電磁場理論建立

電磁場理論的建立目錄：電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究定量研究的開始電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁場理論的建立與檢驗電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究一、古代記載的電、磁現(xiàn)象磁現(xiàn)象：中國公元前至前三世紀，《管子》一書中有磁石和磁石引鐵的記載?！俄n非子》記載司南?！秴问洗呵铩酚涊d磁石召鐵。漢初劉安的《淮南子·覽冥篇》中有“若以磁石至能連鐵也，而取其引瓦，則難矣…”的記載。東漢王充的《論衡·亂龍篇》中有”琥珀攝芥，磁石引針”的記載。電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究一、古代記載的電、磁現(xiàn)象磁現(xiàn)象：外國約公元前6世紀，希臘學者泰勒斯技術(shù)磁石吸鐵和摩擦后的琥珀吸引輕小物體現(xiàn)象。系統(tǒng)研究磁現(xiàn)象始于17世紀，1600年英伊麗莎白一世的御醫(yī)吉爾伯特發(fā)表了《論磁、磁體和地球作為一個巨大的磁體》電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究吉爾伯特的研究：他做了許多電和磁的實驗，其中最有名的是所謂“小地球”實驗。他發(fā)現(xiàn)不僅摩擦過的琥珀有吸引輕小物體的性質(zhì)，而且一系列其他物體如金剛石、水晶、硫磺、明礬等也有這種性質(zhì)，他把這種性質(zhì)稱為電性，他是第一個用“電力”、“電吸引”、“磁極”等術(shù)語的人。

電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究吉爾伯特把電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象進行比較，發(fā)現(xiàn)它們具有以下幾個截然不同的性質(zhì)：1.磁性是磁體本身具有的，而電性是需要用摩擦的方法產(chǎn)生；2.磁性有兩種——吸引和排斥，而電性僅僅有吸引（吉爾伯特不知道有排斥）；3.磁石只對可以磁化的物質(zhì)才有力的作用，而帶電體可以吸引任何輕小物體；4.磁體之間的作用不受中間的紙片、亞麻布等物體的影響，而帶電體之間的作用要受到中間這些物質(zhì)的影響。當帶電體浸在水中，電力的作用可以消失，而磁體的磁力在水中不會消失；5.磁力是一種定向力，而電力是一種移動力。電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究一、古代記載的電、磁現(xiàn)象電現(xiàn)象：中國西晉張華：“令人梳頭，脫著衣時，隨梳、解結(jié)有光者，亦有咤聲?！蓖醭洹墩摵狻だ滋撈罚骸霸朴曛羷t雷電擊?！薄痘茨献印嬓斡枴罚骸瓣庩栂嗖珵槔?，激揚為電?！眲⒒骸袄渍撸鞖庵舳ざl(fā)也。陽氣困于陰，必迫，迫極而迸，迸而聲為雷，光為電。”《漢書·西域記》：“矛端生火。”晉代《搜神記》：“戟鋒皆有火光，遙望如懸燭?！彪姮F(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究一、古代記載的電、磁現(xiàn)象電現(xiàn)象：外國“電”是從希臘字“琥珀”演化而來。在公元約585年，古希臘哲學家泰勒斯記載：把琥珀的這種靠摩擦激發(fā)的能夠吸引小物體的性質(zhì)叫做“電”。電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究二、物體導(dǎo)電性和兩種電荷的發(fā)現(xiàn)

1663年德國人格里凱發(fā)明了第一臺能產(chǎn)生大量電荷的摩擦起電機。英國人格雷（公元1670－1736）在1729年研究了導(dǎo)電現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)摩擦過的玻璃管上所帶的電荷可以傳遞到木塞上。法國人杜菲（公元1698—1739）對格雷的實驗有極大興趣，他作了許多電學實驗。1733年他發(fā)現(xiàn)絕緣的金屬可以摩擦起電。電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究三、電荷的貯存與大氣電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)荷蘭萊頓大學的物理學教授穆欣布羅克（公元1692－1761）于1746年做了實驗，得出結(jié)論：把電荷投放在玻璃瓶內(nèi)可以把電保存下來。后來另一位法國電學家諾萊特就把這個蓄電的瓶子稱為萊頓瓶。萊頓瓶的發(fā)明，為科學界提供了一種貯電的有效方法。電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究富蘭克林（公元1706一1790）同年，倫敦一位物理學家考林森通過郵寄向美國費城的本杰明·富蘭克林贈送了一只萊頓瓶，并在信中向他介紹了使用方法。富蘭克林原來是費城的印刷商，他通過書本和科學上的來往獲得了豐富知識，他利用萊頓瓶做出的第一項重要工作，是根據(jù)萊頓瓶內(nèi)外兩種電荷的相消性，在杜菲的“玻璃電”和“樹脂電”的基礎(chǔ)上提出正電和負電的概念。富蘭克林所做的第二項重要工作是：統(tǒng)一了天電和地電。 電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究統(tǒng)一天電與地電實驗：1752年7月，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，麻繩的下一端栓絲線，繩線接觸處栓一把銅鑰匙。銅鑰匙可以給萊頓瓶充電，與摩擦起電性質(zhì)完全相同?，F(xiàn)象：麻繩上的纖維向四周自立，猶如“怒發(fā)沖冠”影響：驗證了天電與地電是統(tǒng)一的定量研究的開始一、反平方定律的提出1750年前后，彼得堡科學院院士埃皮努斯在實驗中發(fā)現(xiàn)；當發(fā)生相互作用的電荷之間的距離縮短時，兩者之間的吸引力和排斥力便增加。1766年富蘭克林寫信給他在德國的一位朋友普利斯特利（公元1733一1804），介紹了他在實驗中發(fā)現(xiàn)在金屬杯中的軟木球完全不受金屬杯電性的影響的現(xiàn)象。他請普利斯特利給予驗證。

