電磁學發(fā)展史簡述.doc

電子的發(fā)現(xiàn),使電磁學和原子與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論結(jié)合了起來,洛倫茲的電子論把物質(zhì)的宏觀電磁性質(zhì)歸結(jié)為原子中電子的效應,統(tǒng)一地解釋了電,磁,光現(xiàn)象.*緒 論一、電磁學發(fā)展史簡述1 概述早期，由于磁現(xiàn)象曾被認為是與電現(xiàn)象獨立無關(guān)的，同時也由于磁學本身的發(fā)展和應用，如近代磁性材料和磁學技術(shù)的發(fā)展，新的磁效應和磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和應用等等，使得磁學的內(nèi)容不斷擴大，所以磁學在實際上也就作為一門和電學相平行的學科來研究了。電磁學從原來互相獨立的兩門科學(電學、磁學)發(fā)展成為物理學中一個完整的分支學科，主要是基于兩個重要的實驗發(fā)現(xiàn)，即電流的磁效應和變化的磁場的電效應。這兩個實驗現(xiàn)象，加上麥克斯韋關(guān)于變化電場產(chǎn)生磁場的假設，奠定了電磁學的整個理論體系，發(fā)展了對現(xiàn)代文明起重大影響的電工和電子技術(shù)。麥克斯韋電磁理論的重大意義，不僅在于這個理論支配著一切宏觀電磁現(xiàn)象(包括靜電、穩(wěn)恒磁場、電磁感應、電路、電磁波等等)，而且在于它將光學現(xiàn)象統(tǒng)一在這個理論框架之內(nèi)，深刻地影響著人們認識物質(zhì)世界的思想。電子的發(fā)現(xiàn)，使電磁學和原子與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論結(jié)合了起來，洛倫茲的電子論把物質(zhì)的宏觀電磁性質(zhì)歸結(jié)為原子中電子的效應，統(tǒng)一地解釋了電、磁、光現(xiàn)象。和電磁學密切相關(guān)的是經(jīng)典電動力學，兩者在內(nèi)容上并沒有原則的區(qū)別。一般說來，電磁學偏重于電磁現(xiàn)象的實驗研究，從廣泛的電磁現(xiàn)象研究中歸納出電磁學的基本規(guī)律；經(jīng)典電動力學則偏重于理論方面，它以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎，研究電磁場分布，電磁波的激發(fā)、輻射和傳播，以及帶電粒子與電磁場的相互作用等電磁問題，也可以說，廣義的電磁學包含了經(jīng)典電動力學。2 電學發(fā)展簡史“電”一詞在西方是從希臘文琥珀一詞轉(zhuǎn)意而來的，在中國則是從雷閃現(xiàn)象中引出來的。自從18世紀中葉以來，對電的研究逐漸蓬勃開展。它的每項重大發(fā)現(xiàn)都引起廣泛的實用研究，從而促進科學技術(shù)的飛速發(fā)展?，F(xiàn)今，無論人類生活、科學技術(shù)活動以及物質(zhì)生產(chǎn)活動都已離不開電。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，某些帶有專門知識的研究內(nèi)容逐漸獨立，形成專門的學科，如電子學、電工學等。電學又可稱為電磁學，是物理學中頗具重要意義的基礎學科。有關(guān)電的記載可追溯到公元前6世紀。早在公元前585年，希臘哲學家泰勒斯已記載了用木塊摩擦過的琥珀能夠吸引碎草等輕小物體，后來又有人發(fā)現(xiàn)摩擦過的煤玉也具有吸引輕小物體的能力。在以后的2000年中，這些現(xiàn)象被看成與磁石吸鐵一樣，屬于物質(zhì)具有的性質(zhì)，此外沒有什么其他重大的發(fā)現(xiàn)。 在中國，西漢末年已有“碡瑁(玳瑁)吸偌(細小物體之意)”的記載；晉朝時進一步還有關(guān)于摩擦起電引起放電現(xiàn)象的記載“今人梳頭，解著衣時，有隨梳解結(jié)有光者，亦有咤聲”。 