電磁學的發(fā)展--講課.ppt

“自從牛頓奠定理論物理學基礎以來，物理學的公理基礎換句話說，就是我們關(guān)于實在結(jié)構(gòu)的概念最偉大的變革，是由法拉第和麥克斯韋在電磁學方面的工作所引起的?！?愛因斯坦,第四講 電磁學的發(fā)展,伽利略和牛頓所取得如此偉大成就，是因為他們把科學思維和實驗研究很好地結(jié)合在一起，為力學的發(fā)展開辟了一條正確的道路。,電學、磁學構(gòu)成了經(jīng)典物理學的另一重要分支。隨著一個個電磁學研究成果的取得，企圖把全部物理學歸納為力學的機械論觀點宣告徹底失敗。,電磁學發(fā)展史中的典型事件,歷史概述,電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象很早受人類注意，留下了許多文字記載。在17世紀前，大多數(shù)是觀察和零碎的知識，到17世紀后才有一些系統(tǒng)的研究，而定量的研究則更晚。18世紀中葉以后，磁力和電力的平方反比定律相繼發(fā)現(xiàn)，靜電學和靜磁場開始沿牛頓力學的發(fā)展登上科學的舞臺。18世紀末，隨著電堆的發(fā)明，人們有可能人為地產(chǎn)生和控制電流。19世紀，電流的磁效應、化學效應、熱效應相繼的發(fā)現(xiàn)，其規(guī)律得到了定量的表述，電學和磁學得到了和諧統(tǒng)一的發(fā)展，建立了統(tǒng)一的電磁理論，并證實了電磁波的存在。,本講將涉及下面一些科學家以及他們的重大發(fā)現(xiàn)，他們是：庫侖、奧斯特、安培、法拉第和麥克斯韋等。,庫侖,奧斯特,安培,法拉第,麥克斯韋,Electricity（電）來自希臘文的“琥珀”。 中國古代，早在公元前3世紀，古書韓非子就記載司南；呂氏春秋記有慈石召鐵。西漢末年（公元20年）有玳瑁吸細小物體。 系統(tǒng)研究始于17世紀。1600年，英國醫(yī)生吉伯（1544-1603）發(fā)表了論磁、磁體和地球作為一個巨大的磁體，吉伯的工作是磁學成為物理學的一個分支。,4.1 靜電和靜磁現(xiàn)象的研究,一、靜磁和靜電現(xiàn)象的早期研究,中國古代的貢獻：最早文字記載“雷”、“電”，發(fā)明指南針等。 最早總結(jié)前人對電磁研究的大量經(jīng)驗， 討論電磁體性質(zhì)的英國醫(yī)生吉爾伯特，他 斷言：電與磁是兩種不同的現(xiàn)象。,相比靜磁現(xiàn)象，靜電研究困難得多。 直到第一臺摩擦起電機發(fā)明后，對靜電 研究才迅速開展起來。,吉爾伯特,1660年，蓋里克（1602-1668）發(fā)明摩擦起電機。 蓋里克的摩擦起電機實驗被許多人重復，人們紛紛仿照他的方法做靜電實驗，1705年豪克斯比（1666-1713）用空心玻璃球代替硫磺球，發(fā)現(xiàn)效果一樣。 1720年，格雷（1675-1736）研究了電的傳導現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)導體和絕緣體的區(qū)別。隨后，他又發(fā)現(xiàn)了導體的靜電感應現(xiàn)象。 1773年杜菲（1698-1739）經(jīng)過實驗區(qū)分出兩種電荷，他分別為松脂電（負電）和玻璃電（正電），并總結(jié)出靜電作用的基本特性：同性相斥，異性相吸。 萊頓瓶的發(fā)明使電現(xiàn)象得到更深入的研究，這是克萊斯特和馬森布落克在1745-1746年分別做出。,二、富蘭克林對雷電現(xiàn)象的研究,1.富蘭克林(1706-1790): 美國人 在全家10個孩子中排行8，其父是小手工業(yè)者，家境貧困。