1769年，英國愛丁堡大學的約翰·羅比森直接用實驗推測到了平方反比律。但是，這個發(fā)現(xiàn)很晚之后才發(fā)表出來。英國科學家卡文迪許在1772年做了一個電學實驗，他用一個金屬球殼使之帶電，發(fā)現(xiàn)電荷全部分布在球殼的外表面，球腔中任何一點都沒有電的作用。定量研究的開始二、庫倫定律的建立法國物理學家?guī)靵觯ü?736—1806），起先致力于扭轉(zhuǎn)和摩擦方面的研究。由于發(fā)表了有關(guān)扭力的論文，于1781年當選為國家科學院院士。他從事研究毛發(fā)和金屬絲的扭轉(zhuǎn)彈性。1784年法國科學院發(fā)出船用羅盤最優(yōu)結(jié)構(gòu)的懸獎?wù)魑?，庫侖轉(zhuǎn)而研究電力和磁力問題。1785年庫侖自制了一臺精巧的扭秤，作了電的斥力實驗，建立了著名的庫侖定律：兩電荷之間的作用力與其距離的平方成反比，和兩者所帶電量的乘積成正比。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)一、伽伐尼電流的發(fā)現(xiàn)

意大利生理學家伽伐尼（公元1737—1798），1780年在解剖青蛙時偶然發(fā)現(xiàn)了“動物電”。有一次伽伐尼將剝?nèi)テさ那嗤芊旁诮饘侔迳希囊晃恢职呀馄实兜牡都馀龅角嗤芡壬系纳窠?jīng)，蛙腿發(fā)生了劇烈的痙攣。另一位助手發(fā)現(xiàn)不遠地方的起電機上發(fā)生了一個火花。伽伐尼知道后，立即重做了這個實驗，觀察到同樣的現(xiàn)象。總結(jié)出，動物體內(nèi)存在著一種特殊的電液，金屬只是起著傳導(dǎo)的作用，這種電液后來被稱為動物電或伽伐尼電。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)二、電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

丹麥物理學家奧斯特（公元1777—1851）首次發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)，揭開了電和磁兩種現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，從此開始了電磁學的真正研究。1820年4月在一次關(guān)于電和磁的講課快結(jié)束時，他抱著試試看的心情做了實驗，在一根根細的鉑絲導(dǎo)線的下面放一個用玻璃罩罩著的小磁針，用伽伐尼電池將鉑絲通電，他發(fā)現(xiàn)磁針偏轉(zhuǎn)，這現(xiàn)象雖然未引起聽講人的注意，卻使他非常激動！此后奧斯特花了三個月的時間，連續(xù)作了六十多個有關(guān)實驗，終于在1820年7月發(fā)表了題為《電的沖突對磁針的作用的一些實驗》的論文，向科學界宣布了“電流的磁效應(yīng)”。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)三、安培定律與分子電流假說

