电磁学发展史

电磁学发展史普通物理学普通物理学电磁学发展史菏泽学院化学与化工系2011年5月31日电磁学发展史普通物理学一、磁与静电希腊七贤中有一位名叫泰勒斯的哲学家。公元前600年前后，泰勒斯看到当时的希腊人通过摩擦琥珀吸引羽毛，用磁铁矿石吸引铁片的现象，曾对其原因进行过一番思考。据说他的解释是：“万物皆有灵。磁吸铁，故磁有灵。”这里所说的“磁”就是磁铁矿石。希腊人把琥珀叫做“elektron”（与英文“电”同音）。他们从波罗的海沿岸进口琥珀，用来制作手镯和首饰。当时的宝石商们也知道摩擦琥珀能吸引羽毛，不过他们认为那是神灵或者魔力的作用。电磁学发展史普通物理学在东方，中国人民早在公元前2500年前后就已经具有天然的磁石知识。古人将磁石称为慈石来形容磁石“以为母也，故能引其子”的功能。据《吕氏春秋》一书记载，中国在公元前1000年前后就已经有的指南针，他们在古代就已经用磁针来辨别方向了。在13世经罗盘就已经在航海中得到了应用。那时的罗盘是把加工成针形的磁铁矿石放在秸秆里，使之能浮在水面上。电磁学发展史普通物理学到了14世纪初，又制成了用绳子把磁针吊起来的航海罗盘。这种罗盘在1492年哥伦布发现美洲新大陆以及1519年麦哲伦发现环绕地球一周的航线时发挥了重要的作用。十三世纪前后，欧洲学术复兴，通过实验研究自然规律蔚然成风。当时通过磁学实验，发现了磁石有两极，并命名为N极和S极，并证实了异性磁极相吸，同性磁极相斥。还发现一根磁针断为两半时，电磁学发展史普通物理学每一半又各自成为一根独立的小磁针。但这股实验风气，立即遭到教廷中那些僧侣的反对，被压了下去。电和磁的研究又进入了停顿期。直到英国人吉尔伯特——作为伊丽莎白女王的御医，他在当医生的同时，也对磁进行了研究。他总结了多年来关于磁的实验结果，于1600年出了一本取名为《论磁学》的书。书中指出地球本身就是一块大磁石，并且详细地阐述了罗盘的磁倾角问题。吉尔伯特还认真研究了摩擦琥珀吸引羽毛的现象，指出这种现象不仅存在于电磁学发展史普通物理学琥珀上，而且存在于硫磺，毛皮，陶瓷，火漆，纸，丝绸，金属，橡胶等是摩擦起电物质系列。把这个系列中的两种物质相互摩擦，系列中排在前面的物质将带正电，排在后面的物质将带负电。那时候，主要的研究方法就是思考，而他主张真正的研究应该以实验为基础，他提出这种主张并付诸实践，在这点上，可以说吉尔伯特是近代科学研究方法的开创者。电磁学发展史普通物理学•1663年，盖里克发明摩擦起电机;•1720年，英国牧师格雷研究了电的传导现象;•1733年，杜非分别了两种电：松脂电和玻璃电；•1746年，富兰克林提出了正电、负电的概念一直沿用至今。电这个神奇的精灵总是一闪而逝，与对它好奇，并热心研究它的人捉迷藏，但它还是没有逃过人类智慧——终于有一天，人们在莱顿瓶里捉住了它······电磁学发展史普通物理学1745年，荷兰莱顿城莱顿大学教授马森布洛克（Musschenbrock)发现了莱顿瓶，为贮存电荷找到了一个方法。莱顿瓶就是一个玻璃瓶，在瓶里和瓶外分别贴有锡箔。瓶里锡箔通过金属链与金属棒连接，棒的上端是一个金属球。法国人诺莱特在一座巴黎大教堂前邀请了法国路易十五的皇室成员临场观看：七百名修道士手拉手排成一行，排头的修道士用手握住莱顿瓶，当莱顿瓶充电后，让排尾的修道士触摸莱顿瓶的引线。顿时，七百名修道士几乎同时跳了起来。在场的人目瞪口呆，从而展示了电的巨大威力。电磁学发展史普通物理学在公元前的中国，打雷被认为是神的行为。说是有五位司雷电的神仙，其长者称为雷祖，雷祖之下是雷公和电母。打雷就是雷公在天上敲大鼓，闪电就是电母用两面镜子把光射向下界。到了亚里斯多德时代就已经比较科学了。认为雷的发生是由于大地上的水蒸气上升，形成雷雨云，雷雨云遇到冷空气凝缩而变成雷雨，同时伴随出现强光。认为雷是静电而产生的是英国人沃尔，那是1708年的事。1748年，富兰克林基于同样的认识设计了避雷针。电磁学发展史普通物理学富兰克林（1706-1790）美国人，在全家17个孩子中排行15，其父是小手工业者，家境贫困。