他在10歲時綴學，12歲當印刷所學徒，閱讀了許多書籍，和幾個青年創(chuàng)辦了“共讀社”，后來成為科學家和政治家。自己寫的墓志銘:“印刷工富蘭克林”。,從蒼天那里取得了雷電，從暴君那里取得了民權(quán)。杜爾格（法）,2.費城實驗 1746年，一位英國學者在波士頓利用玻璃管和萊頓瓶表演了電學實驗。富蘭克林懷著極大的興趣觀看了他的表演，并被電學這一剛剛興起的科學強烈地吸引住了。隨后富蘭克林開始了電學的研究。富蘭克林在家里做了大量實驗，研究了兩種電荷的性能，說明了電的來源和在物質(zhì)中存在的現(xiàn)象。在十八世紀以前，人們還不能正確地認識雷電到底是什么。當時人們普遍相信雷電是上帝發(fā)怒的說法。一些不信上帝的有識之士曾試圖解釋雷電的起因，但都未獲成功，學術(shù)界比較流行的是認為雷電是“氣體爆炸”的觀點。,富蘭克林當時已40歲時，對電很有興趣。其中有一個想法，天上的電和地電是統(tǒng)一的嗎? 他經(jīng)過反復思考，斷定雷電也是一種放電現(xiàn)象，它和在實驗室產(chǎn)生的電在本質(zhì)上是一樣的。于是，他寫了一篇名叫論天空閃電和我們的電氣相同的論文，并送給了英國皇家學會。但富蘭克林的偉大設想竟遭到了許多人的嘲笑，有人甚至嗤笑他是“想把上帝和雷電分家的狂人”。 富蘭克林決心用事實來證明一切。1752年6月的一天 ，一個電閃雷鳴的上午，他將一個風箏放到空中，風箏下有一根鐵絲，鐵絲下栓一根麻繩，當一道閃電從風箏上掠過，富蘭克林用手靠近風箏上的鐵絲，立即掠過一種恐怖的麻木感。,他抑制不住內(nèi)心的激動，大聲呼喊：“威廉，我被電擊了！”隨后，他又將風箏線上的電引入萊顧瓶中。回到家里以后，富蘭克林用雷電進行了各種電學實驗，證明了天上的雷電與人工摩擦產(chǎn)生的電具有完全相同的性質(zhì)。富蘭克林關(guān)于天上和人間的電是同一種東西的假說，在他自己的這次實驗中得到了光輝的證實。,富蘭克林的工作，揭開了雷電的奧秘，統(tǒng)一了“天電”和“地電”，震驚了科學界。 小插曲： 為了驗證“地電”與“天電”的相同處，富蘭克林想到雷可以擊死動物，于是他就實驗用“地電”去擊殺火雞，結(jié)果被電打昏了。蘇醒后，卻不介意地說：“我本想用電殺死一只火雞，結(jié)果差點電死了一個傻瓜?！?然而，風險是的確存在的。1753年，俄國的里赫曼在做大氣電實驗時不幸中電身亡，為科學獻身。,3.發(fā)明避雷針:富蘭克林并不滿足，將他的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為了新的發(fā)明。避雷針誕生了。 4.科學興趣廣泛:命名了正電，負電，發(fā)現(xiàn)了電荷守恒定律，研究了火爐的改良，植物的移植，傳染病的防治。 寫出了電學的實驗和研究的著作。 5.富蘭克林是獨立宣言和美國憲法的起草人之一，為祖國的獨立和解放作出了貢獻的政治活動家。,三、庫侖定律 類比萬有引力，科學家猜測電荷間作用力與距離平方成反比。 羅比遜實驗，發(fā)現(xiàn),羅比遜實驗裝置,偏差,卡文迪許利用兩個同心球的實驗證明了上述規(guī)律，他得到=0.02，可惜兩人的工作都未發(fā)表。,卡文迪許同心球?qū)嶒炑b置,庫侖于1785年用電扭秤實驗，通過與萬有引力類比，確信并提出了庫侖定律,C2/（Nm2）,計算表明，庫侖力遠大于萬有引力,三、從庫侖定律的建立看，類比方法的重要性,庫侖測得=0.04，但他斷定力與距離成平方反比，是成功運用類比方法的結(jié)果。 麥克斯韋對類比法的論述：“為了不用物理理論而得到物理思想，我們必須熟悉物理類比的存在。