(1.8)-講稿7-電磁（2）物理史話

講稿講授內(nèi)容備注第2頁共5頁引題：上節(jié)課詳細講述了人類認識電磁現(xiàn)象經(jīng)歷的曲折過程，今天開始進入下一階段的學(xué)習(xí)電磁場理論建立過程一、電磁聯(lián)系的發(fā)現(xiàn)1、電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)丹麥物理學(xué)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(xué)的真正研究。1820年4月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！奧斯特花了三個月的時間作了六十多個有關(guān)實驗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(xué)界宣布了“電流的磁效應(yīng)”。奧斯特奧斯特（公元1777—1851）丹麥物理學(xué)家1777年8月14日生于一個藥劑師家庭1794年考入哥本哈根大學(xué)1799年獲博士學(xué)位1801～1803年去德、法等國訪問，結(jié)識了許多物理學(xué)家及化學(xué)家1806年起任哥本哈根大學(xué)物理學(xué)教授1815年起任丹麥皇家學(xué)會常務(wù)秘書1820年因電流磁效應(yīng)這一杰出發(fā)現(xiàn)獲英國皇家學(xué)會科普利獎?wù)?829年起任哥本哈根工學(xué)院院長1851年3月9日在哥本哈根逝世貢獻1820年發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)奧斯特曾經(jīng)對化學(xué)親合力等作了研究。1822年他精密地測定了水的壓縮系數(shù)值，論證了水的可壓縮性。1823年他還對溫差電作出了成功的研究。對庫侖扭秤也作了一些重要的改進。在1825年最早提煉出鋁，但純度不高，以致這項成就在冶金史上歸屬于德國化學(xué)家F.維勒(1827)。他最后一項研究是40年代末期對抗磁體的研究，試圖用反極性的反感應(yīng)效應(yīng)來解釋物質(zhì)的抗磁性。同一時期M.法拉第在這方面的成就超過了奧斯特及其法國的同輩。出版了《奧斯特科學(xué)論文》集設(shè)立奧斯特獎?wù)聤W斯特的功績受到了學(xué)術(shù)界的公認，為了紀念他，國際上從1934年起命名磁場強度的單位為奧斯特，簡稱“奧”。1937年美國物理教師協(xié)會還專門設(shè)立了奧斯特獎?wù)拢瑏愍剟罱虒W(xué)有成績的優(yōu)秀物理教師。2、安培定律與分子電流假說安培(Andre-MarieAmpere,1775-1836)法國物理學(xué)家，出生于里昂附近一個商人家庭少年時代就具備非凡記憶力和的數(shù)學(xué)才能，完全靠自學(xué)而獲得自然科學(xué)、哲學(xué)、歷史和文學(xué)等方面的豐富知識。1799年起擔任教學(xué)工作同時對數(shù)學(xué)進行系統(tǒng)的研究1808年擔任法國帝國大學(xué)總督學(xué)1809年成為巴黎工藝大學(xué)數(shù)學(xué)教授1814年成為法國科學(xué)院院土1824年擔任法蘭西學(xué)院實驗物理學(xué)教授1827年被選為英國皇家學(xué)會會員。安培最主要的成就（1820—1827年）①發(fā)現(xiàn)了安培定則得知奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的實驗兩周后就提出了磁針轉(zhuǎn)動方向和電流方向的關(guān)系及從右手定則的報告，以后這個定則被命名為安培定則②發(fā)現(xiàn)電流的相互作用規(guī)律提出了電流方向相同的兩條平行載流導(dǎo)線互相吸引，電流方向相反的兩條平行載流導(dǎo)線互相排斥。對兩個線圈之間的吸引和排斥也作了討論③發(fā)明了電流計安培還發(fā)現(xiàn)，電流在線圈中流動的時候表現(xiàn)出來的磁性和磁鐵相似，創(chuàng)制出第一個螺線管，在這個基礎(chǔ)上發(fā)明了探測和量度電流的電流計④提出分子電流假說他根據(jù)磁是由運動的電荷產(chǎn)生的這一觀點來說明地磁的成因和物質(zhì)的磁性。提出了著名的分子電流假說。⑤總結(jié)了電流元之間的作用規(guī)律——安培定律安培做了關(guān)于電流相互作用的四個精巧的實驗，并運用高度的數(shù)學(xué)技巧總結(jié)出電流元之間作用力的定律，描述兩電流元之間的相互作用同兩電流元的大小、間距以及相對取向之間的關(guān)系。后來人們把這定律稱為安培定律。安培第一個把研究動電的理論稱為“電動力學(xué)”1827年安培將他的電磁現(xiàn)象的研究綜合在《電動力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論》一書中。他在數(shù)學(xué)和化學(xué)方面貢獻他曾研究過概率論和積分偏微方程他幾乎與H戴維同時認識元素氯和碘導(dǎo)出過阿伏伽德羅定律論證過恒溫下體積和壓強之間的關(guān)系還試圖尋找各種元素的分類和排列順序關(guān)系安培定律與分子電流假說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(xué)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。安培定律與分子電流假說安培在假設(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(xué)的觀察匯編》，1827年發(fā)表了《電動力學(xué)原理概論》，為以后建立電動力學(xué)系統(tǒng)理論作出了奠基性的貢獻。趣事1．懷表變卵石懷表被扔進了塞納河。2．馬車車廂做“黑板”3．“電學(xué)中的牛頓”麥克斯韋稱贊安培的工作是“科學(xué)上最光輝的成就之一，還把安培譽為“電學(xué)中的牛頓”。安培在他的一生中，只有很短的時期從事物理工作，可是他卻能以獨特的、透徹的分析，論述帶電導(dǎo)線的磁效應(yīng)，因此我們稱他是電動力學(xué)的先創(chuàng)者，他是當之無愧的。3、畢奧—沙伐爾定律在安培提出電流元相互作用之前，法國科學(xué)家畢奧和沙伐爾于10月30日，在法國科學(xué)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(xué)家拉普拉斯應(yīng)用數(shù)學(xué)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。