用：用會被磁場影響的鐵針，在塊型磁石附近各個位置移動；並記錄鐵針的方向。再依照這些紀錄，描繪出多條磁場線。進一步，他觀察到這些磁場線由磁石的相反兩端出發，與地球的經線類似。所以，比照地球南（S）北（N）極的命名方式，將這兩個磁場線出發處稱為「磁極」。磁場（力）線通常畫成一個封閉曲線，在磁鐵外部，是由N → S；磁鐵內部，則是由S → N。