電磁場(chǎng)與電磁波發(fā)展史

電磁場(chǎng)與電磁波發(fā)展史電磁場(chǎng)與電磁波發(fā)展史這學(xué)期，我們學(xué)習(xí)了《電磁場(chǎng)與電磁波》這門課程，課程雖已結(jié)束，但在學(xué)習(xí)過程中獲得的知識(shí)卻會(huì)讓我們每個(gè)人受益終身。每一門學(xué)科都有一個(gè)發(fā)展完善的過程，我將用自己查閱到的資料與自己的理解簡(jiǎn)單介紹一下電磁場(chǎng)與電磁波的發(fā)展史。電磁學(xué)是研究電磁現(xiàn)象的規(guī)律的學(xué)科，其中，在電磁學(xué)里，電磁場(chǎng)（elect--romagneticfield）是一種由帶電物體產(chǎn)生的一種物理場(chǎng)；電磁波（electromagneticwave）（又稱電磁輻射）是由同相振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面，有效的傳遞能量和動(dòng)量。關(guān)于電磁現(xiàn)象的觀察記錄，可以追溯到公元前6世紀(jì)希臘學(xué)者泰勒斯（Thales），他觀察到用布摩擦過的琥珀能吸引輕微物體，英文中“電”的語源就來自希臘文“琥珀”一詞。在我國(guó)，最早是在公元前4到3世紀(jì)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期《韓非子》中關(guān)于司南（一種用天然磁石做成的指向工具）和《呂氏春秋》中有關(guān)“慈石召鐵”的記載。由此可見，電磁現(xiàn)象很早就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。然而真正對(duì)電磁現(xiàn)象的系統(tǒng)研究則要等到十六世紀(jì)以后，并且靜電學(xué)的研究要晚于靜磁學(xué)，這是由于難以找到一個(gè)能產(chǎn)生穩(wěn)定靜電場(chǎng)的方法，這種情況一直持續(xù)到1660年摩擦起電機(jī)被發(fā)明出來。十八世紀(jì)以前，人們一直采用這類摩擦起電機(jī)來產(chǎn)生研究靜電場(chǎng)，代表人物如本杰明富蘭克林。人們?cè)谶@一時(shí)期主要了解到了靜電力的同性相斥、異性相吸的特性、靜電感應(yīng)現(xiàn)象以及電荷守恒原理。后來，人們?cè)鴮㈧o電力與在當(dāng)時(shí)已享有盛譽(yù)的萬有引力定律做類比，發(fā)現(xiàn)彼此在理論和實(shí)驗(yàn)上都有很多相似之處，包括實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到帶電球殼內(nèi)部的球體不會(huì)帶電，這和有質(zhì)量的球殼內(nèi)部物體不會(huì)受到引力作用（由牛頓在理論上證明，是平方反比力的一個(gè)特征）的情形類似。其間蘇格蘭物理學(xué)家約翰羅比遜（1759年）和英國(guó)物理學(xué)家亨利卡文迪什（1773年）等人都進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了靜電力的平方反比律，然而他們的實(shí)驗(yàn)卻遲遲不為人知。法國(guó)物理學(xué)家夏爾奧古斯丁庫(kù)侖于1784年至1785年間進(jìn)行了他著名的扭秤實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)的主要目的就是為了證實(shí)靜電力的平方反比律，因?yàn)樗J(rèn)為“假說的前一部分無需證明”，也就是說他已經(jīng)先驗(yàn)性地認(rèn)為靜電力必然和萬有引力類似，和電荷電量成正比。扭秤的基本構(gòu)造為：一根水平懸于細(xì)金屬絲的輕導(dǎo)線兩端分別置有一個(gè)帶電小球A和一個(gè)與之平衡的物體P，而在實(shí)驗(yàn)中在小球A的附近放置同樣大小的帶電小球B，兩者的靜電力會(huì)在輕導(dǎo)線上產(chǎn)生扭矩，從而使輕桿轉(zhuǎn)動(dòng)。通過校正懸絲上的旋鈕可以將小球調(diào)回原先位置，則此時(shí)懸絲上的扭矩等于靜電力產(chǎn)生的力矩。如此，兩者之間的靜電力可以通過測(cè)量這個(gè)扭矩、偏轉(zhuǎn)角度和導(dǎo)線長(zhǎng)度來求得。庫(kù)侖的結(jié)論為：對(duì)同樣材料的金屬導(dǎo)線而言，扭矩的大小正比于偏轉(zhuǎn)角度，導(dǎo)線橫截面直徑的四次方，且反比于導(dǎo)線的長(zhǎng)度—夏爾奧古斯丁庫(kù)侖，《金屬導(dǎo)線扭矩和彈性的理論和實(shí)驗(yàn)研究》庫(kù)侖在其后的幾年間也研究了磁偶極子之間的作用力，他也得出了磁力也具有平方反比律的結(jié)論。不過，他并未認(rèn)識(shí)到靜電力和靜磁力之間有何內(nèi)在聯(lián)系，而且他一直將電力和磁力吸引和排斥的原因歸結(jié)于假想的電流體和磁流體——具有正和負(fù)區(qū)別的，類似于“熱質(zhì)”一般的無質(zhì)量物質(zhì)。