電磁學(xué)的發(fā)展及啟示

1、電磁學(xué)電磁學(xué)的發(fā)展及啟示的發(fā)展及啟示材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 趙輝趙輝2014年6月 “自從自從牛頓牛頓奠定理論物理學(xué)基礎(chǔ)以來，奠定理論物理學(xué)基礎(chǔ)以來，物理學(xué)的公理基礎(chǔ)物理學(xué)的公理基礎(chǔ)換句話說，就是換句話說，就是我們關(guān)于實在結(jié)構(gòu)的概念我們關(guān)于實在結(jié)構(gòu)的概念最偉大的最偉大的變革變革，是由，是由法拉第法拉第和和麥克斯韋麥克斯韋在電磁學(xué)在電磁學(xué)方面的工作所引起的。方面的工作所引起的。” 愛因斯坦愛因斯坦 電磁學(xué)之中國古代中國古代l 在東方，在東方，中國中國人民早在人民早在公元前公元前25002500年年前后前后就已經(jīng)具有天然的磁石知識。古人將磁石就已經(jīng)具有天然的磁石知識。古人將磁石稱為慈

2、石來形容磁石稱為慈石來形容磁石“以為母也，故能引以為母也，故能引其子其子”的功能。的功能。l據(jù)據(jù)呂氏春秋呂氏春秋一書記載，中國在一書記載，中國在公元前公元前10001000年年前后就已經(jīng)有的前后就已經(jīng)有的指南針指南針，他們在古，他們在古代就已經(jīng)用磁針來辨別方向了。代就已經(jīng)用磁針來辨別方向了。l我國東漢時期，我國東漢時期，王充王充在在論衡論衡一書中提一書中提到到 頓牟掇芥頓牟掇芥 等問題，也是說摩擦過的琥等問題，也是說摩擦過的琥珀能吸引輕小物體。珀能吸引輕小物體。電磁學(xué)之西方國家西方國家 在在1717世紀(jì)前世紀(jì)前，大多數(shù)是觀察和零碎的知識，到，大多數(shù)是觀察和零碎的知識，到1717世世紀(jì)后才有一些

3、系統(tǒng)的研究，而定量的研究則更晚。紀(jì)后才有一些系統(tǒng)的研究，而定量的研究則更晚。 1818世紀(jì)中葉世紀(jì)中葉以后，磁力和電力的平方反比定律相繼以后，磁力和電力的平方反比定律相繼發(fā)現(xiàn)，靜電學(xué)和靜磁場開始沿牛頓力學(xué)的發(fā)展登上發(fā)現(xiàn)，靜電學(xué)和靜磁場開始沿牛頓力學(xué)的發(fā)展登上科學(xué)的舞臺?？茖W(xué)的舞臺。 1818世紀(jì)末世紀(jì)末，隨著電堆的發(fā)明，人們有可能人為地產(chǎn)，隨著電堆的發(fā)明，人們有可能人為地產(chǎn)生和控制電流。生和控制電流。 1919世紀(jì)世紀(jì)，電流的磁效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)相繼的，電流的磁效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)相繼的發(fā)現(xiàn)，其規(guī)律得到了定量的表述，電學(xué)和磁學(xué)得到發(fā)現(xiàn)，其規(guī)律得到了定量的表述，電學(xué)和磁學(xué)得到了和諧統(tǒng)一的發(fā)

4、展，建立了統(tǒng)一的電磁理論，并證了和諧統(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。實了電磁波的存在。1600年吉爾伯特吉爾伯特與 首先對電和磁現(xiàn)象進行系統(tǒng)實驗研究的是英國的威廉吉爾伯特 。 英國伊麗莎白女王的御醫(yī)、英國皇家科學(xué)院物理學(xué)家。 主要在電學(xué)和磁力學(xué)方面有很大貢獻。 吉爾伯特的工作是實驗和學(xué)術(shù)知識結(jié)合的典范。5威廉吉爾伯特（William Gilbert，15441603） 他認識到電力和磁力是性質(zhì)不同的兩種力。 他第一個將琥珀和毛皮摩擦后吸引輕小物體的性質(zhì)叫做“電”。61600年吉爾伯特吉爾伯特與吉爾伯特還認真研究了摩擦琥珀吸引羽毛吉爾伯特還認真研究了摩擦琥珀吸引羽毛的現(xiàn)象