4、歐姆定律的確立德國物理學(xué)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(xué)學(xué)習(xí)1811年取得哲學(xué)博士學(xué)位。他一邊擔任中學(xué)教師一邊進行科學(xué)研究1833年被聘為紐倫堡理工學(xué)院物理教授1841年英國皇家學(xué)會授予他柯普利獎?wù)?849年他被聘為慕尼黑大學(xué)教授，終生未婚。為了紀念他，以他的名字命名電阻單位。二、法拉第與電磁感應(yīng)現(xiàn)象1、“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?xí)鬟B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。2、法拉第及其主導(dǎo)思想英國實驗物理學(xué)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(xué)沒有畢業(yè)就到倫敦一家書店當裝訂書的學(xué)徒，利用書店的有利條件，爭取空余時間努力學(xué)習(xí)，他從閱讀科學(xué)書籍中獲得了豐富的知識，尤其是《大英百科全書》和《化學(xué)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(xué)方面的實驗研究成果，全部匯總在他的巨著《電學(xué)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(xùn)。由于法拉第在研究工作上的成就于1821年被推選為皇家學(xué)院實驗室主任；1824年被選為皇家學(xué)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?。人們?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(xué)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。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(xué)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)。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。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(xué)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。三、麥克斯韋的電磁場理論1.麥克斯韋英國理論物理學(xué)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(xué)學(xué)習(xí)期間，麥克斯韋在數(shù)學(xué)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(xué)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(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理1850年轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)，成為著名數(shù)學(xué)家霍普金斯的研究生。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(xué)的研究。1856年在馬瑞斯凱學(xué)院任自然哲學(xué)教授1860年到倫敦皇家學(xué)院任自然哲學(xué)和天文學(xué)教授，這期間他有機會拜訪同一學(xué)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(xué)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(xué)物理實驗室主任，負責籌建卡文迪許實驗室1874年被任命為卡文迪許實驗室第一任主任。1879年11月5日，麥克斯韋因得癌癥而病故。2.麥克斯韋的貢獻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(xué)方面有：彈性物體的平衡、固體轉(zhuǎn)動定律、土星環(huán)的穩(wěn)定性、顏色視覺、氣體分子速率分布等方面的成果，他的主要貢獻是電磁場理論和光的電磁學(xué)說。人們?yōu)榱思o念他，把磁通量的單位命名為“麥克斯韋”。麥克斯韋系統(tǒng)地研究了前人關(guān)于電磁學(xué)的實驗成果和理論成就，以他非凡的數(shù)學(xué)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(xué)與流體力學(xué)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(xué)重新概括了歐姆定律等六條基本定律。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(xué)》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。麥克斯韋為了對電磁現(xiàn)象能夠進行定量的計算，把已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的庫侖定律、安培定律……高斯定理、環(huán)路定理等，用二十個變量列出二十個方程，成為電磁場的一般方程組。現(xiàn)在把電磁場的基本規(guī)律只歸納為四個方程，即麥克斯韋方程組的微分形式麥克斯韋斷定光是一種短波長的電磁波。他在論文中寫道：“這一速度與光速如此接近，看來我們有充分的理由斷定，光本身（包括熱輻射和其他形式的輻射）是以波動形式在電磁場中按電磁波規(guī)律傳播的一種電磁振動?！边@就是麥克斯韋所創(chuàng)立的光的電磁波學(xué)說。這樣，他把原來互相獨立的電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)三個物理部門結(jié)合起來，成為十九世紀中葉物理學(xué)上實現(xiàn)的一次大綜合。1873年，麥克斯韋發(fā)表了《電磁場通論》一書，這是一部集電磁理論之大成的經(jīng)典著作。3.赫茲（公元1857—1894）是柏林大學(xué)物理學(xué)教授亥姆霍茲的學(xué)生，他在老師的影響下，認真鉆研了各種電磁學(xué)理論，深為麥克斯韋理論所吸引，決心用實驗來證實電磁場理論。1885年，赫茲作了一個放電實驗，他作了一個具有初級