所謂物理類比，我指的是一種科學定律與另一種科學定律之間的部分相似性。它使得這兩種科學可以相互說明。”,湯川秀樹也是類比法的成功運用者，他通過將核力和電磁力類比，成功地提出了核力的介子理論。他說：“類比是一種創(chuàng)造性思維的形式，假定存在一個人所不能理解的某物，他偶爾注意到這一物和他所熟悉的另一物的相似性。他通過將兩者比較就可以理解他在此刻之前尚不能理解的某物。如果他的理解是恰當?shù)?，而且還沒有人達到這樣的理解，那么可以說，他的思維確實是創(chuàng)造性得到?！?必須指出：有時簡單的類比也會導致錯誤的結(jié)果。如惠更斯類比聲波，認為光波也是縱波就錯了?？梢婎惐冉Y(jié)果是否正確還得由實驗檢驗。,一、 伽伐尼發(fā)現(xiàn)“動物電” 伽伐尼的研究(1737-1798): 意大利人，解剖學教授。 1780年他與學生解剖青蛙，發(fā)現(xiàn)電火花會使蛙腿抽搐，后來他又發(fā)現(xiàn)當用銅鉤倒掛蛙腿，再用鐵梁橫挑，蛙腿也會痙攣。 1791年發(fā)表了論文論肌肉運動中的電力。 發(fā)現(xiàn)電流的第一人，但認為是一種動物電。,4.2 電流的產(chǎn)生及其磁效應,二、伏打（1737-1798）的“金屬接觸說” 1.伏打 意大利帕維大學教授，否定了伽伐尼動物說。他認為，電來自兩種不同金屬的接觸，青蛙只不過是起了驗電器的作用。 為了闡明自己的觀點，他比較了各種金屬，并把它們排成表，只要將其中兩種金屬接觸，就可以產(chǎn)生接觸電勢差。,2.伏打電池第一個直流電源 1800年，伏打根據(jù)他自己的觀點，制成了伏打電池。得到了拿破侖授予的一枚金質(zhì)獎章。并成為法國科學院的院士。今天電學中的一個重要單位伏特，就是為了紀念他。,3.意義 電池的發(fā)明，提供了產(chǎn)生恒定電流的電源，使電學從靜電走向動電，為人們研究電流的各種效應提供了條件。從此電學進入了飛速發(fā)展時期。,三、歐姆定律(1787-1854) 喬治西蒙歐姆生于德國埃爾蘭根城，父親是鎖匠。父親自學了數(shù)學和物理方面的知識，并教給少年時期的歐姆，喚起了歐姆對科學的興趣。16歲時他進入埃爾蘭根大學研究數(shù)學、物理與哲學，由于經(jīng)濟困難，中途綴學，到1813年才完成博士學業(yè)。歐姆是一個很有天才和科學抱負的人，他長期擔任中學教師，但他在孤獨與困難的環(huán)境中始終堅持不懈地進行科學研究，自己動手制作儀器，后被慕尼黑大學任命為教授。,歐姆對導線中的電流進行了研究。他從傅立葉發(fā)現(xiàn)的熱傳導規(guī)律受到啟發(fā)，導熱桿中兩點間的熱流正比于這兩點間的溫度差。因而歐姆認為，電流現(xiàn)象與此相似，猜想導線中兩點之間的電流也許正比于它們之間的某種驅(qū)動力，即現(xiàn)在所稱的電動勢。通過實驗驗證，在1826年發(fā)現(xiàn)了歐姆定律，由此與電流相關(guān)的物理量可以測定和推出。,人們?yōu)榧o念他，將電阻的單位定為“歐姆”。,歐姆定律發(fā)現(xiàn)初期，許多物理學家不能正確理解和評價這一發(fā)現(xiàn)，并遭到懷疑和尖銳的批評。研究成果被忽視，經(jīng)濟極其困難，使歐姆精神抑郁。直到1841年英國皇家學會授予他最高榮譽的科普利金牌，才引起德國科學界的重視。,四、奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應 丹麥著名的物理學家奧斯特(1777-1851)發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應。