Phần lớn các hiện tượng trong tự nhiên đều có liên hệ với sự biểu hiện của một tính chất đặc biệt của các vật vĩ mô do các hạt đó tạo thành – đó là sự có mặt của điện tích ở trong chúng. Các hiện tượng đó gọi là hiện tượng điện và hiện tượng từ.

Nghành khoa học điện từ có thể nói là nghành cơ bản hoàn chỉnh cuối cùng của Vật lý học cổ điển. Nhưng những hiểu biết của con người về điện và từ có thể nói là rất sớm.

Người Hylạp cổ đã làm quen với những hiện tượng điện rất sớm, khoảng 4500 năm về trước, tức là khoảng thiên niên kỷ thứ III trước Công Nguyên. Những hình ảnh của cá nheo điện (loài các sống ở thượng nguồn sông Nil) trên tượng đất ở Xoka đã chứng minh điều này. Họ cũng biết được rằng hổ phách khi cọ xát có khả năng thu được điện tích và hút được các vật nhẹ. Đócó thể là phát hiện của Phalet Mile.

Các thầy thuốc khoảng năm 600 trước Công Nguyên chính là những người sử dụng “điện” trong thực tế sớm hơn cả. Thầy thuốc nổi tiếng của Roma Ch’Galie đã dùng điện của một con Rái cá biển để chữa bệnh cho con người. Ở Địa Trung Hải, người Roma biết về một loại cá đuối tương đối lớn có cách kiếm ăn rất kỳ lạ: Không đuổi theo con mồi, cũng không nhảy ra từ chổ nấp mà chúng chỉ nằm yên một chỗ chờ con mồi đi ngang qua, lập tức con mồi run rẫy lên và chết trong nháy mắt. Người Roma cho rằng những con cá này đã tiết ra “một chất độc” nào đó vào con mồi làm cho nó chết ngay. Họ xem “chất độc” này là một liều thuốc hữu hiệu để chữa bệnh nên tìm cách bắt và đem loài cá này về nuôi. Đó chính là những hiểu biết đầu tiên của con người về điện.

Cùng lúc đó con người cũng đã biết về từ.

Thế kỷ III trước Công Nguyên, người Trung Quốc đã biết tính chất hút đẩy của nam châm và đã sử dụng nam châm như một la bàn. Mặc dù rằng chiếc la bàn đầu tiên có cấu tạo rất đơn sơ, nhưng nó đã có ích lợi cho con người trong việc xác định phương hướng. Sự tiến bộ của người Trung Quốc không chỉ vì họ phát hiện được đặc tính cơ bản của nam châm mà ở chỗ họ đã biết sử dụng nó, biết vận dụng nó vào đời sống dù rằng họ chưa thể biết được tại sao lại như vậy.

Khi phát hiện ra được những hiện tượng điện và từ, vấn đề đặt ra cho con người là : Chúng xảy ra như thế nào, bản chất ra sao và chúng có liên hệ gì với nhau hay không?

Đó qủa thật là một vấn đề hết sức phức tạp, một câu hỏi hóc búa sẽ làm đau đầu các nhá bác học của biết bao thế hệ! Ngay cả các nhà bác học thời cổ đại cũng đã bắt tay vào nghiên cứu. Điển hình là Thalet (624 – 547 TCN), nhà toán học cổ Hylạp và nhiều nhà bác học của các thời kỳ liền sau đó.

Mãi cho đến thế kỷ XIII, đã có một số nghiên cứu lý thuyết về điện và từ. Đó là công trình “bàn về nam châm” của Pierre Pelerine De Maricourt đã đặt cơ sở cho Từ học và phương pháp thực nghiệm. Ông công bố tác phẩm này vào năm 1269, đánh dấu sự nghiên cứu lý thuyết đầu tiên về hiện tượng từ mặc dù nó đã được mô tả trước đó bởi một người Anh là Alexander Neckam, (1157 – 1217).