1600年，英國物理學家吉伯發(fā)現(xiàn)，不僅琥珀和煤玉摩擦后能吸引輕小物體，而且相當多的物質(zhì)經(jīng)摩擦后也都具有吸引輕小物體的性質(zhì)，他注意到這些物質(zhì)經(jīng)摩擦后并不具備磁石那種指南北的性質(zhì)。為了表明與磁性的不同，他采用琥珀的希臘字母拼音把這種性質(zhì)稱為“電的”。吉伯在實驗過程中制作了第一只驗電器，這是一根中心固定可轉(zhuǎn)動的金屬細棒，當與摩擦過的琥珀靠近時，金屬細棒可轉(zhuǎn)動指向琥珀。 大約在1660年，馬德堡的蓋利克發(fā)明了第一臺摩擦起電機。他用硫磺制成形如地球儀的可轉(zhuǎn)動球體，用干燥的手掌摩擦轉(zhuǎn)動球體，使之獲得電。蓋利克的摩擦起電機經(jīng)過不斷改進，在靜電實驗研究中起著重要的作用，直到19世紀霍耳茨和推普勒分別發(fā)明感應起電機后才被取代。 18世紀電的研究迅速發(fā)展起來。1729年，英國的格雷在研究琥珀的電效應是否可傳遞給其他物體時發(fā)現(xiàn)導體和絕緣體的區(qū)別：金屬可導電，絲綢不導電，并且他第一次使人體帶電。格雷的實驗引起法國迪費的注意。1733年迪費發(fā)現(xiàn)絕緣起來的金屬也可摩擦起電，因此他得出所有物體都可摩擦起電的結(jié)論。他把玻璃上產(chǎn)生的電叫做“玻璃的”，琥珀上產(chǎn)生的電與樹脂產(chǎn)生的相同，叫做“樹脂的”。他得到：帶相同電的物體互相排斥；帶不同電的物體彼此吸引。 1745年，荷蘭萊頓的穆申布魯克發(fā)明了能保存電的萊頓瓶。萊頓瓶的發(fā)明為電的進一步研究提供了條件，它對于電知識的傳播起到了重要的作用。 差不多同時，美國的富蘭克林做了許多有意義的工作，使得人們對電的認識更加豐富。1747年他根據(jù)實驗提出：在正常條件下電是以一定的量存在于所有物質(zhì)中的一種元素；電跟流體一樣，摩擦的作用可以使它從一物體轉(zhuǎn)移到另一物體，但不能創(chuàng)造；任何孤立物體的電總量是不變的，這就是通常所說的電荷守恒定律。他把摩擦時物體獲得的電的多余部分叫做帶正電，物體失去電而不足的部分叫做帶負電。 嚴格地說，這種關(guān)于電的一元流體理論在今天看來并不正確，但他所使用的正電和負電的術(shù)語至今仍被采用，他還觀察到導體的尖端更易于放電等。早在1749年，他就注意到雷閃與放電有許多相同之處，1752年他通過在雷雨天氣將風箏放入云層，來進行雷擊實驗，證明了雷閃就是放電現(xiàn)象。在這個實驗中最幸運的是富蘭克林居然沒有被電死，因為這是一個危險的實驗，后來有人重復這種實驗時遭電擊身亡。富蘭克林還建議用避雷針來防護建筑物免遭雷擊，1745年首先由狄維斯實現(xiàn)，這大概是電的第一個實際應用。 18世紀后期開始了電荷相互作用的定量研究。1776年，普里斯特利發(fā)現(xiàn)帶電金屬容器內(nèi)表面沒有電荷，猜測電力與萬有引力有相似的規(guī)律。1769年，魯賓孫通過作用在一個小球上電力和重力平衡的實驗，第一次直接測定了兩個電荷相互作用力與距離二次方成反比。1773年，卡文迪什推算出電力與距離的二次方成反比，他的這一實驗是近代精確驗證電力定律的雛形。 1785年，庫侖設計了精巧的扭秤實驗，直接測定了兩個靜止點電荷的相互作用力與它們之間的距離二次方成反比，與它們的電量乘積成正比。庫侖的實驗得到了世界的公認，從此電學的研究開始進入科學行列。1811年泊松把早先力學中拉普拉斯在萬有引力定律基礎上發(fā)展起來的勢論用于靜電，發(fā)展了靜電學的解析理論。 18世紀后期電學的另一個重要的發(fā)展是意大利物理學家伏打發(fā)明了電池，在這之前，電學實驗只能用摩擦起電機的萊頓瓶進行，而它們只能提供短暫的電流。1780年，意大利的解剖學家伽伐尼偶然觀察到與金屬相接觸的蛙腿發(fā)生抽動。他進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，若用兩種金屬分別接觸蛙腿的筋腱和肌肉，則當兩種金屬相碰時，蛙腿也會發(fā)生抽動。 