他在10岁时缀学，12岁当印刷所学徒，阅读了许多书籍，后来成为科学家和政治家。他科学兴趣广泛，研究了火炉的改良，植物的移植，传染病的防治，研究了极光现象，写出了《电学的实验和研究》的著作。他还是独立宣言和美国宪法的起草人之一，为祖国的独立和解放作出了贡献的政治活动家。美国独立战争期间，已经年老的富兰克林代表初创的美国出使法国，利用英法之间的矛盾争取了法国的援助。电磁学发展史普通物理学1743年创立美国哲学学会；1751年协助创办宾夕法尼亚大学，1756年当选为英国皇家学会会员。自己写的墓志铭：“印刷工富兰克林”。富兰克林40岁时，观看了电学实验，从而对电有了兴趣。其中有一个想法，天上的电和地电是统一的吗?1752年7月，一个电闪雷鸣的上午，他将一个风筝放到空中，风筝下有一根铁丝，铁丝下栓一根麻绳，麻绳的下一端拴丝线，绳线接触处栓了一把钥匙。同时他还把从云端“吸取”的电荷收集在莱顿瓶中，并进行其它实验。电磁学发展史普通物理学现象：麻绳上得纤维向四周自立，犹如“怒发冲冠”，铜钥匙可以给莱顿瓶充电，与摩擦电性质完全相同。小插曲：为了验证“地电”与“天电”的相同处，富兰克林想到雷可以击死动物，于是他就实验用“地电”去击杀火鸡，结果被电打昏了。苏醒后，却不介意地说：“我本想用电杀死一只火鸡，结果差点电死了一个傻瓜。”然而，风险是的确存在的。1753年，俄国的利赫曼在做大气放电实验时不幸中电身亡，为科学献身。富兰克林的工作，揭开了雷电的奥秘，统一了“天电”和“地电”，震惊了科学界；富兰克林还将其发现转化为应用——避雷针诞生了。电磁学发展史普通物理学从定性到定量——库仑定律的发现1．电力作用的猜测1759年，德国柏林科学院院士爱皮努斯（F.U.T.Aepinus)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小而增大。1760年，D.伯努利首先猜测电力会不会跟万有引力一样，服从平方反比定律。他的想法在当时具有一定的代表性。2．富兰克林的空罐实验用丝线将一小块软木悬挂在带电金属罐外的附近，软木受到吸引。但把它悬挂在罐内时，不论在罐内何处，它都不受电力。富兰克林写信将这一现象告之他的英国朋友普利斯特利（化学家，氧气的发现者），普利斯特利想到:1687年牛顿曾证明:万有引力若服从平方反比定律，则均匀的物质球壳对壳内物体应无作用。电磁学发展史普通物理学普利斯特利重复了上述实验，并将空罐实验与牛顿推理类比。在1767年《电学历史和现状极其原始实验》一书中他写到：“难道我们就不能从这个实验得出结论：电的吸引与万有引力服从同一定律，即平方反比关系，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力，决不会大于另一边的吸引。”但是，普利斯特利的结论并没有得到科学界的重视，因为他没有进行的论证，只是处于猜测阶段。电磁学发展史普通物理学3.罗比逊实验罗比逊（JohnRobiso，苏格兰人），受爱皮努斯的影响，设计了一个杠杆装置，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。并得出结论：在实验误差范围内，电力服从平方反比定律。4.库仑的引力实验（1）库仑生平(C.A.Coulomb,1736-1806)，法国人，青年时是军事工程师，1764年起服军役，1776年因身体原因回到巴黎，从此致力于科学研究。1779年因研究磁石问题获奖励，1781年因关于摩擦的研究获法国科学院奖励，同年因论述扭力的论文被选为法国科学院院士。电磁学发展史普通物理学2.同种电荷的斥力测量——库仑的扭秤实验由于金属丝的扭力正比于扭转角，将扭丝悬挂起来，通过扭转角的大小即可测量电荷间作用力的大小，其精度可达万分之一格令，1785年库仑据此制成电秤，用以测定电力，叫作库仑扭秤。但对于异种电荷，由于两球相吸，接触后电荷中和，无法继续进行实验。3.