靜電力的平方反比律確定后，很多后續(xù)工作都是同萬有引力做類比從而順理成章的結(jié)果。1813年法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家西莫恩德尼泊松指出拉普拉斯方程也適用于靜電場(chǎng)，從而提出泊松方程；其他例子還包括靜電場(chǎng)的格林函數(shù)（喬治格林，1828年）和高斯定理（卡爾高斯，1839年）。意大利物理學(xué)家亞歷山德羅伏打1800年發(fā)明了伏打電堆、伏打電池，伏打電堆和電池的發(fā)明為研究穩(wěn)恒電流創(chuàng)造了條件。庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)了磁力和電力一樣遵守平方反比律，但他沒有進(jìn)一步推測(cè)兩者的內(nèi)在聯(lián)系，然而人們?cè)谧匀唤缰杏^察到的電流的磁現(xiàn)象（如富蘭克林在1751年發(fā)現(xiàn)放電能將鋼針磁化）促使著人們不斷地探索這種聯(lián)系。首先發(fā)現(xiàn)這種聯(lián)系的人是丹麥物理學(xué)家奧斯特，他本著這種信念進(jìn)行了一系列有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，最終于1820年發(fā)現(xiàn)接通電流的導(dǎo)線能對(duì)附近的磁針產(chǎn)生作用力，這種磁效應(yīng)是沿著圍繞導(dǎo)線的螺旋方向分布的。在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后，法國(guó)物理學(xué)家讓-巴蒂斯特畢奧和費(fèi)利克斯薩伐爾進(jìn)一步詳細(xì)研究了載流直導(dǎo)線對(duì)周圍磁針的作用力，并確定其磁力大小正比于電流強(qiáng)度，反比于距離，方向垂直于距離連線，這一規(guī)律被歸納為著名的畢奧-薩伐爾定律。1826年，安培從斯托克斯定理推導(dǎo)得到了著名的安培環(huán)路定理，證明了磁場(chǎng)沿包圍產(chǎn)生其電流的閉合路徑的曲線積分等于其電流密度，這一定理成為了麥克斯韋方程組的基本方程之一。安培的工作揭示了電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，將電磁學(xué)研究真正數(shù)學(xué)化，成為物理學(xué)中又一大理論體系——電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。麥克斯韋稱安培的工作是“科學(xué)史上最輝煌的成就之一”，后人稱安培為“電學(xué)中的牛頓”。邁克爾法拉第（MichaelFaraday，1791-1867),英國(guó)著名物理學(xué)家、化學(xué)家。在化學(xué)、電化學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域都做出過杰出貢獻(xiàn)。他家境貧寒，未受過系統(tǒng)的正規(guī)教育，但卻在眾多領(lǐng)域中作出驚人成就，堪稱刻苦勤奮、探索真理、不計(jì)個(gè)人名利的典范。從1824年起，法拉第進(jìn)行了一系列相關(guān)實(shí)驗(yàn)試圖尋找導(dǎo)體中的感應(yīng)電流，然而始終未獲成功。直到1831年8月29日，法拉第在軟鐵環(huán)兩側(cè)分別繞兩個(gè)線圈，其一為閉合回路，在導(dǎo)線下端附近平行放置一磁針，另一與電池組相連，接開關(guān)，形成有電源的閉合回路。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合上開關(guān)，磁針偏轉(zhuǎn)；切斷開關(guān)，磁針反向偏轉(zhuǎn)，這表明在無電池組的線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電流。法拉第立即意識(shí)到，這是一種非恒定的暫態(tài)效應(yīng)。緊接著他做了幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)，把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情形概括為5類：變化的電流，變化的磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的恒定電流，運(yùn)動(dòng)的磁鐵，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體，并把這些現(xiàn)象正式定名為電磁感應(yīng)。進(jìn)而，法拉第發(fā)現(xiàn)，在相同條件下不同金屬導(dǎo)體回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流與導(dǎo)體的導(dǎo)電能力成正意義。