1792年，伏打?qū)Υ诉M行了仔細研究之后，認為蛙腿的抽動是一種對電流的靈敏反應。電流是兩種不同金屬插在一定的溶液內(nèi)并構(gòu)成回路時產(chǎn)生的，而肌肉提供了這種溶液?；谶@一思想，1799年，他制造了第一個能產(chǎn)生持續(xù)電流的化學電池，其裝置為一系列按同樣順序疊起來的銀片、鋅片和用鹽水浸泡過的硬紙板組成的柱體，叫做伏打電堆。 此后，各種化學電源蓬勃發(fā)展起來。1822年塞貝克進一步發(fā)現(xiàn)，將銅線和一根別種金屬(鉍)線連成回路，并維持兩個接頭的不同溫度，也可獲得微弱而持續(xù)的電流，這就是熱電效應。 化學電源發(fā)明后，很快發(fā)現(xiàn)利用它可以作出許多不尋常的事情。1800年卡萊爾和尼科爾森用低壓電流分解水；同年里特成功地從水的電解中搜集了兩種氣體，并從硫酸銅溶液中電解出金屬銅；1807年，戴維利用龐大的電池組先后電解得到鉀、鈉、鈣、鎂等金屬；1811年他用2000個電池組成的電池組制成了碳極電弧；從19世紀50年代起它成為燈塔、劇院等場所使用的強烈光電源，直到70年代才逐漸被愛迪生發(fā)明的白熾燈所代替。此外伏打電池也促進了電鍍的發(fā)展，電鍍是1839年由西門子等人發(fā)明的。 雖然早在1750年富蘭克林已經(jīng)觀察到萊頓瓶放電可使鋼針磁化，甚至更早在1640年，已有人觀察到閃電使羅盤的磁針旋轉(zhuǎn)，但到19世紀初，科學界仍普遍認為電和磁是兩種獨立的作用。與這種傳統(tǒng)觀念相反，丹麥的自然哲學家奧斯特接受了德國哲學家康德和謝林關(guān)于自然力統(tǒng)一的哲學思想，堅信電與磁之間有著某種聯(lián)系。經(jīng)過多年的研究，他終于在1820年發(fā)現(xiàn)電流的磁效應：當電流通過導線時，引起導線近旁的磁針偏轉(zhuǎn)。電流磁效應的發(fā)現(xiàn)開拓了電學研究的新紀元。 奧斯特的發(fā)現(xiàn)首先引起法國物理學家的注意，同年即取得一些重要成果，如安培關(guān)于載流螺線管與磁鐵等效性的實驗；阿喇戈關(guān)于鋼和鐵在電流作用下的磁化現(xiàn)象；畢奧和薩伐爾關(guān)于長直載流導線對磁極作用力的實驗；此外安培還進一步做了一系列電流相互作用的精巧實驗。由這些實驗分析得到的電流元之間相互作用力的規(guī)律，是認識電流產(chǎn)生磁場以及磁場對電流作用的基礎。 電流磁效應的發(fā)現(xiàn)打開了電應用的新領(lǐng)域。1825年斯特金發(fā)明電磁鐵，為電的廣泛應用創(chuàng)造了條件。1833年高斯和韋伯制造了第一臺簡陋的單線電報；1837年惠斯通和莫爾斯分別獨立發(fā)明了電報機，莫爾斯還發(fā)明了一套電碼，利用他所制造的電報機可通過在移動的紙條上打上點和劃來傳遞信息。 1855年湯姆孫(即開爾文)解決了水下電纜信號輸送速度慢的問題，1866年按照湯姆孫設計的大西洋電纜鋪設成功。1854年，法國電報家布爾瑟提出用電來傳送聲音的設想，但未變成現(xiàn)實；后來，賴斯于1861年實驗成功，但未引起重視。1861年貝爾發(fā)明了電話，作為收話機，它仍用于現(xiàn)代，而其發(fā)話機則被愛迪生的發(fā)明的碳發(fā)話機以及休士的發(fā)明的傳聲器所改進。 電流磁效應發(fā)現(xiàn)不久，幾種不同類型的檢流計設計制成，為歐姆發(fā)現(xiàn)電路定律提供了條件。1826年，受到傅里葉關(guān)于固體中熱傳導理論的啟發(fā)，歐姆認為電的傳導和熱的傳導很相似，電源的作用好像熱傳導中的溫差一樣。為了確定電路定律，開始他用伏打電堆作電源進行實驗，由于當時的伏打電堆性能很不穩(wěn)定，實驗沒有成功；后來他改用兩個接觸點溫度恒定因而高度穩(wěn)定的熱電動勢做實驗，得到電路中的電流強度與他所謂的電源的“驗電力”成正比，比例系數(shù)為電路的電阻。 