zx第三章-电磁.

LOGO第三章电磁学的发展LOGO§3.1历史概述•静磁现象和静电现象很早就受到人类注意。公元前6、7世纪发现了磁石吸铁、磁石指南以及摩擦生电等现象。系统地对这些现象进行研究则始于16世纪。1600年英国医生吉尔伯特发表了《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》。他总结了前人对磁的研究,周密地讨论了地磁的性质,记载了大量实验,使磁学从经验转变为科学。书中他也记载了电学方面的研究。LOGO•图3－1吉伯关于锻打使铁产生磁性的一幅画（图中septentrio表示北，avster表示南）LOGO•图3－2吉伯LOGO•图3－3吉伯向伊丽莎白女皇介绍磁学新成果LOGO•图3－4吉伯研究磁倾角LOGO§3.1历史概述•静电现象的研究要困难得多,因为一直没有找到恰当的方式来产生稳定的静电和对静电进行测量。只有等到发明了摩擦起电机,才有可能对电现象进行系统的研究,这时人类才开始对电有初步认识。LOGO•图3－5盖里克的摩擦起电机LOGO§3.1历史概述•1750年米切尔提出磁极之间的作用力服从平方反比定律,1785年库仑(CharlesAugustinCoulomb,1736—1806)公布了用扭秤实验得到电力的平方反比定律,使电学和磁学进入了定量研究的阶段。LOGO§3.1历史概述•1780年,伽伐尼(AloisioGalvani,1737—1798)发现动物电,1800年伏打(AlessandroVolta,1745—1827)发明电堆,使稳恒电流的产生有了可能,电学由静电走向动电,导致1820年奥斯特(HansChristianOersted,1777—1851)发现电流的磁效应。于是,电学与磁学彼此隔绝的情况有了突破,开始了电磁学的新阶段。LOGO•图3－20伽伐尼的青蛙实验LOGO•图3－21伽伐尼用金属叉使蛙腿痉挛LOGO§3.1历史概述•在这以后,电磁学的发展势如破竹。19世纪二、三十年代成了电磁学大发展的时期。•首先对电磁作用力进行研究的是法国科学家安培(AndréMariemperè,1775—1836),他在得知奥斯特发现之后,重复了奥斯特的实验,提出了右手定则,并用电流绕地球内部流动解释地磁的起因。接着他研究了载流导线之间的相互作用,建立了电流元之间的相互作用规律——安培定律。与此同时,比奥−沙伐定律也得到发现。LOGO§3.1历史概述•英国物理学家法拉第对电磁学的贡献尤为突出。1831年发现电磁感应现象,进一步证实了电现象与磁现象的统一性。法拉第坚信电磁的近距作用,认为物质之间的电力和磁力都需要由媒介传递,媒介就是电场和磁场。LOGO§3.1历史概述•电流磁效应的发现,使电流的测量成为可能。1826年欧姆(GeorgSimonOhm,1784—1854)因而确定了电路的基本规律——欧姆定律。及至1865年,麦克斯韦把法拉第的电磁近距作用思想和安培开创的电动力学规律结合在一起,用一套方程组概括电磁规律,建立了电磁场理论,预测了光的电磁性质,终于实现了物理学史上第二次大综合。LOGO§3.2早期的静电学研究•早在公元前5世纪的希腊时代,就有了关于静电现象的历史记载。Electricity(电)这个字的起源就来自希腊文的“琥珀”。我国西汉末年有“瑇瑁吸鍩”的记录。西晋时期,《博物志》中,也有摩擦起电的记载。直到1660年盖里克发明摩擦起电机,才有可能对电现象作详细观察和细致研究。这种摩擦起电机实际上是一个可以绕中心轴旋转的大硫磺球,用人手或布帛摸抚转动的球体表面,球面上就可以产生大量的电荷。1705年豪克斯比(F.Hauksbee)用空心玻璃壳代替硫磺球,后来别的实验家又陆续予以改进,直到18世纪末,摩擦起电机都一直是研究电现象的基本工具。•LOGO•图3－5盖里克的摩擦起电机LOGO•图3－6盖里克举起硫磺球LOGO•图3－7盖里克LOGO•1720年,格雷(S.Gray,1675—1736)研究了电的传导现象,发现导体与绝缘体的区别。随后,他又发现导体的静电感应现象。§3.2早期的静电学研究LOGO•图3－8格雷的导电实验LOGO•图3－9格雷拿小孩做实验LOGO§3.2早期的静电学研究•1733年,杜菲(duFay,1698—1739)经过实验区分出两种电荷,他分别称之为松脂电(即负电)和玻璃电(即正电),并由此总结出静电作用的基本特性:同性相斥,异性相吸。