Важную роль в создании современных физических теорий сыграли исследования ученых прошлого в области электричества и магнетизма. Два с половиной тысячелетия изучения электрических и магнитных явлений увенчались в конце XIX в. фундаментальными работами Джеймса Клерка Максвелла и Хендрика Антона Лоренца. Основной вклад Максвелла состоял в создании системы математических уравнений, которые описывают взаимную связь электрических и магнитных полей, изменяющихся во времени и пространстве. Лоренц сумел выявить механизм возникновения этих полей, о котором прежде лишь строили различные догадки. Согласно Лоренцу, некоторые частицы обладают электрическим зарядом.
Даже находясь в покое, на расстоянии друг от друга, такие частицы взаимодействуют между собой посредством создаваемых ими полей, силы этого взаимодействия называются электрическими. Когда же частицы движутся, помимо электрических возникают еще и магнитные силы. Электрические заряды бывают двух видов: положительные и отрицательные, причем заряды различного знака действуют на одну и ту же заряженную частицу с противоположно направленными силами. Поэтому, если какое-либо тело содержит одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, в целом оно оказывается электрически нейтральным, и создаваемые им электрические силы невелики. Однако в электрически нейтральном теле заряженные частицы могут двигаться по-разному, и некоторые тела (например, постоянные магниты) создают магнитные эффекты, находясь в покое. Согласно теории электромагнетизма, суммарный электрический заряд системы должен оставаться неизменным, что бы ни происходило с несущими его частицами.
Это утверждение называется законом сохранения заряда. Когда, например, путем трения создается некоторое количество положительного заряда, одновременно должно образовываться равное количество отрицательного заряда. Это заставило ученых предположить, что до разделения заряды присутствуют в веществе в связанном виде. После того как заряды разделены, они могут свободно перемещаться. Движущиеся заряды и есть не что иное, как электрический ток, величина тока, создаваемого движущимся зарядом, пропорциональна произведению величины заряда на скорость его движения.
С этой точки зрения электрическую энергию, которая, как мы уже видели, может превращаться в кинетическую или тепловую, можно рассматривать просто как энергию взаимодействия движущихся зарядов. Здесь энергия взаимодействия зависит уже не только от расстояния между зарядами (как это было для неподвижных зарядов), но и — вследствие наличия магнитных сил — от скорости их движения. Энергия электрического тока по существу является электромагнитной, т. е. как электрической, так и магнитной, но использованный нами термин слишком укоренился, так что мы не будем изменять его. В соответствии с уравнениями Максвелла электрические и магнитные поля представляют собой лишь разные стороны одного и того же явления, называемого электромагнетизмом, и поэтому между ними имеется тесная взаимосвязь.
Работы Максвелла и Лоренца дали законченную картину электромагнитных явлений. Оставался нерешенным только один ключевой вопрос: как связаны между собой электрические заряды и другие формы материи? Ответ на этот вопрос был получен, когда удалось установить, что обычное вещество состоит из электрических зарядов, прочно связанных в атомах электрическими силами, благодаря чему в обычных условиях вещество в целом оказывается электрически нейтральным.