由于當時的能量守恒定律尚未確立，驗電力的概念是含混的，直到1848年基爾霍夫從能量的角度考查，才橙清了電位差、電動勢、電場強度等概念，使得歐姆理論與靜電學概念協(xié)調(diào)起來。在此基礎上，基爾霍夫解決了分支電路問題。 杰出的英國物理學家法拉第從事電磁現(xiàn)象的實驗研究，對電磁學的發(fā)展作出極重要的貢獻，其中最重要的貢獻是1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象。緊接著他做了許多實驗確定電磁感應的規(guī)律，他發(fā)現(xiàn)當閉合線圈中的磁通量發(fā)生變化時，線圈中就產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢的大小取決于磁通量隨時間的變化率。后來，楞次于1834年給出感應電流方向的描述，而諾埃曼概括了他們的結(jié)果給出感應電動勢的數(shù)學公式。 法拉第在電磁感應的基礎上制出了第一臺發(fā)電機。此外，他把電現(xiàn)象和其他現(xiàn)象聯(lián)系起來廣泛進行研究，在1833年成功地證明了摩擦起電和伏打電池產(chǎn)生的電相同，1834年發(fā)現(xiàn)電解定律，1845年發(fā)現(xiàn)磁光效應，并解釋了物質(zhì)的順磁性和抗磁性，他還詳細研究了極化現(xiàn)象和靜電感應現(xiàn)象，并首次用實驗證明了電荷守恒定律。 電磁感應的發(fā)現(xiàn)為能源的開發(fā)和廣泛利用開創(chuàng)了嶄新的前景。1866年西門子發(fā)明了可供實用的自激發(fā)電機；19世紀末實現(xiàn)了電能的遠距離輸送；電動機在生產(chǎn)和交通運輸中得到廣泛使用，從而極大地改變了工業(yè)生產(chǎn)的面貌。 對于電磁現(xiàn)象的廣泛研究使法拉第逐漸形成了他特有的“場”的觀念。他認為：力線是物質(zhì)的，它彌漫在全部空間，并把異號電荷和相異磁板分別連結(jié)起來；電力和磁力不是通過空虛空間的超距作用，而是通過電力線和磁力線來傳遞的，它們是認識電磁現(xiàn)象必不可少的組成部分，甚至它們比產(chǎn)生或“匯集”力線的“源”更富有研究的價值。 法拉第的豐碩的實驗研究成果以及他的新穎的場的觀念，為電磁現(xiàn)象的統(tǒng)一理論準備了條件。諾埃曼、韋伯等物理學家對電磁現(xiàn)象的認識曾有過不少重要貢獻，但他們從超距作用觀點出發(fā)，概括庫侖以來已有的全部電學知識，在建立統(tǒng)一理論方面并未取得成功。這一工作在19世紀60年代由卓越的英國物理學家麥克斯韋完成。 麥克斯韋認為變化的磁場在其周圍的空間激發(fā)渦旋電場；變化的電場引起媒質(zhì)電位移的變化，電位移的變化與電流一樣在周圍的空間激發(fā)渦旋磁場。麥克斯韋明確地用數(shù)學公式把它們表示出來，從而得到了電磁場的普遍方程組麥克斯韋方程組。法拉第的力線思想以及電磁作用傳遞的思想在其中得到了充分的體現(xiàn)。 麥克斯韋進而根據(jù)他的方程組，得出電磁作用以波的形式傳播，電磁波在真空中的傳播速度等于電量的電磁單位與靜電單位的比值，其值與光在真空中傳播的速度相同，由此麥克斯韋預言光也是一種電磁波。 1888年，赫茲根據(jù)電容器放電的振蕩性質(zhì)，設計制作了電磁波源和電磁波檢測器，通過實驗檢測到電磁波，測定了電磁波的波速，并觀察到電磁波與光波一樣，具有偏振性質(zhì)，能夠反射、折射和聚焦。從此麥克斯韋的理論逐漸為人們所接受。 麥克斯韋電磁理論通過赫茲電磁波實驗的證實，開辟了一個全新的領(lǐng)域電磁波的應用和研究。1895年，俄國的波波夫和意大利的馬可尼分別實現(xiàn)了無線電信號的傳送。后來馬可尼將赫茲的振子改進為豎直的天線；德國的布勞恩進一步將發(fā)射器分為兩個振藕線路，為擴大信號傳遞范圍創(chuàng)造了條件。1901年馬可尼第一次建立了橫跨大西洋的無線電聯(lián)系。電子管的發(fā)明及其在線路中的應用，使得電磁波的發(fā)射和接收都成為易事，推動了無線電技術(shù)的發(fā)展，極大地改變了人類的生活。 