5、，指出這種現(xiàn)象不僅存在于琥珀上，的現(xiàn)象，指出這種現(xiàn)象不僅存在于琥珀上，而且存在于硫磺，毛皮，陶瓷，火漆，紙，而且存在于硫磺，毛皮，陶瓷，火漆，紙，絲綢，金屬，橡膠等是摩擦起電物質(zhì)系列。絲綢，金屬，橡膠等是摩擦起電物質(zhì)系列。 當(dāng)時主要的研究方法就是當(dāng)時主要的研究方法就是思考思考，而吉爾，而吉爾伯特主張真正的研究應(yīng)該以伯特主張真正的研究應(yīng)該以實驗實驗為基礎(chǔ)，為基礎(chǔ)，他提出這種主張并付諸實踐，在這點上，他提出這種主張并付諸實踐，在這點上，可以說吉爾伯特是可以說吉爾伯特是近代科學(xué)研究方法的開近代科學(xué)研究方法的開創(chuàng)者創(chuàng)者。啟示：啟示： 1660年，年，蓋里克蓋里克（1602-1668）發(fā)明）發(fā)明摩擦起電

6、機摩擦起電機。 1705年年豪克斯比豪克斯比（1666-1713）用空心玻璃球代）用空心玻璃球代替硫磺球，發(fā)現(xiàn)效果一樣。替硫磺球，發(fā)現(xiàn)效果一樣。 1720年，年，格雷格雷（1675-1736）研究了電的傳導(dǎo)現(xiàn)）研究了電的傳導(dǎo)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別。隨后，他又發(fā)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別。隨后，他又發(fā)現(xiàn)了了導(dǎo)體的靜電感應(yīng)現(xiàn)象。導(dǎo)體的靜電感應(yīng)現(xiàn)象。 1773年年杜菲杜菲（1698-1739）經(jīng)過實驗區(qū)分出）經(jīng)過實驗區(qū)分出兩種電荷，他分別為松脂電（負電）和玻兩種電荷，他分別為松脂電（負電）和玻璃電（正電），并總結(jié)出靜電作用的基本璃電（正電），并總結(jié)出靜電作用的基本特性：特性：同性相斥，異性相

7、吸同性相斥，異性相吸。 萊頓瓶萊頓瓶的發(fā)明使電現(xiàn)象得到更深入的研究，的發(fā)明使電現(xiàn)象得到更深入的研究，這是這是克萊斯特克萊斯特和和馬森布落克馬森布落克在在1745-1746年年分別做出。分別做出。電這個神奇的精靈總是一閃而逝，與對它好電這個神奇的精靈總是一閃而逝，與對它好奇，并熱心研究它的人捉迷藏，但它還是沒奇，并熱心研究它的人捉迷藏，但它還是沒有逃過人類智慧有逃過人類智慧終于有一天，人們在終于有一天，人們在萊萊頓瓶頓瓶里捉住了它里捉住了它富蘭克林富蘭克林對雷電現(xiàn)象的研究對雷電現(xiàn)象的研究富蘭克林富蘭克林(1706-1790): (1706-1790): 富蘭克林是富蘭克林是獨立宣言獨立宣言和美和

8、美國國憲法憲法的起草人之一，為祖國的獨的起草人之一，為祖國的獨立和解放作出了貢獻的政治活動立和解放作出了貢獻的政治活動家。家境貧困。他在家。家境貧困。他在1010歲時綴學(xué)，歲時綴學(xué)，1212歲當(dāng)印刷所學(xué)徒，閱讀了許多歲當(dāng)印刷所學(xué)徒，閱讀了許多書籍，和幾個青年創(chuàng)辦了書籍，和幾個青年創(chuàng)辦了“共讀共讀社社”，后來成為，后來成為科學(xué)家科學(xué)家和和政治家政治家。自己寫的墓志銘自己寫的墓志銘:“:“印刷工富蘭印刷工富蘭克林克林”。從蒼天那里取得了雷電，從從蒼天那里取得了雷電，從暴君那里取得了民權(quán)。暴君那里取得了民權(quán)。 杜爾格（法）杜爾格（法）富蘭克林的主要貢獻富蘭克林的主要貢獻費城實驗費城實驗發(fā)明發(fā)明避雷針