Lúc bấy giờ, khi tham gia quân đội của Charles xứ Angle, P.De Maricourt đã giải thích cách xác định các cực của nam châm, cách gây ra từ tính ở một miếng sắt bằng cách cọ xát nó với một nam châm và mô tả sự đẩy giữa các cực giống nhau, cũng như thí nghiệm về “nam châm bẽ đôi”. Các quan điểm của ông vẫn còn mang dấu ấn của học thuyết Aristote : hiện tượng cảm ứng từ ở sắt được ông giải thích là do nam châm đã “thực tế hóa” hiện tượng từ tồn tại ở sắt dưới dạng “tiềm năng”. Trong khi nghiên cứuđịnh hướng của kim địa bàn, ông cho rằng : Sự định hướng đó là do sự tích tụ của các quặng sắt có từ tính ở cực Bắc. Ông cũng mô tả chính xác các địa bàn có trục thẳng đứng hoặc kim nam châm nổi đặt ở tâm một bảng chia độ có 360 độ chia. Như vậy, P.D.Maricourt đã đưa ra được cách giải thích về sự lệch của các kim nam châm và phần nào nói đến địa từ.

Tuy nhiên hiện nay có nhiều cách giải thích khác nhau về địa từ nhưng cách giải thích của ông đã rất tiến bộ trong thời kỳ này. Nhưng thật đáng tiếc, Maricourt sống một cách cô lập và tác phẩm của ông không hề được sử dụng xứng đáng với giá trị của nó. Điều đó chúng ta cũng dễ hiểu bởi vì ông sống vào thời điểm khắc nghiệt nhất của giai đoạn gọi là “ Đêm trường trung thế kỷ”.

Cũng ở thế kỷ này, chiếc la bàn hoàn chỉnh đã ra đời và nó được sử dụng rộng rãi vào nghành hàng hải ở phương Đông và Địa Trung Hải.

-Trang Sỹ Dũ

Như vậy, hiện tượng điện từ đã được con người biết đến từ rất lâu đời và họ cũng đã đặt vấn đề nghiên cứu nó. Nhưng gần hơn 4000 năm liên tục, nó không phát triển được gì ngoài những nghiên cứu độc lập của Thalet, D.Maricourt. Trong suốt khoảng thời gian ấy, con người cũng chỉ biết được một điểm chung duy nhất của điện và từ đó là “ điều bí ẩn” của tự nhiên, không thể giải thích nổi.

Chúng ta cũng nhớ lại rằng, thời kỳ từ thế kỷ thứ III trước Công Nguyên đến tận thế kỷ XV là thời kỳ thống trị của Thiên Chúa giáo dựa trên những giáo điều hạn chế và tư tưởng của “vị thần” Aristote. Con người chỉ tin vào nhưng điều mà Aristote nói, họ xem đó là chân lý của tự nhiên. Chính vì thế, cũng như các ngành khoa học khác, Điện từ học không tiến triển được gì hơn. Quan niệm của con người về điện và từ ở thế kỷ XV – XVI không khác gì lắm so với con người thời cổ đại.

Mãi đến thế kỷ XVII, điện và từ mới có sự biến đổi trong quan niệm con người. Thời kỳ này, Thiên Chúa giáo đã nhìn thấy được những sai lầm trong giáo điều của mình, họ đã có thiện cảm với những điều chỉnh hợp lý hơn và bắt đầu có thiện cảm với những phát minh khoa học, điều đó là một liều thuốc kích thích mạnh mẽ nhất cho các nhà bác học bước vào lĩnh vực nghiên cứu.

Với sự ra đời Vật lý học thực nghiệm mà cha đẻ ra nó là nhà bác học thiên tài người Ý Galileo (1564-1642). Ông đã đặt nền móng và tầm quan trọng của thực nghiệm trong Vật lý học. Dựa vào đó, khoa học đã có bước tiến đáng kể chỉ trong thời gian ngắn sau đó. Đặc biệt là cơ học Newton đã thành công rực rỡ. Khi ấy, điện, từ thu hút được sự chú ý của nhiều nhà bác học, song cũng chưa có gì phát triển đáng nói ngoài công trình đặc biệt có ý nghĩa quan trọng của Gilbert vào đầu thế kỷ XVII.

Năm 1600 William Gilbert (1540-1603) người Anh đặt cơ sở ban đầu cho Điện từ học. Lần đầu tiên ông tập hợp tất cả các kết qủa nghiên cứu được về điện và từ trước đó, cùng với những nghiên cứu của mình, Gilbert cho ra đời tác phẩm “Nói về nam châm, các vật thể có từ tính và khối nam châm khổng lồ của trái đất”.