1896年洛倫茲提出的電子論，將麥克斯韋方程組應用到微觀領(lǐng)域，并把物質(zhì)的電磁性質(zhì)歸結(jié)為原子中電子的效應。這樣不僅可以解釋物質(zhì)的極化、磁化、導電等現(xiàn)象以及物質(zhì)對光的吸收、散射和色散現(xiàn)象；而且還成功地說明了關(guān)于光譜在磁場中分裂的正常塞曼效應；此外，洛倫茲還根據(jù)電子論導出了關(guān)于運動介質(zhì)中的光速公式，把麥克斯韋理論向前推進了一步。 在法拉第、麥克斯韋和洛倫茲的理論體系中，假定了有一種特殊媒質(zhì)“以太”存在，它是電磁波的荷載者，只有在以太參照系中，真空中光速才嚴格地與方向無關(guān)，麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式也只在以太參照系中才嚴格成立。這意味著電磁規(guī)律不符合相對性原理。關(guān)于這方面問題的進一步研究，導致了愛因斯坦在1905年建立了狹義相對論，它改變了原來的觀點，認定狹義相對論是物理學的一個基本原理，它否定了以太參照系的存在并修改了慣性參照系之間的時空變換關(guān)系，使得麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式有可能在所有慣性參照系中都成立。狹義相對論的建立不僅發(fā)展了電磁理論，并且對以后理論物理的發(fā)展具有巨大的作用。3 磁學發(fā)展簡史有些天然鐵礦石在采出時就呈現(xiàn)永磁性，古人稱它為“慈石”，意為慈愛的石頭，隱含了它能吸鐵的特性。這名詞后來逐漸演化為“磁石”，俗稱“吸鐵石”。在中國的管子一書中已有磁石和磁石引鐵的記載，這應當不會晚于戰(zhàn)國后期，即公元前四至前三世紀。漢初劉安(公元前179前122)的淮南子覽冥篇中有“若以慈石之能連鐵也，而取其引瓦，則難矣”的記載。東漢王充(公元27約97)的論衡亂龍篇中有“頓牟攝芥，慈石引針”(頓牟即琥珀；芥指芥菜子，統(tǒng)喻干草、紙等的微小屑末)的記述。這些都是以磁石引鐵作為比喻，來說明哲學或科學觀點的記述，因此所舉的事例必是當時一般的讀者所熟悉的。 歐美的有關(guān)科技文獻常把磁石吸鐵的記載遠溯到古希臘的泰勒斯時期，但這是根據(jù)亞里士多德的轉(zhuǎn)述。根據(jù)這些記述可以認為，西方關(guān)于磁的最早記述始于公元前500年左右。指南針是中國古代的四大發(fā)明之一，這在中國已是歷史常識了。從磁石引鐵的發(fā)現(xiàn)到指南針的發(fā)明和應用要經(jīng)過一系列的觀察、實驗和工藝改進，這是一個相當長的歷史時期。公元1044年，北宋曾公亮、丁度等修撰的武經(jīng)總要中有應用磁石的水浮型指南針制法的敘述；沈括的夢溪筆談也記述了用絲懸起的或硬滑支點(如碗的邊緣)平衡著的鐵針做的實驗，并說明鐵針所指不是正南而微偏東；略晚于沈括的朱或所著的萍洲可談(約于公元1119年問世)則已提到廣州海船在陰晦天氣用指南針航海。 在歐洲，公元1190年以前沒有一點關(guān)于磁石能指方向的史料，而在這一年航行于地中海的船上卻確有了指南針，很可能是由那時期進行中國和阿拉伯間貿(mào)易的海船傳去的。英國科學家吉伯認為它是由馬可波羅(12541324)或其同時代人帶回的，這樣反而把這事推后了一個世紀。 法國物理學家?guī)靵鲇?785年確立了靜電荷間相互作用力的規(guī)律庫侖定律之后，又對磁極進行了類似的實驗而證明：同樣的定律也適用于磁極之間的相互作用。 丹麥物理學家奧斯特在1820年發(fā)現(xiàn)，一條通過電流的導線會使其近處靜懸著的磁針偏轉(zhuǎn)，顯示出電流在其周圍的空間產(chǎn)生了磁場，這是證明電和磁現(xiàn)象密切結(jié)合的第一個實驗結(jié)果。緊接著，法國物理學家安培等的實驗和理論分析，闡明了載著電流的線圈所產(chǎn)生的磁場，以及電流線圈間相互作用著的磁力。奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁場后不久，有些物理學家就想到是否有些物質(zhì)(如鐵)所表現(xiàn)的宏觀磁性也來源于電流。那時還未發(fā)現(xiàn)電子，但關(guān)于物質(zhì)構(gòu)造的原子論已有不小的發(fā)展。安培首先提出，鐵之所以顯現(xiàn)強磁性是因為組成鐵塊的分子內(nèi)存在著永恒的電流環(huán)，這種電流沒有像導體中電流所受到的那種阻力，并且電流環(huán)可因外來磁場的作用而自由地改變方向。這種電流在后來的文獻中被稱為“安培電流”或分子電流。 繼安培之后，韋伯對物質(zhì)磁性的理論又作了不少發(fā)展。雖然這些理論離現(xiàn)代理論尚遠，但在今天對磁性物質(zhì)的本質(zhì)作初步描述時，仍基本上根據(jù)安培的概念。 除了古時已知道的磁鐵礦和鐵外，人們在兩千多年中還沒有發(fā)現(xiàn)其他具有強磁性的物質(zhì)。發(fā)現(xiàn)鈷(1733)和鎳(1754)后不久就知道它們也像鐵那樣具有強磁性。至于一般的物質(zhì)在較強磁場作用下能否多少表現(xiàn)一點磁性，則直到法拉第在老年時期才有系統(tǒng)的觀察。英國工程師斯特金于1824年創(chuàng)制了電磁體，故那時實驗室可有較強的磁場設備，但法拉第在需要高度穩(wěn)定的磁場時仍用了大的永磁體。 法拉第測量了樣品在不均勻磁場中被磁化時所受到的力，這個方法后來有了不少改進，至今仍廣泛用于觀測弱磁物質(zhì)的磁化率，也用于觀測鐵等強磁物質(zhì)的飽和磁化強度。 法拉第發(fā)現(xiàn)，一般的物質(zhì)在較強磁場作用下都顯示一定程度的磁性，只是除了極少數(shù)像鐵那樣的強磁性物質(zhì)外，一般物質(zhì)的磁化率的絕對值都是很小的。它們又可分為兩類：一類物質(zhì)的磁化率是負的，稱之為抗磁性物質(zhì)。這些物質(zhì)在磁場中獲得的磁矩方向與磁場方向相反，故在不均勻磁場中被推向磁場減弱的方向，即被磁場排斥；另一類物質(zhì)的磁化率是正的，在不均勻磁場中被推向磁場增強的方向，即被磁場吸引，法拉第稱它們?yōu)轫槾判晕镔|(zhì)。像鐵那樣強的磁性顯然是特殊的，應另屬一類，后來稱為鐵磁性。這樣，在法拉第以后的近百年中，物質(zhì)的磁性分三大類。1895年，法國物理學家居里發(fā)表了他對三類物質(zhì)的磁性的大量實驗結(jié)果，他認為：抗磁體的磁化率不依賴于磁場強度且一般不依賴于溫度；順磁體的磁化率不依賴于磁場強度而與絕對溫度成反比(這被稱為居里定律)；鐵在某一溫度(后被稱為居里點)以上失去其強磁性。19世紀30年代初，法國物理學家奈耳從理論上預言了反鐵磁性，并在若干化合物的宏觀磁性方面獲得了實驗證據(jù)。1948年他又對若干鐵和其他金屬的混合氧化物的磁性與鐵磁性的區(qū)別作了詳細的闡釋，并稱這類磁性為亞鐵磁性。于是就有了五大類磁性。最近十多年來又有些學者提出了幾種磁性的新名稱，但這些都屬于鐵磁性的分支。 法國物理學家朗之萬于1905年提出了抗磁性和順磁性的經(jīng)典理論，但十多年后范列文證明，朗之萬理論中的某些假設不合于經(jīng)典統(tǒng)計力學原理，及至原子結(jié)構(gòu)的量子論模型興起后，朗氏的假設又成為可允許的。今天對這兩種磁化率的粗淺理論公式已經(jīng)過量子力學的改正，但還保留著朗之萬理論的基本形式。二、電磁學的基本內(nèi)容1 電磁學的研究對象電磁學是經(jīng)典物理學的一部分。它主要是研究電荷、電流產(chǎn)生電場、磁場的規(guī)律，電場和磁場的相互聯(lián)系，以及電磁場對物質(zhì)的各種效應等。電磁現(xiàn)象是自然界存在的一種極為普遍的現(xiàn)象，它涉及到很廣泛的領(lǐng)域；電的研究和應用在認識客觀世界和改造客觀世界中展現(xiàn)了巨大的活力。所以，電磁學是理科和技術(shù)學科的一門重要基礎課。根據(jù)近代物理學的觀點，磁的現(xiàn)象是由運動電荷所產(chǎn)生的，因而在電學的范圍內(nèi)必然不同程度地包含磁學的內(nèi)容。