9、避雷針: :富蘭克林將他的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為了新的發(fā)明。富蘭克林將他的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為了新的發(fā)明。避雷針誕生了。避雷針誕生了。科學(xué)興趣廣泛科學(xué)興趣廣泛: :命名了正電，負電，發(fā)現(xiàn)了命名了正電，負電，發(fā)現(xiàn)了電荷守恒電荷守恒定律定律，研究了火爐的改良，植物的移植，傳染病的，研究了火爐的改良，植物的移植，傳染病的防治。防治。 寫出了寫出了電學(xué)的實驗和研究電學(xué)的實驗和研究的著作。的著作。伏打電堆 1800年3月20日，伏打（17451827年)（意大利物理學(xué)家）制造了第一個能產(chǎn)生持續(xù)電流的化學(xué)電池。13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。這是第一個能人為產(chǎn)生穩(wěn)定

10、、持續(xù)電流的裝置，為電流現(xiàn)象的研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ) 伏打的成就受到各界普遍贊賞，科學(xué)界用他的姓氏命名電勢，電勢差（電壓）的單位，為“伏特”（就是伏打，音譯演變的），簡稱“伏”?；瘜W(xué)電源化學(xué)電源的發(fā)展的發(fā)展 1800年卡萊爾和尼科爾森用低壓電流分解水； 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??；從19世紀(jì)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。14奧斯特實驗 在1820年4月發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)：

11、當(dāng)電流通過導(dǎo)線時，引起導(dǎo)線近旁的磁針偏轉(zhuǎn)。15丹麥物理學(xué)家奧斯特丹麥物理學(xué)家奧斯特(Hans Christian Oersted，17771851)通電導(dǎo)線周圍和永磁體周圍一樣都存在磁場。通電導(dǎo)線周圍和永磁體周圍一樣都存在磁場。安培定律v1820年7月，安培關(guān)于載流螺線管與磁鐵等效性的實驗；l安培從電流與電流之間的相互作用進行探討。l他把磁性歸結(jié)為電流之間的相互作用，安培安培(Ampre，17751836)是法國物理學(xué)家、數(shù)是法國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家學(xué)家安培研究電流相互安培研究電流相互作用的儀器作用的儀器v即兩個電流元之間的作用力跟它們之間距離的平方成反比，這就是著名的安培定律。122112123

12、12I I dLdLrdFKr電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)17 1831年 法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律 1821年9月他發(fā)現(xiàn)通電的導(dǎo)線能繞磁鐵旋轉(zhuǎn) 1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。法拉第法拉第(Michael Faraday 1791-1867)是英國物理學(xué)家、化學(xué)家，也是著名的自學(xué)成才的科學(xué)家 法拉第的實驗大體上可以歸為兩類：法拉第的實驗大體上可以歸為兩類：n一類實驗是磁鐵與線圈有相對運動時，一類實驗是磁鐵與線圈有相對運動時，線圈線圈中產(chǎn)生了電流中產(chǎn)生了電流；n另一類實驗是當(dāng)一個線圈中電流發(fā)生變化時，另一類實驗是當(dāng)一個線圈中電流發(fā)生變化時，在它附近的其他線圈中也產(chǎn)生了電流。法拉在它附近的其他線圈中也產(chǎn)生了電流