電流磁效應的發(fā)現(xiàn)并不是人們所認為的是他的偶遇，他早就有把自然界中各種現(xiàn)象相互聯(lián)系的思想。1803年他就說過，我們物理學將不再是運動、熱、空氣、光、電、磁以及我們所知道的任何其他現(xiàn)象的零碎羅列，而我們將把整個世界容納在一個體系中。奧斯特正是以這樣的觀點出發(fā)，來探索電和磁之間的聯(lián)系，這是他發(fā)現(xiàn)電流磁效應的思想基礎。,奧斯特基于: （1）自然哲學思想 受康哲學思想影響, 認為自然界各種基本力可以相互轉(zhuǎn)化。 （2）已發(fā)現(xiàn)一些電可能會發(fā)生磁的跡象。 堅信電磁間有聯(lián)系，并開展電是否能產(chǎn) 生磁的研究。,法國著名生物學家巴斯德在講述奧斯特的發(fā)現(xiàn)時， 說過一句名言： “在觀察領(lǐng)域的一切機遇只偏愛有那些準備的頭腦?！?討論：這句名言已在社會上被廣泛使用。,奧斯持,1812年:“我們應該檢驗的是，究竟電是否以其最隱蔽的方式對磁體有類似的作用。” 1818-1819年，與奧共事的人說:“奧斯特經(jīng)常在尋找這兩種大自然力之間的關(guān)系?！?機會來了，1820年4月的一天晚上，奧斯特在講課中突然出現(xiàn)了一個想法，講課快結(jié)束時，他說：“讓我把導線與磁針平行放置來試試看。”當他接通電源時，發(fā)現(xiàn)小磁針微微動了一下。這一現(xiàn)象使奧斯特又驚又喜，他緊緊抓住這一現(xiàn)象，連續(xù)進行了3個月的實驗研究，終于在1820年7月21日發(fā)表了題為關(guān)于磁針上的電流碰撞的實驗的論文。這篇僅用了4頁紙的論文，是一篇極其簡潔的實驗報告。,奧斯特在報告中講述了他的實驗裝置和多個實驗的結(jié)果，從實驗總結(jié)得出：電流的作用僅存在于載流導線的周圍；沿著螺紋方向垂直于導線；電流對磁針的作用可以穿過各種不同的介質(zhì)；作用的強弱決定于介質(zhì)，也決定于導線到磁針的距離和電流的強弱；銅和其他一些材料做的針不受電流作用；通電的環(huán)形導體相當于一個磁針，具有兩個磁極等。這篇短短的論文使歐洲物理學界產(chǎn)生了極大震動，導致了大批實驗成果的出現(xiàn)，由此開辟了物理學的新領(lǐng)域電磁學,一次演講中，奧斯特偶然發(fā)現(xiàn)導線通電時，在它的下方的小磁針有一微小晃動。他抓住了這個現(xiàn)象，經(jīng)過3個月的反復實驗，發(fā)現(xiàn)了電流磁效應。揭開了研究電與磁內(nèi)在聯(lián)系的序幕。,在此實驗中，磁針受到了一個旋轉(zhuǎn)力，力學自然觀對此無法解釋。,三、安培對電流磁效應的深入研究 安培從磁體與磁體、電流與磁體相互作用，聯(lián)想并發(fā)現(xiàn)了通電導線之間有相互作用。并進一步發(fā)現(xiàn)了通電螺線管與條形磁鐵的等效性。 安培實驗進一步使力學自然觀失效，并為法拉第提出“場”的概念打下了實驗基礎。,安培,載流直導線相互作用,載流螺線管與條形磁鐵等效,安培也通過理論研究，提出了計算兩載流回路之間的相互作用力的方法。對于作用在長為l 兩載流直導線上的力為,其中 和 是兩導線中的電流，d為兩平行導線間的距離，在國際單位制中，常量 為真空磁導率，,由此安培提出了著名的“磁性起源假說”：物質(zhì)磁性來自于內(nèi)部有電流，并可解釋物體可被磁化的現(xiàn)象及磁體被分割后仍有N、S極性現(xiàn)象。此假說，直到19世紀知道了原子結(jié)構(gòu)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的秘密，才真正知道這是“分子電流”。