所以，電磁學和電學的內(nèi)容很難截然劃分，而“電學”有時也就作為“電磁學”的簡稱。2 電學的研究內(nèi)容 電學研究的內(nèi)容主要包括靜電、靜磁、電磁場、電路、電磁效應和電磁測量。 靜電學是研究靜止電荷產(chǎn)生電場及電場對電荷作用規(guī)律的學科。電荷只有兩種，稱為正電和負電。同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。電荷遵從電荷守恒定律。電荷可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，任何物理過程中電荷的代數(shù)和保持不變。所謂帶電，不過是正負電荷的分離或轉(zhuǎn)移；所謂電荷消失，不過是正負電荷的中和。 靜止電荷之間相互作用力符合庫侖定律：在真空中兩個靜止點電荷之間作用力的大小與它們的乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比；作用力的方向沿著它們之間的聯(lián)線，同號電荷相斥，異號電荷相吸。 電荷之間相互作用力是通過電荷產(chǎn)生的電場相互作用的。電荷產(chǎn)生的電場用電場強度(簡稱場強)來描述?？臻g某一點的電場強度用正的單位試探電荷在該點所受的電場力來定義，電場強度遵從場強疊加原理。 通常的物質(zhì)，按其導電性能的不同可分兩種情況：導體和絕緣體。導體體內(nèi)存在可運動的自由電荷；絕緣體又稱為電介質(zhì)，體內(nèi)只有束縛電荷。 在電場的作用下，導體內(nèi)的自由電荷將產(chǎn)生移動。當導體的成分和溫度均勻時，達到靜電平衡的條件是導體內(nèi)部的電場強度處處等于零。根據(jù)這一條件，可導出導體靜電平衡的若干性質(zhì)。 靜磁學是研究電流穩(wěn)恒時產(chǎn)生磁場以及磁場對電流作用力的學科。 電荷的定向流動形成電流。電流之間存在磁的相互作用，這種磁相互作用是通過磁場傳遞的，即電流在其周圍的空間產(chǎn)生磁場，磁場對放置其中的電流施以作用力。電流產(chǎn)生的磁場用磁感應強度描述。 電磁場是研究隨時間變化下的電磁現(xiàn)象和規(guī)律的學科。 當穿過閉臺導體線圈的磁通量發(fā)生變化時，線圈上產(chǎn)生感應電流。感應電流的方向可由楞次定律確定。閉合線圈中的感應電流是感應電動勢推動的結(jié)果，感應電動勢遵從法拉第定律：閉臺線圈上的感應電動勢的大小總是與穿過線圈的磁通量的時間變化率成正比。 麥克斯韋方程組描述了電磁場普遍遵從的規(guī)律。它同物質(zhì)的介質(zhì)方程、洛侖茲力公式以及電荷守恒定律結(jié)合起來，原則上可以解決各種宏觀電動力學問題。 根據(jù)麥克斯韋方程組導出的一個重要結(jié)果是存在電磁波，變化的電磁場以電磁波的形式傳播，電磁波在真空中的傳播速度等于光速。這也說明光也是電磁波的一種，因此光的波動理論納入了電磁理論的范疇。 電路 包括直流電路和交流電路的研究，是電學的組成部分。直流電路研究電流穩(wěn)恒條件下的電路定律和性質(zhì)；交流電路研究電流周期性變化條件下的電路定律和性質(zhì)。 直流電路由導體(或?qū)Ь€)連結(jié)而成，導體有一定的電阻。穩(wěn)恒條件下電流不隨時間變化，電場亦不隨時間變化。 根據(jù)穩(wěn)恒時電場的性質(zhì)、導電基本規(guī)律和電動勢概念，可導出直流電路的各個實用定律：歐姆定律、基爾霍夫電路定律，以及一些解決復雜電路的有效而簡便的定理：等效電源定理、疊加定理、倒易定理、對偶定理等，這些實用定律和定理構(gòu)成電路計算的理論基礎。 交流電路比直流電路復雜得多，電流隨時間的變化引起空間電場和磁場的變化，因此存在電磁感應和位移電流，存在電磁波。 電磁效應 物質(zhì)中的電效應是電學與其他物理學科(甚至非物理的學科)之間聯(lián)系的紐帶。物質(zhì)中的電效應種類繁多，有許多已成為或正逐漸發(fā)展為專門的研究領(lǐng)域。