法國物理學家安培（公元1775－1836）出生于里昂附近一個商人家庭。少年時代就表現(xiàn)出驚人的記憶力和非凡的數(shù)學才能，完全靠自學而獲得自然科學、哲學、歷史和文學等方面的豐富知識。1799年開始一邊擔任教學工作一邊對數(shù)學進行系統(tǒng)的研究，1808年擔任法國帝國大學總督學，1809年成為巴黎工藝大學數(shù)學教授，1814年成為法國科學院院土，1824年擔任法蘭西學院實驗物理學教授，1827年被選為英國皇家學會會員。由于他在電學上的杰出成就，人們用他的名字來命名電流強度的單位。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)安培在聽了阿拉果的介紹以后，第二天重復(fù)了奧斯特的實驗，并加以發(fā)展。實驗進展非常迅速，在短短的二十天內(nèi)，取得了一系列重大成果，寫成三篇論文，在9月18日、9月25日和10月9日的科學院會議上，連續(xù)報告了他的重大發(fā)現(xiàn)。安培重復(fù)作了電流對磁針作用的實驗，從中發(fā)現(xiàn)磁針轉(zhuǎn)動的方向與電流方向的關(guān)系服從右手定則，后人稱它為安培右手定則。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)安培在假設(shè)了兩個電流元之間的相互作用力沿著它們的連線和上述四個實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了兩個電流元之間的作用力正比于它們的長度和電流強度，而與它們之間距離的平方成反比的公式，即提出了著名的安培定律。他進一步去尋找電磁現(xiàn)象的本質(zhì)原因，在1821年1月，提出了著名的分子電流假說，認為每個分子的圓形電流形成一個小磁體，當它們在外磁場的作用下呈規(guī)則排列時，就使物體呈現(xiàn)出宏觀磁性。

電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)在安培提出電流元相互作用之前，法國科學家畢奧和沙伐爾于10月30日，在法國科學院的會議上報告了，載流長直導(dǎo)線對磁極的作用正比于電流強度，反比于它們之間距離的實驗成果，后來法國數(shù)學家拉普拉斯應(yīng)用數(shù)學方法，幫助他們把實驗結(jié)果提到理論的高度，得出了畢奧—沙伐爾—拉普拉斯定律。安培總結(jié)了當時有關(guān)動電研究的成果，于1822年發(fā)表了《電動力學的觀察匯編》，1827年發(fā)表了《電動力學原理概論》，為以后建立電動力學系統(tǒng)理論作出了奠基性的貢獻。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)四、歐姆定律的確立

德國物理學家歐姆（公元1787一1854），出生于鎖匠家庭，1805年進人埃爾蘭根大學學習，1811年取得哲學博士學位。他一邊擔任中學教師一邊進行科學研究。1833年被聘為紐倫堡理工學院物理教授，1841年英國皇家學會授予他柯普利獎?wù)拢?849年他被聘為慕尼黑大學教授，終生未婚。后來人們?yōu)榱思o念他，以他的名字命名電阻單位。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)五、法拉第與電磁感應(yīng)現(xiàn)象

Ⅰ、“衰減”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

1824年阿拉果用一條磁針作成單擺，讓它在靜止的金屬盆上面按一定頻率擺動，發(fā)現(xiàn)它的運動像受到阻礙作用一樣很快衰減下來。1825年讓上述實驗裝置中的金屬盆轉(zhuǎn)動，發(fā)現(xiàn)磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，甚至會作連續(xù)轉(zhuǎn)動。1825年塞貝克用一塊磁鐵做成單擺，放在金屬附近擺動，他發(fā)現(xiàn)單擺擺動的振幅衰減要比附近沒有金屬時快得多。

電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)五、法拉第與電磁感應(yīng)現(xiàn)象

Ⅱ、法拉第及其主導(dǎo)思想

英國實驗物理學家法拉第（公元1791－1867），出生于倫敦附近的一個鐵匠家庭，因為家庭貧窮，小學沒有畢業(yè)就到倫敦一家書店當裝訂書的學徒，利用書店的有利條件，爭取空余時間努力學習，他從閱讀科學書籍中獲得了豐富的知識，尤其是《大英百科全書》和《化學漫談》這兩本書使他收益不淺。1820年奧斯特實驗對法拉第影響很大，從此他開始了電磁方面的研究，他工作了四十年，在電磁學方面的實驗研究成果，全部匯總在他的巨著《電學的實驗研究》中，此書共三十篇分為三卷分別于1839、1844、1855年出版，此外，法拉第還寫了極為詳細的日記共8冊，其中如實地記錄了他的研究設(shè)想、計劃、成果和實驗經(jīng)過，記錄了他的成功經(jīng)驗和失敗的教訓。由于法拉第在研究工作上的成就，于1821年被推選為皇家學院實驗室主任；1824年被選為皇家學會的會員；1825年任皇家研究院院長；1846年榮獲倫福德獎?wù)潞突始覄渍隆Ｈ藗優(yōu)榱思o念他，以他的名字命名了電容的單位。十九世紀初，歐洲哲學家提出“自然力”之統(tǒng)一的思想。這種思想對法拉第影響很深，使法拉第形成了對物理力的統(tǒng)一性、不可破滅性和可轉(zhuǎn)移性的觀念電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)從1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象到1851年確立電磁感應(yīng)定律，歷經(jīng)20年。德國物理學家楞茨（公元1804—1865）要在獲悉法拉第的發(fā)現(xiàn)之后，重作了許多實驗，于1832年發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電動勢與線圈的直經(jīng)，繞組導(dǎo)線的直徑和材料都沒關(guān)系。1833年提出了確定感生電流方向的法則，即“楞茨定律”。這個定律是電磁感應(yīng)符合能量轉(zhuǎn)換和守恒定律的具體表現(xiàn)。