13、。法拉第將這些現(xiàn)象與靜電感應(yīng)類比，把這些現(xiàn)象第將這些現(xiàn)象與靜電感應(yīng)類比，把這些現(xiàn)象正式定名為正式定名為電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)。 法拉第電磁感應(yīng)定律的重要意義：法拉第電磁感應(yīng)定律的重要意義：一方面，依據(jù)電磁感應(yīng)的原理，人們制造出了發(fā)電機，電能的大規(guī)模生產(chǎn)和遠距離輸送成為可能；另一方面，電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工技術(shù)、電子技術(shù)以及電磁測量等方面都有廣泛的應(yīng)用。人類社會從此邁進了電氣化時代。 法拉第是法拉第是電磁場理論電磁場理論的奠基人，他首先提出了磁的奠基人，他首先提出了磁力線、電力線的概念，在電磁感應(yīng)、電化學(xué)、靜力線、電力線的概念，在電磁感應(yīng)、電化學(xué)、靜電感應(yīng)的研究中進一步深化和發(fā)展了力線思想，電感應(yīng)的研究中

14、進一步深化和發(fā)展了力線思想，并第一次提出場的思想，建立了并第一次提出場的思想，建立了電場、磁場電場、磁場的概的概念。念。1833年 楞茨定律楞茨定律法拉第只是定性地用文字表述了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1833年楞茨（Lenz）進一步發(fā)現(xiàn)楞茨定律，說明感應(yīng)電流的方向感應(yīng)電流的方向。1845年才由紐曼（F.E.Neumann，17981895）以定律的形式提出電磁感應(yīng)的定量規(guī)律。20楞次（楞次（Heinrich Friedrich Emil Lenz）是俄國物理學(xué)家和地是俄國物理學(xué)家和地球物理學(xué)家，球物理學(xué)家，n 它所產(chǎn)生的磁場方向與引起感應(yīng)的原磁場的變化方向相反它所產(chǎn)生的磁場方向與引起感應(yīng)的原磁場的變化方

15、向相反電磁場理論的建立 1865年麥克斯韋建立電磁場理論：v1856年，麥克斯韋發(fā)表了第一篇關(guān)于電磁理論的論文，題為：論法拉第力線。v 用麥克斯韋通過類比，明確了兩類不同的概念，一類相當(dāng)于流體中的力，E和H就是；另一類相當(dāng)于流體的流量，D和B屬于這一類。v 麥克斯韋進一步討論了這兩類量的性質(zhì)。流量遵從連續(xù)性方程，可以沿曲面積分，而力則應(yīng)沿線段積分。 麥克斯韋電磁場理論 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。通過數(shù)學(xué)運算，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在預(yù)言了電磁波的存在，電磁波的傳播速度同光速一樣。而光不過是

16、波長在某一范圍的電磁波，從而把電、磁和光現(xiàn)象統(tǒng)一在了起來。1886 赫茲的電磁波實驗 1886年10月，德國物理學(xué)家赫茲赫茲用放電線圈做火花放電實驗，偶然發(fā)現(xiàn)近旁未閉合的絕緣導(dǎo)電線圈中有電火花跳過，便敏銳地想到這可能是電磁共振。1887年11月5日，赫茲在寄給亥姆霍茲一篇題為論在絕緣體中電過程引起的感應(yīng)現(xiàn)象的論文中， 總結(jié)了這個重要發(fā)現(xiàn)。 接著，赫茲還通過實驗確認了電磁波是橫波，具有與光類似的特性，如反射、折射、衍射等，并且實驗了兩列電磁波的干涉，同時證實了在直線傳播時，電磁波的傳播速度與光速相同，從而全面驗證了麥克斯韋的電磁理論的正確性。23 赫茲赫茲(H. R. Hertz, 18571894)-德國物理學(xué)家德國物理學(xué)家 1888年，成了近代科學(xué)史上的一座里程碑。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時代的意義，它不僅證實了麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的真理，更重要的是開創(chuàng)了無線電電子技術(shù)的新紀(jì)元。24赫茲電磁波實驗的意義赫茲的電磁波實驗裝置赫茲的電磁波實驗裝置用來檢測電磁波的用來檢測電磁波的有缺口有缺口金屬環(huán)狀線圈金屬環(huán)狀線圈 電磁學(xué)對通信技術(shù)發(fā)展的作用 電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)打開了電應(yīng)用的新領(lǐng)域 1825年斯特金發(fā)明電磁鐵。 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