比如： 電致伸縮、壓電效應(機械壓力在電介質(zhì)晶體上產(chǎn)生的電性和電極性)和逆壓電效應、塞貝克效應、珀耳帖效應(兩種不同金屬或半導體接頭處，當電流沿某個方向通過時放出熱量，而電流反向時則吸收熱量)、湯姆孫效應(一金屬導體或半導體中維持溫度梯度，當電流沿某方向通過時放出熱量，而電流反向時則吸收熱量)、熱敏電阻(半導體材料中電阻隨溫度靈敏變化)、光敏電阻(半導體材料中電阻隨光照靈敏變化)、光生伏打效應(半導體材料因光照產(chǎn)生電位差)，等等。 對于各種電效應的研究有助于了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及物質(zhì)中發(fā)生的基本過程，此外在技術(shù)上，它們也是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和非電量電測法的基礎。 電磁測量也是電學的組成部分。測量技術(shù)的發(fā)展與學科的理論發(fā)展有著密切的聯(lián)系，理論的發(fā)展推動了測量技術(shù)的改進；測量技術(shù)的改善在新的基礎上驗證理論，并促成新理論的發(fā)現(xiàn)。 電磁測量包括所有電磁學量的測量，以及有關(guān)的其他量(交流電的頻率、相角等)的測量。利用電磁學原理已經(jīng)設計制作出各種專用儀表(安培計，伏特計、歐姆計、磁場計等)和測量電路，它們可滿足對各種電磁學量的測量。電磁測量的另一個重要的方面是非電量(長度、速度、形變、力、溫度、光強、成分等)的電測量。它的主要原理是利用電磁量與非電量相互聯(lián)系的某種效應，將非電量的測量轉(zhuǎn)換為電磁量的測量。由于電測量有一系列優(yōu)點：準確度高、量程寬、慣量小、操作簡便，并可遠距離遙測和實現(xiàn)測量技術(shù)自動化，非電量的電測量正在不斷發(fā)展。3 磁學的內(nèi)容 一個永磁體與另一個永磁體能夠不接觸而互相施加力，人們曾經(jīng)稱這樣的現(xiàn)象為超距作用。近代的物理學家為了解釋電荷之間的和永磁體之間的相互作用力引入了“場”的概念：在一個永磁體周圍的空間中存在著一個磁場，使處于這空間中任何位置的另一個永磁體受到磁場所施加力的作用，同時第二個永磁體所產(chǎn)生的磁場也對第一個永磁體施加著反作用力。因為力是矢量，所以磁場是矢量場。許多實驗事實都證明，磁場是真實的存在。 一塊鐵被一個永磁體吸一段時間以后，就被永磁體附近的較強的磁場所“磁化”，也成為一個永磁體了，有時也稱磁化一個物體的作用力為“磁化力”。一般的鐵塊在從磁場較強的地方移到磁場很弱的地方就失掉其磁化了的狀態(tài)稱為“去磁”或“退磁”。容易磁化、也容易去磁的材料通稱為軟磁材料，成分近于純鐵的低碳鋼就是一個例子；難于磁化、也不易去磁的材料通稱為硬磁或永磁體材料，淬火了的、含碳和錳各約1%的鐵就是最低級的硬磁材料。兩個永磁體之間的相互作用也就是它們的磁極之間通過磁場的相互作用。 每一個永磁體都有兩個性質(zhì)不同的磁極，通常利用永磁體能指示南北方向，稱指北的一極為N極，指南的一極為S極；同名極相斥，異名極相吸。 歷史上曾把永磁體與帶電物體相類比而設想磁極是由“磁荷”的分布形成的。不過，這完全是一種類比，實質(zhì)上磁荷并不存在，而是作為一個等效物而引入的。磁極總是以異名的一對出現(xiàn)在同一磁體上，兩個極從來不能分離而獨立存在。把一條永磁棍截成兩段，就會得到兩個短一些的永磁棍，各段新形成的一端上出現(xiàn)一個與該段原有磁極異名的新磁極。 細而長的永磁棍的磁極與粗而短的永磁棍的相比，細永磁棍的磁場較為集中在棍端很小的區(qū)域內(nèi)。對于距一個極足夠遠的點，該極近似于一個“點磁荷”。如果磁棍很長，兩個極相距很遠，則與被觀察著的極比較，另一極所貢獻的磁場可以被視為一小修正項。因此，用細長的永磁棍作樣品，就可以對不同磁棍上的兩個極的相互作用力進行精密的定量觀測。 用細絲懸著的小永磁棍實質(zhì)上是一個指南針