法拉第另一個(gè)重要的貢獻(xiàn)是創(chuàng)立了力線和場(chǎng)的概念，力線實(shí)際是否認(rèn)了超距作用的存在，這些思想成為了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)。愛因斯坦稱其為“物理學(xué)中引入了新的、革命性的觀念，它們打開了一條通往新的哲學(xué)觀點(diǎn)的道路”。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對(duì)其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場(chǎng)之間的聯(lián)系。牛頓曾經(jīng)說過：“如果我比別人看得遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟??！蔽以跉J佩牛頓謙虛的同時(shí)，也不得不佩服這句話的精辟。在科學(xué)研究中，任何偉大的成果都不可能是在一朝一夕之間就研究出來的，這必須要經(jīng)過很多科學(xué)家的研究成果的積累。電磁學(xué)發(fā)展到法拉第時(shí)代時(shí)已經(jīng)比較完善，但還存在缺陷。在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的那一年，英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家詹姆斯克拉克麥克斯韋出生，他因創(chuàng)立電磁場(chǎng)理論而成為十九世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家，他對(duì)電磁理論的貢獻(xiàn)是里程碑式的。麥克斯韋于1856年發(fā)表了他的第一篇論文《論法拉弟的力線》，在這篇文章中，他試圖用數(shù)學(xué)語言精確地表述法拉弟的力線概念，他采用數(shù)學(xué)推論與物理類比相結(jié)合的方法，以假想流體的力學(xué)模型去模擬電磁現(xiàn)象。他說：“借助于這種類比，我試圖以一種方便的和易于處理的形式為研究電現(xiàn)象提供必要的數(shù)學(xué)觀念”他的目標(biāo)是想據(jù)此統(tǒng)一已知的電磁學(xué)定律。麥克斯韋為達(dá)到此目的，他運(yùn)用了“建立力學(xué)模型——引出基本公式——進(jìn)行數(shù)學(xué)引伸推導(dǎo)”的解決科學(xué)問題的思路和方法。麥克斯韋在完成了統(tǒng)一已知電磁學(xué)定律的第一階段工作后，又投入到第二階段工作中。他于1862年發(fā)表了具有決定意義的論文《論物理學(xué)的力線》。麥克斯韋在這篇著作中，突破了法拉弟的電磁觀念，創(chuàng)造性地提出了自己理論的核心部分——位移電流的概念。在這一工作中，他一方面結(jié)合數(shù)學(xué)推論以邏輯手段揭示了舊電磁理論的內(nèi)在矛盾，另一方面則構(gòu)造了一個(gè)與以前的流體力學(xué)模型不同的、新的電磁以大模型。1864年，麥克斯韋又發(fā)表了第三篇著名的論文《電磁場(chǎng)的動(dòng)力理論》。在這篇論文中，麥克斯韋舍棄了他原來提出的力學(xué)模型而完全轉(zhuǎn)向場(chǎng)論的觀點(diǎn)，并明確論述了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的統(tǒng)一性，奠定了光的電磁理論的基礎(chǔ)。1868年，麥克斯韋發(fā)表了一篇論文《關(guān)于光的電磁理論》，明確地創(chuàng)立了光的電磁學(xué)說。他說：“光也是電磁波的一種，光是一種能看得見的電磁波?！边@樣，麥克斯韋就把原來相互獨(dú)立的電、磁和光都統(tǒng)一起來了，成為十九世紀(jì)物理學(xué)上實(shí)現(xiàn)的一次重大理論綜合。1873年麥克斯韋出版電磁理論的經(jīng)典著作《論電和磁》在這部著作中，麥克斯韋對(duì)電磁理論作了全面系統(tǒng)和嚴(yán)密的論述，并從數(shù)學(xué)上證明了方程組解的唯一性，從而表明這個(gè)方程組是能夠精確地反映電磁場(chǎng)的客觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的完整理論?？茖W(xué)史上，牛頓把天上和地上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一起來，是實(shí)現(xiàn)第一次大綜合，麥克斯韋把電、光統(tǒng)一起來，是實(shí)現(xiàn)第二次大綜合，因此應(yīng)與牛頓齊名。下面就是我們?cè)谡n上學(xué)到的麥克斯韋方程組：.麥克斯韋方程組的微分形式式中：p是自由電荷的體密度；是傳導(dǎo)電流密度；.麥克斯韋方程組的積分形式是位移電流密度。三個(gè)描述介質(zhì)性質(zhì)的方程式.對(duì)于各向同性介質(zhì)來說，有：=srs0二|jr|j0二o式