Trước Gilbert, người ta cho rằng các cực của kim nam châm hướng về các cực của trời. Trong tác phẩm của mình, Gilbert cho rằng trái đất chính là một nam châm khổng lồ, và kim nam châm của la bàn hướng về cực của trái đất vì bị cực đó hút giống như các cực của các nam châm hút nhau.

Điều này đã được P.D.Maricourt nói đến trong tác phẩm “Bàn về nam châm”, nhưng có điều khác biệt Gilbert đã không dựa trên nền tảng là học thuyết của Aristote.

Trong tác phẩm của mình, Gilbert cho rằng cực Bắc của trái đất gần đúng là từ cực âm và cực Nam gần đúng là từ cực dương. Chúng ta cũng nên hiểu rằng, âm – dương chỉ là sự quy ước, nhưng một khi quy ước đó được xác định thì chúng cho phép chúng ta xác định tên các cực trong bất kỳ trường hợp nào khác. Một kim nam châm đặt trên một trục thẳng đứng cũng tuân theo một quy luật. Tức là chiếc kim đó hướng cực dương của nó về phía cực Bắc, nghĩa là cực âm của trái đất. Còn cực âm thì hường về phía cực Nam của trái đất. Chính điều đó đã tạo cho chiếc la bàn một điều kỳ diệu trong việc xác định phương hướng của con người.

Gilbert cũng tự chế tạo một nam châm hình cầu mà ông gọi là “Terralla” (trái đất nhỏ) bằng cách đẻo một qủa cầu bằng quặng từ tính. Và ông đã nghiên cứu tương tác của một kim nam châm nhỏ với “Terralla” đó. Nhưng ông đã lầm lẫn khi coi các cực của “terralla” cũng là các địa cực. Chính điều này khiến Gilbert gặp bế tắc khi có người hỏi “Kim nam châm chỉ như thế nào khi ta cho địa bàn đến một trong hai cực của trái đất?” và Gilbert đã trả lời không chính xác. Ngày nay, ta biết rằng địa cực nằm lệch với cực của trái đất, chứ không trùng như Gilbert đã trình bày. Và nếu như kim nam châm được đặt tại cực Bắc thì cả hai đầu kim nam châm đều chỉ về hướng Nam. Điều đó cũng dễ hiểu, bởi vì nếu ta đang ở cực Băc, nếu đi dọc theo kinh tuyến thì bất kỳ kinh tuyến nào cũng dẫn ta về cực Nam. Và khi đưa kim nam châm về cực Nam thì chắc chắn, cả hai cực của kim nam châm đều chỉ về hướng Bắc.

Một điểm đáng lưu ý là Gilbert thấy được rằng không thể tách rời hai cực của một nam châm khi bẻ gãy chúng mặc dù bản chất của hiện tượng còn chưa rõ. Đặc biệt là Gilbert chứng minh được điều này bằng thực nghiệm, ông tiến hành thí nghiệm như sau:

Treo một thanh nam châm nằm ngang tại một điểm giữacủa nó. Đưa một thanh khác lại gần và ông nhận thấy có sự tương tác giữa hai thanh này. Khi đưa dọc từ đầu này đến đầu kia thì thấy lực tương tác giảm dần khi đi vào giữa điểm treo. Và tại điểm treo không có tương tác, đó chính là vị trí phân chia hai cực của nam châm. Tiếp theo là ông thí nghiệm với thanh nam châm bị bẽ gãy làm hai phần bằng nhau, thì thấy kết qủa cũng tương tự như trên. Như vậy, ông kết luận rằng không thể tách rời hai cực của một nam châm.

Không chỉ thế, Gilbert chứng minh được rằng không những hổ phách mà còn nhiều chất khác nữa cũng hút các vật nhỏ khi bị cọ xát như : kim cương, xi gắn diêm sinh, phèn chua…Vàông gọi chúng là những “vật điện”, còn những vật không có tính chất đó thì ông gọi là “ vật không điện”.

Gilbert còn nhận thấy, các lõi sắt sẽ tăng cường được tác dụng từ và nhận xét được cảm ứng điện từ, điều đó ở thế kỷ XIX được Faraday chứng minh bằng thực nghiệm.