電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)六、力線與場的概念

法拉第不相信超距作用的觀點，為了對電、磁現(xiàn)象作出正確的解釋，他提出了場的概念和力線的圖象。他用電力線和磁力線來形象地表示電場和磁場的物理圖象。力線上任一點的切線方向就是場強的方向，力線密的地方，場強就強；力線疏的地方，場強就弱。場源不變時，力線圖也不變，場源變化時。力線也發(fā)生變化。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)法拉第關(guān)于場的概念和力線的圖象，為以后麥克斯韋從數(shù)學上建立電磁場理論奠定了基礎(chǔ)。J．J．湯姆遜對法拉第的力線評價很高，他說：“在法拉第的許多貢獻中，最偉大的一個就是力線概念了。我想電場和磁場的許多性質(zhì)，借助它就可以最簡單而且富有暗示性地表示出來”。自從法拉第建立了場的概念和力線的圖象以后，超距作用的觀點逐漸衰敗，而新型的近距作用的觀點日益強化和完善。電磁場理論的建立與檢驗一、麥克斯韋英國理論物理學家麥克斯韋（公元1831—1879），1831年11月13日生于蘇格蘭的愛丁堡。他的父親是一個知識淵博的律師，使麥克斯韋從小受到良好的教育，在中學學習期間，麥克斯韋在數(shù)學和詩歌兩門課程的成績特優(yōu)秀。14歲時就在愛丁堡皇家學會會刊上發(fā)表了一篇關(guān)于二次曲線作圖問題的論文。第一次顯露出他出眾的才華，1847年麥克斯韋進入愛丁堡大學學習數(shù)學和物理、1850年轉(zhuǎn)入劍橋大學，成為著名數(shù)學家霍普金斯的研究生。電磁場理論的建立與檢驗1854年以第二名的畢業(yè)成績獲得史密斯獎金，畢業(yè)后麥克斯韋就開始了電磁學的研究。1856年在馬瑞斯凱學院任自然哲學教授，1860年到倫敦皇家學院任自然哲學和天文學教授，這期間他有機會拜訪同一學院工作的法拉第，他信服法拉第的物理思想。1865年麥克斯韋辭去教授職務(wù)，專心總結(jié)關(guān)于電磁學的研究成果，完成了電磁場理論的經(jīng)典巨著《論電和磁》并于1873年出版。1871年麥克斯韋被聘為劍橋大學物理實驗室主任，負責籌建卡文迪許實驗室，1874年被任命為第一任主任。1879年11月5日，麥克斯韋因得癌癥而病故。麥克斯韋雖然只活了49歲，但他卻寫了許多篇論文，在物理學方面他的主要貢獻是電磁場理論和光的電磁學說。人們?yōu)榱思o念他，把磁通量的單位命名為“麥克斯韋”。電磁場理論的建立與檢驗二、電磁場理論的建立麥克斯韋系統(tǒng)地研究了前人關(guān)于電磁學的實驗成果和理論成就，以他非凡的數(shù)學才能，嚴密的邏輯推理，建立了完整的電磁場理論。他共發(fā)表了四篇關(guān)于電磁場理論的論文，從這四篇文章中，可以看出麥克斯韋對電磁場理論的建立不是一蹴而成的，而是不斷探索，不斷深入研究才取得最后的成功。

1855年，麥克斯韋發(fā)表了《論法拉第的力線》的第一篇論文，麥克斯韋運用類比的方法，把電磁學與流體力學作比較，他把正負電荷比作流體的源和溝、電力線比作流管、電場比作流速等。從而麥克斯韋用數(shù)學重新概括了歐姆定律等六條基本定律。電磁場理論的建立與檢驗1862年，麥克斯韋發(fā)表了《論物理的力線》的第二篇論文。提出“位移電流”的假說。1865年，麥克斯韋發(fā)表了《電磁場動力學》的第三篇論文，他用場論的觀點對電磁理論進行了總結(jié)，他認為電磁相互作用，僅與距離有關(guān)而且依賴于相對速度，因此應(yīng)該從帶電體和磁體周圍的媒質(zhì)中發(fā)生的過程來考慮問題，而不以超距作用為出發(fā)點，從而提出了電磁場理論。

電磁場理論的建立與