,4.3 電磁感應定律,一、電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 法拉第的自然哲學思想：他與奧斯特一樣，堅信自然力的“統(tǒng)一性”，并追求這種統(tǒng)一性。他在實驗記錄中有這樣一段話：“長期以來，我就持有一種觀點，幾乎是一種信仰，我相信其他許多愛好自然知識的人也會共同有的，就是物質(zhì)的力表現(xiàn)出來時具有某種形態(tài)，都有一個共同的根源，或者換句話說，它們是相互直接聯(lián)系的，也是相互依賴的，所以它們似乎是可以互相轉(zhuǎn)化的?！?加上奧斯特已發(fā)現(xiàn)了電能產(chǎn)生磁，所以法拉第堅信：磁一定能產(chǎn)生電 經(jīng)過近10年的努力，于1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象 由圖示4種方法，可見關(guān)鍵點是：產(chǎn)生感應電流的回路都是處在一個變化的磁場中，一旦磁場變化停止，感應電流就消失。這種現(xiàn)象稱為電磁感應。,二、創(chuàng)造性的科學思維磁感線與場概念的引入 法拉第于1831年底用鐵粉實驗展示并提出了“磁力線” （現(xiàn)稱磁感應線）概念。他認為磁感應線顯示了在磁體周圍空間是物理空間，其中存在“磁場”。利用磁感應線在空間分布的疏密程度可以直觀地描述磁場的強弱?！懊堋北硎?“強”，“稀”表示“弱”。,條形磁鐵周圍鐵屑沿磁感應線排列,磁感應強度是矢量，有大小和方向。在磁感應線上某點的切線方向為該點磁感應強度方向。人們又規(guī)定磁場的方向是將小磁針放在該點時，北極所指方向。,法拉第“場”概念的提出,奧斯特和安培的一系列實驗工作使力學自然觀失效，需要新的思想來解釋實驗結(jié)果。 法拉第本人在磁力線實驗基礎上又進行了一系列實驗，說明在磁體周圍是物理空間。 法拉第不贊成電磁體之間相互作用是“超距作用”，而應是“近距作用”，是通過“場”傳遞，這種傳遞需要一定的時間。這是歷史上第一次向英國科學界普遍認為的力的“超距作用”挑戰(zhàn)。,在1831年提出磁力線，經(jīng)過14年于1845年才逐步形成和提出了“場”的概念。,“場”概念引入的重大意義 力線和場的概念的提出，不僅對電磁感應和其他一系列電磁實驗可給以定量的物理描述，而且“場”的提出，表明電力和磁力是一種近距作用，即這種力是通過“場”進行傳播的，不是“超距作用”。 更重要的是：“場”的引入是物理學中極具想象力的創(chuàng)舉，對物理學發(fā)展具有開創(chuàng)意義。在過去人們認為物理實在是質(zhì)點，牛頓研究的是質(zhì)點的力學運動規(guī)律。而在電磁學的研究中，物理實在是有連續(xù)的“場”來代表。法拉第和麥克斯韋研究的是“場”的運動變化規(guī)律，這是一場偉大的變革。,“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉?！?愛因斯坦,三、法拉第電磁感應定律 引入感應電動勢 比感應電流更能反映電磁感應現(xiàn)象的本質(zhì)，當回路線圈的圈數(shù)為N時，電磁感應定律為：,負號意味著 總是與磁通量變化的符號相反，說明 的方向總是阻止磁通量變化 ，是楞次定律要求。,利用洛倫茲公式可導出電磁感應定律，即兩者是自恰的。同時再通過對圖3-3-5實驗的具體計算，證明了回路中電能是由外力所做的功轉(zhuǎn)化而來的。