Có thể nói Gilbert là người đầu tiên nghiên cứu các hiện tượng điện và từ một cách có hệ thống và tương đối kỹ lưỡng .Ông đã dùng thực nghiệm để chứng minh những điều mình đưa ra. Chính những điều đó đã đưa tác phẩm của Gilbert trở thành một mốc quan trọng của lịch sử phát triển Điện từ trường. Nhưng khi so sánh các hiện tượng điện và từ ông đã đi đến một kết luận: ”chúng hết sức khác nhau và không có liên quan gì đếnnhau cả”. Quan niệm này đã đứng vững trong khoa học suốt 200 năm, cho đến khi Oersted phát minh ra sự tương tác của dòng diện lên kim nam châm.

Mayer (1814- 1878) là bác sỹ y khoa làm việc trên một tàu viễn dương. Trong một chuyến đi dài ngày từ châu Âu đến đảo Giava, ông đã chú ý đến hiện tượng đặc biệt: khi chích máu nhiều lần cho các bệnh nhân lúc tàu đi qua các miền nhiệt đới, ông nhận thấy máu lấy từ tĩnh mạch có màu đỏ gần giống với máu lấy từ động mạch. Ông kết luận rằng sự chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể người và môi trường phải có mối quan hệ số lượng với sự chênh lệch màu sắc giữa máu tĩnh mạch và máu ở động mạch. Sự chênh lệch về màu sắc đó thể hiệnmức độ nhu cầu của cơ thể về ôxi, tức là mức độ quá trình cháy diễn ra trong cơ thể.

Ở thời Mayer, người ta cho rằng những quá trình sinh lý diễn ra trong cơ thể sống không xảy ra theo những định luật về vật lý và hoá học, vì chúng chỉ phụ thuộc vào nguồn “sinh lực” bí hiểm. Bằng những quan sát của mình, Mayer muốn chứng minh rằng cơ thể sống cũng tuân theo sự bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Năm 1841, sau chuyến đi biển, ông viết một công trình đề : “Về việc xác định các lực về mặt số lượng và chất lượng”, và gởi tới tạp chí “ Biên niên vật lý học”. Poghendoc, tổng biên tập tạp chí, đã không đăng bài đó cũng không trả lại bản thảo cho tác giả. Ba mươi sáu năm sau,người ta lại tìm thấy bài báo này trên bàn giấy của Pôghendoc, khi ông đã chết.

Trong bài báo đó, với những lập luận chưa rõ ràng, không có thí nghiệm, không có tính toán định lượng, ông nói về những “lực không thể bị huỷ diệt”. Ở phần kết, ông viết “ Chuyển động, nhiệt và cả điện nữa, như chúng tôi dự định sẽ chứng minh sau này, là những hiện tượng mà có thể quy về cùng một lực, có thể đo được cái này bằng cái kia, và chuyển hoá cái nọ thành cái kia theo những quy luật nhất định”. Ở đây chưa phát biểu lên một định luật nào nhưng đã toát lên được một dự cảm rõ nét về một định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Poghendoc đánh giá đó là một bài báo mang tính triết học chung chung.

Năm 1842, Mayer gửi công trình thứ hai mang tên “Nhận xét về các lực của thế giới vô sinh” đăng trên tạp chí “ Biên niên hoá học và dược học”. Ông đưa ra lập luận chung: “lực” là nguyên nhân gây ra mọi hiện tượng, mỗi hiện tượng đều là một hiệu quả nào đó của những hiện tượng nào đó trước nó, và cũng là những hiện tượng nào đó sau nó. Trong chuỗi vô hạn các nguyên nhân và hiệu quả, không có số hạng nào có thể bị triệt tiêu, và do đó “lực” không thể bị huỷ diệt. Sau đóMayer phân tích sự chuyển hoá “lực rơi”( thế năng) của một vật thành “hoạt lực”(động năng) của nó, sự chuyển hoá “hoạt lực” thành“lực rơi”, hoặc “hoạt lực” thành nhiệt. Ông kết luận “ Lực là những đối tượng không trọng lượng, không bị huỷ diệt, và có khả năng chuyển hoá”. Như vậy, định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng lúc này đã được Mayer phát biểu một cách rõ ràng.