LOGO§3.2早期的静电学研究•莱顿瓶的发明使电现象得到更深入的研究,这是克莱斯特(Kleist,1700—1748)和马森布洛克(Musschenbrock,1692—1761)在1745—1746年分别独立作出的。LOGO§3.2早期的静电学研究•富兰克林(BenjaminFranklin,1706—1790)进一步对放电现象进行研究。他发现了尖端放电,发明了避雷针,研究了雷电现象,从莱顿瓶的研究中,提出了电荷守恒原理。1747年富兰克林用电流体假说阐述了这一思想。LOGO•图3－10富兰克林LOGO•图3－11富兰克林的《电的实验和观察》LOGO§3.2早期的静电学研究•康顿(JohnCanton)在1754年用电流体假说解释了静电感应现象。LOGO§3.2早期的静电学研究•静电学三条基本原理:静电力基本特性、电荷守恒和静电感应原理都已经建立,对电的认识有了初步的成果。然而,如果不建立定量的规律,电的知识还不能形成一门严密的科学。LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.1从万有引力得到的启示•德国柏林科学院院士爱皮努斯(F.U.T.Aepinus,1724—1802)1759年对电力作了研究。他在书中假设电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减少而增大,于是对静电感应现象作出了更完善的解释。不过,他并没有实际测量电荷间的作用力,因而只是一种猜测。LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.1从万有引力得到的启示•1760年,D.伯努利首先猜测电力会不会也跟万有引力一样,服从平方反比定律。他的想法显然有一定的代表性,因为平方反比定律在牛顿的形而上学自然观中是很自然的观念,如果不是平方反比,牛顿力学的空间概念就要重新修改。LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.1从万有引力得到的启示•富兰克林的空罐实验(也叫冰桶实验)对电力规律有重要启示。1755年,他在给兰宁(JohnLining)的信中,提到过这样的实验:•“我把一只品脱银罐放在电支架(按:即绝缘支架)上,使它带电,用丝线吊着一个直径约为1英寸的木椭球,放进银罐中,直到触及罐的底部,但是,当取出时,却没有发现接触使它带电,象从外部接触的那样。”LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.1从万有引力得到的启示•富兰克林有一位英国友人,名叫普利斯特利(JosephPriest−ley,1733—1804),是化学家,对电学也很有研究。富兰克林写信告诉他这个实验并向他求教。普利斯特利专门重复了这个实验,在1767年的《电学历史和现状及其原始实验》一书中他写道:LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.1从万有引力得到的启示•“难道我们就不可以从这个实验得出结论:电的吸引与万有引力服从同一定律,即距离的平方,因为很容易证明,假如地球是一个球壳,在壳内的物体受到一边的吸引作用,决不会大于另一边的吸引。”LOGO•图3－12普利斯特利LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.1从万有引力得到的启示•普利斯特利的这一结论不是凭空想出来的,因为牛顿早在1687年就证明过,如果万有引力服从平方反比定律,则均匀的物质球壳对壳内物体应无作用。他在《自然哲学的数学原理》第一篇第十二章《球体的吸力》一开头提出的命题,内容是:“设对球面上每个点都有相等的向心力,随距离的平方减小,在球面内的粒子将不会被这些力吸引。”LOGO•图3-13牛顿证明球壳内任一点不受球壳引力作用LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.1从万有引力得到的启示•牛顿的论述是众所周知的。显然,读过牛顿著作的人都可能推想到,凡是遵守平方反比定律的物理量都应遵守这一论断。换句话说,凡是表现这种特性的作用力都应服从平方反比定律。这就是普利斯特利从牛顿著作中得到的启示。LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.1从万有引力得到的启示•在这中间有两个人曾作过定量的实验研究,并得到明确的结论。可惜,都因没有及时发表而未对科学的发展起到应有的推动作用。LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.1从万有引力得到的启示•一位是苏格兰的罗比逊(JohnRobison)设计了一个杠杆装置,如图。装置很精巧,利用活动杆所受重力和电力的平衡,从支架的平衡角度求电力与距离的关系。不过,他的装置只适于对同性电荷进行实验。罗比逊认为,指数偏大的原因应归于实验误差,由此得出结论,正如爱皮努斯的推测,电力服从平方反比定律。LOGO•图3-14罗比逊的实验装置LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.1从万有引力得到的启示•另一位是卡文迪什(HenryCavendish,17310−1810)。他在1773年用两个同心金属壳作实验,如图。外球壳由两个半球装置而成,两半球合起来正好形成内球的同心球。LOGO•图3－16卡文迪什LOGO•图3-15卡文迪什的实验装置LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.2卡文迪什和米切尔的工作•米切尔是天文学家,也对牛顿的力学感兴趣。在1751年发表的短文《论人工磁铁》中,他写道：“每一磁极吸引或排斥,在每个方向,在相等距离其吸力或斥力都精确相等⋯⋯按磁极的距离的平方的增加而减少,”他还说:“这一结论是从我自己做的和我看到别人做的一些实验推出来的。⋯⋯但我不敢确定就是这样,我还没有做足够的实验,还不足以精确地做出定论。”•LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.2卡文迪什和米切尔的工作•米切尔和卡文迪什都是英国剑桥大学的成员,在他们中间有深厚的友谊和共同的信念。米切尔得知库仑发明扭秤后,曾建议卡文迪什用类似的方法测试万有引力。这项工作使卡文迪什后来成了第一位直接测定引力常数的实验者。正是由于米切尔的鼓励,卡文迪什做了同心球的实验。LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.2卡文迪什和米切尔的工作•但是卡文迪什的同心球实验结果和他自己的许多看法,却没有公开发表。直到19世纪中叶,开尔文(即W.汤姆生)发现卡文迪什的手稿中有圆盘和同半径的圆球所带电荷的正确比值,才注意到这些手稿的价值,经他催促,才于1879年由麦克斯韦整理发表。卡文迪什的许多重要发现竟埋藏了一百年之久。LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.2卡文迪什和米切尔的工作•对此,麦克斯韦写道:“这些关于数学和电学实验的手稿近20捆,”其中“物体上电荷(分布)的实验,卡文迪什早就写好了详细的叙述,并且费了很大气力书写得十分工整(就象要拿出去发表的样子),而且所有这些工作在1774年以前就已完成,但卡文迪什(并不急于发表)仍是兢兢业业地继续做电学实验,直到1810年去世时,手稿仍在他自己身边。”LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.3库仑的扭秤实验•1.库仑虽然直接测量了电荷之间作用力与距离的关系,但精确度毕竟有限,如果用平方反比关系表示,其指数偏差可达0.04。•2.库仑并没有改变电量进行测量,而是说“假说的前一部分无需证明”,显然他是在模仿万有引力定律,认为电力分别与相互作用的两个电荷量成正比,就如同万有引力分别与相互作用的两个物体的质量成正比一样。LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.3库仑的扭秤实验•3.库仑在另一篇论文中还提到磁力的平方反比关系,写道:“看来,磁流体即使不在本质上,至少也在性质上与电流体相似。基于这种相似性,可以假定这两种流体遵从若干相同的定律。”LOGO•图3－17库仑的电扭秤实验装置LOGO•图3－18库仑的电摆实验装置LOGO§3.3库仑定律的发现和验证•3.3.4类比方法的意义LOGO§3.4稳恒电流的获得与研究•3.4.1伽伐尼的研究•伽伐尼是一位解剖学教授,1780年9月的一天,