异种电荷的引力测量——库仑电摆实验和单摆类比：由于地球对物体的作用力反比于两者之间距离的平方，所以地面上的单摆的摆动周期正比于摆锤离地心的距离，即T∝r{∵T=2π(L/g)1/2和g≈GM/r2，将后式g代入前式}。若电荷间的引力也遵循距离平方的反比关系，则由带电体间引力产生的物体的摆动，其摆动周期T必定也正比于两带电体之间的距离r，从而设计电摆实验。电磁学发展史普通物理学库仑通过对实验结果的分析与处理，得出电的引力和斥力都遵守平方反比规律，并于1785年在法国科学院发表论文，提出著名的库仑定律。库仑定律的建立使电磁学进入了定量的研究，使电磁学真正成为一门科学。类比的研究方法：如果不是与万有引力进行类比，单靠实验具体数据的积累，严格的库仑定律的形式将很难得到。由此我们可以看到类比在科学研究中的作用。电磁学发展史普通物理学贾法尼（1737-1798）的研究:意大利人，解剖学教授。1780年他与学生解剖青蛙，发现电火花会使蛙腿抽搐，后来他又发现当用铜钩倒挂蛙腿，再用铁梁横挑，蛙腿也会痉挛。1791年发表了论文《论肌肉运动中的电力》。他是发现电流的第一人，但认为是一种动物电。意大利帕维大学教授伏达，否定了伽伐尼动物说。他认为，电来自两种不同金属的接触，青蛙只不过是起了验电器的作用。二、由静电到“动电”（电流）电磁学发展史普通物理学通过用各种金属进行实验，意大利帕维亚大学教授伏达（1745～1827证明了锌，铅，锡，铁，铜，银，金，石墨是个金属电压系列，当这个系列中的两种金属相互接触时，系列中排在前面的金属带正电，排在后面的金属带负电。他把铜和锌做为两个电极置于稀硫酸中，从而发明了第一个直流电源伏达电池。电压的单位“伏特”就是以他的名字命名的。电池的发明，提供了产生恒定电流的电源，使电学从静电走向动电，为人们研究电流的各种效应提供了条件。从此电学进入了飞速发展时期。电磁学发展史普通物理学伏达和贾法尼的争辩：伏达反复重做贾法尼的实验，仔细观察后发现电并不是发生于动物组织内，而是由于金属或是木炭的组合而产生的。于是伏达完全不使用动物的组织，仅用不同的金属相接触，使用莱顿瓶及金箔检电器进行实验，发现在接触面上会产生电压，称为接触压。这种装置可以同时用不同的几种的金属，提高实验效果，但是总无法产生连续不断的电流。电磁学发展史普通物理学伏达同时注意到贾法尼的实验中也是使用不同的金属，而实验中的青蛙腿可以看作一种潮湿的物质，所以就使用能够导电的盐水液体代替动物组织试验之，终于因此发现了电池的原理，做出了著名的伏达电堆与伏达电池。在伏达之前，人们只能应用摩擦发电机，运用旋转以发电，再将电存放在莱顿瓶中，以供使用，这种方式相当麻烦，所得的电量也受限制。伏达电池的发明改进了这些缺点，使得电的取得变成非常方便，现在电气所带来的文明，伏达电池是一个重要的起步，他带动后续电气相关研究的蓬勃发展，后来利用电磁感应原理的电磁学发展史普通物理学电动机，和发电机研发成功也得归功于它，而发电机之后电气文明的开始，导致第二次产业革命改变人类社会的结构。贾法尼和伏达是朋友，贾法尼相当坚持自己的看法，伏达的反对意见触使贾法尼更进一步的研究，这一次他乾脆不用任何金属做导体，剥出一条青蛙腿的神经，一端缚在另一条腿的肌肉上，另一端和脊髓相接，结果腿仍然会有抽搐现象，证明了表现在青蛙腿上的电刺激，可以仅仅来自动物本身，这就是所谓的贾法尼电池、贾法尼电流。贾法尼创造出动物电，导致电生理学的建立。电磁学发展史普通物理学欧姆定律欧姆（1787-1854）：德国人，家境贫困，中断大学学业后当了中学老师。后被慕尼黑大学任命为教授。欧姆是在傅立叶的热传导理论的启发下进行的电学研究。他将付里叶在热学中提出的热流、热阻，类比电学中的电流、电阻，温度差类比电势差。认为导线中两点之间的电流也许正比于这两点间的某种推动力之差（欧姆称之为电张力）。电磁学发展史普通物理学为了证实上述类比的正确性，欧姆做了很多实验研究。开始欧姆所用电源是伏打电堆，由于这种电源不稳定，给实验工作带来很大困难。1821年，塞贝克（T.J.Seebeck)发明了温差电偶。欧姆采纳波