Sau đó, dựa vào hệ thức giữa nhiệt dung đẳng áp và nhiệt dung đẳng tích của một chất khí C_P- C_V =R, Mayer đã tính ra đương lượng cơ của nhiệt là 365 kGm/kcal (con số chính xác ngày nay đo được là 4,19 J/cal =427 kGm/kcal). Ông rút ra kết luận: “Việc thả cho một đơn vị trọng lượng rơi xuống từ độ cao 365m ứng với việc làm nóng một lượng nước có trọng lượng bằng như thế nóng lên từ 0⁰ đến 1⁰. Như vậy, Mayer đã chỉ ra phương pháp xác định đương lượng cơ của nhiệt bằng thực nghiệm. Từ đó, Mayer đã nêu ra rằng hiệu suất của các máy hơi nước là hết sức thấp, phải tìm ra cách để biến nhiệt thành công một cách có hiệu quả hơn.

Năm 1845, Mayer hoàn thành một công trình mới: “Chuyển động hữu cơ trong mối liên hệ với sự trao đổi chất”. “Biên niên hoá học và dược học” không nhận đăng bài này, vì đang cần đăng nhiều ông trình mới về hoá học. Mayer quyết định tự xuất bản công trình này thành một quyển sách nhỏ. Ông tìm cách vận dụng những tư tưởng cơ học vào sinh học. Ông nêu rằng “ lực” là nguyên nhân của mọi chuyển động, “hiệu quả cơ học”(cơ năng) bao gồm “lực rơi” và “hoạt lực”, và “nhiệt cũng là một lực”, nó có thể biến thành hiệu quả cơ học. Ông tính lại đương lượng cơ của nhiệt là 367 kGm/kcal. Khi khảo sát các hiện tượng điện và từ, ông nêu rằng “sự tiêu hao hiệu quả cơ học có thể gây ra lực căng điện hoặc lực căng từ”. Trong phần kết luận, ông viết :“ Thiên nhiên tự đặt cho mình một nhiệm vụ chặn bắt ánh sáng của mặt trời đang chảy liên tục đến trái đất, và tích luỹ các lực cực kì linh hoạt ấy, đưa nó về trạng thái bất động. Để đạt được mục đích ấy, thiên nhiên bao phủ trái đất bằng những cơ thể mà khi sống chúng hấp thụ ánh sáng mặt trời, và khi sử dụng lực Mặt trời đó thì làm nảy sinh một lượng hoá họcđược đổi mới liên tục. Các cơ thể đó chính là các loài thực vật”. Như vậy, Mayer đã nêu được vai trò của cây xanh trong việc chuyển hoá năng lượng của vũ trụ bằng sự quang hợp.

Trong ba công trình nói trên, Mayer đã nêu lên được tư tưởng tổng quát về bảo toàn và chuyển hoá năng lượng, đã phân tích những trường hợp cụ thể về việc chuyển hoá năng lượng, đã tìm ra một cách tính đương lượng cơ của nhiệt, và nêu lên được bức tranh tổng quát về chuyển hoá năng lượng trong vũ trụ. Không may cho ông, công trình thứ nhất của ông đã không được công bố, công trình thứ hai in trên một tạp chí không được các nhà vật lý đọc đến, vì lúc đó ông chưa là một nhân vật có tên tuổi. Mộtsố nhà khoa học khác không biết đến công trình của ông, đã nghiên cứu theo cách riêng của mình và cũng đã đi đến những kết quả tương tự. Trong hoàn cảnh đó, một số nhà khoa học có đầu óc hẹp hòi, cục bộ, muốn giành vinh quang cho “người đằng mình”, đã khơi lên một cuộc tranh cãi ồn ào vềquyền ưu tiên phát minh, và gọi Mayer là kẻ hám danh, là kẻ cướp công người khác,…Mayer bị một cú sốc quá lớn, và lúc thần kinh quá căng thẳng, ông đã nhảy qua cửa sổ định tự tử vào năm 1850. Ông đã được cứu sống, nhưng đã bị thọt và mang tật suốt đời.

Các nhà vật lý đã rất công bằng, đã công nhận ông là người đầu tiên phát minh ra định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng, và để ghi nhớ công ơn của ông đối với vật lý, người ta đặt hệ thức C_P- C_V =R là “phương trình Mayer”.