,電磁感應現(xiàn)象應用舉例 （1）麥克風,（2）發(fā)電機原理,法拉第,法拉第小故事,七、做一個“平凡的法拉第”,四、楞次定律 自感現(xiàn)象 互感現(xiàn)象 楞次定律是判斷感應電流方向的法則：閉合回路中產(chǎn)生的感應電流方向，總是使由此感應電流所產(chǎn)生的磁場阻礙引起感應電流的磁通量的變化。,楞次定律是能量守恒定律在電磁感應現(xiàn)象中的具體表現(xiàn)插入和抽出磁鐵時所做的功轉(zhuǎn)變?yōu)榛芈分械碾娔堋?4.4 麥克斯韋電磁場理論的建立與電磁波的發(fā)現(xiàn),一、一場偉大的變革 “一個民族要想站在科學的高峰，就一刻也不能沒有理論思維?！?恩格斯,恩格斯,在1999年，英國廣播公司（BBC）所評選出的1000年來最偉大的10位思想家中麥克斯韋與馬克思、愛因斯坦、牛頓等人一起榜上有名，他排名第九。后由英國雜志物理世界在100位著名物理學家中選出的10位最偉大者中，麥克斯韋緊跟愛因斯坦和牛頓排名第三。,麥克斯韋,麥克斯韋小故事,法拉第無疑是一位偉大的實驗家，有豐富的想象力，但他一系列觀點還缺乏嚴格的數(shù)學形式，在理論上不夠嚴密。加上當時在學術(shù)界中，“超距作用”的傳統(tǒng)觀念還很深，所以當時學術(shù)界對法拉第學說表示出冷漠、甚至非議。,可是年輕的麥克斯韋卻有與眾不同的眼光，他體會到了“場”的引入的革命性意義。他被法拉第的成果所吸引。在1856年以后，他致力于用數(shù)學語言翻譯和表述電磁場的運動規(guī)律。,“法拉第和麥克斯韋在電磁場方面的工作引起一場最偉大的革命” 愛因斯坦,二、麥克斯韋方程組的建立 麥克斯韋通過對前人的發(fā)現(xiàn)和成果加以總結(jié)和升華以及結(jié)合位移電流概念的引入，創(chuàng)造性地提出了變化電場可在周圍激發(fā)磁場的假設，把物理與數(shù)學緊密結(jié)合, 利用類比方法建立了描寫電磁場運動規(guī)律的麥克斯韋方程組。,麥克斯韋方程組 (對學生不要求, 只是給學生看一下) ：,從麥克斯韋方程可見麥克斯韋的電磁理論具有以下幾個特點：,（1）首次綜合和發(fā)展了前人工作, 給出了一個描寫電磁場運動的完美的統(tǒng)一方程。 （2）充分反映了電場與磁場以及時間空間的對稱性。 （3）數(shù)學形式簡單優(yōu)美, 充分體現(xiàn)了物理學的美以及數(shù)學的重要性 不僅是一個表述工具, 更重要的是科學家正是利用數(shù)學方法從龐雜的經(jīng)驗事實中找出自然界普遍的高于感性經(jīng)驗的客觀規(guī)律來, 這一點在伽利略的斜面實驗中巳早有體現(xiàn)。,三、預言電磁波，實現(xiàn)第三次大綜合 由麥克斯韋方程組出發(fā)，根據(jù)交變的電場（或磁場）可在周圍產(chǎn)生交變磁場（或電場），預言了電磁波。 他認為這種交變電磁場可不斷由振源向遠處傳播開來，電磁振蕩在空間的傳播就形成了電磁波。,麥克斯韋還推導出了電磁波在真空中的傳播速度為,并由此推斷光就是電磁波。,電磁波譜,電磁波譜大致可劃分為： 無線電波 一般由天線上的電磁振蕩發(fā)射出去，它是電磁波譜中波長最長的一個波段。由于電磁波的輻射強度隨頻率的減小而急劇下降，因此波長為幾百公里的低頻電磁波通常不為人們注意。通常使用的包括長波、中波、短波、超短波和微波, 波長范圍長到10公里小到1mm。 紅外線 波長范圍大約在0.6 mm760 nm之間的電磁波稱為紅外線，它的波長比紅光更長，人眼看不見。它能透過濃霧或較厚大氣層而不易被吸收。紅外線雖然看不見，但可以通過特制的透鏡成像。根據(jù)這些性質(zhì)可制成紅外夜視儀，在夜間觀察物體。, 可見光 可見光在整個電磁波譜中所占的