经典电磁场理论发展简史

电磁场理论发展史——著名实验和相关科学家纲要：一、定性研究1、吉尔伯特的研究2、富兰克林二、定量研究1、反平方定律的提出2、电流磁效应的发现3、电磁感应定律及楞次定律4、麦克斯韦方程5、电磁波的发现三、小结一、定性研究1、吉尔伯特的研究他发现不仅摩擦过的琥珀有吸引轻小物体的性质，而且一系列其他物体如金刚石、水晶、硫磺、明矾等也有这种性质，他把这种性质称为电性，他是第一个用“电力”、“电吸引”、“磁极”等术语的人。吉尔伯特把电现象和磁现象进行比较，发现它们具有以下几个截然不同的性质：1.磁性是磁体本身具有的，而电性是需要用摩擦的方法产生；2.磁性有两种——吸引和排斥，而电性仅仅有吸引（吉尔伯特不知道有排斥）；3.磁石只对可以磁化的物质才有力的作用，而带电体可以吸引任何轻小物体；4.磁体之间的作用不受中间的纸片、亚麻布等物体的影响，而带电体之间的作用要受到中间这些物质的影响。当带电体浸在水中，电力的作用可以消失，而磁体的磁力在水中不会消失；5.磁力是一种定向力，而电力是一种移动力。2、富兰克林的研究富兰克林（公元1706一1790）原来是费城的印刷商，他通过书本和科学上的来往获得了丰富知识，他利用莱顿瓶做出的第一项重要工作，是根据莱顿瓶内外两种电荷的相消性，在杜菲的“玻璃电”和“树脂电”的基础上提出正电和负电的概念。富兰克林所做的第二项重要工作是统一了天电和地电。二、定量研究1、反平方定律的提出1750年前后，彼得堡科学院院士埃皮努斯在实验中发现；当发生相互作用的电荷之间的距离缩短时，两者之间的吸引力和排斥力便增加。1766年富兰克林写信给他在德国的一位朋友普利斯特利（公元1733一1804），介绍了他在实验中发现在金属杯中的软木球完全不受金属杯电性的影响的现象。他请普利斯特利给予验证。英国科学家卡文迪许在1772年做了一个电学实验，他用一个金属球壳使之带电，发现电荷全部分布在球壳的外表面，球腔中任何一点都没有电的作用。法国物理学家库仑（公元1736—1806），起先致力于扭转和摩擦方面的研究。由于发表了有关扭力的论文，于1781年当选为国家科学院院士。他从事研究毛发和金属丝的扭转弹性。1784年法国科学院发出船用罗盘最优结构的悬奖征文，库仑转而研究电力和磁力问题。1785年库仑自制了一台精巧的扭秤，作了电的斥力实验，建立了著名的库仑定律：两电荷之间的作用力与其距离的平方成反比，和两者所带电量的乘积成正比。公式：F=k*(q1*q2)/r^22、电流磁效应的发现丹麦物理学家奥斯特（公元1777—1851）首次发现电流磁效应，揭开了电和磁两种现象的内在联系，从此开始了电磁学的真正研究。1820年4月在一次关于电和磁的讲课快结束时，他抱着试试看的心情做了实验，在一根根细的铂丝导线的下面放一个用玻璃罩罩着的小磁针，用伽伐尼电池将铂丝通电，他发现磁针偏转，这现象虽然未引起听讲人的注意，却使他非常激动！此后奥斯特花了三个月的时间，连续作了六十多个有关实验，终于在1820年7月发表了题为《电的冲突对磁针的作用的一些实验》的论文，向科学界宣布了“电流的磁效应”。法国物理学家安培（公元1775－1836）出生于里昂附近一个商人家庭。少年时代就表现出惊人的记忆力和非凡的数学才能，完全靠自学而获得自然科学、哲学、历史和文学等方面的丰富知识。1799年开始一边担任教学工作一边对数学进行系统的研究，1808年担任法国帝国大学总督学，1809年成为巴黎工艺大学数学教授，1814年成为法国科学院院土，1824年担任法兰西学院实验物理学教授，1827年被选为英国皇家学会会员。由于他在电学上的杰出成就，人们用他的名字来命名电流强度的单位。安培在听了阿拉果的介绍以后，第二天重复了奥斯特的实验，并加以发展。实验进展非常迅速，在短短的二十天内，取得了一系列重大成果，写成三篇论文，在9月18日、9月25日和10月9日的科学院会议上，连续报告了他的重大发现。安培重复作了电流对磁针作用的实验，从中发现磁针转动的方向与电流方向的关系服从右手定则，后人称它为安培右手定则。安培在假设了两个电流元之间的相互作用力沿着它们的连线和上述四个实验的基础上，总结出了两个电流元之间的作用力正比于它们的长度和电流强度，而与它们之间距离的平方成反比的公式，即提出了著名的安培定律。他进一步去寻找电磁现象的本质原因，在1821年1月，提出了著名的分子电流假说，认为每个分子的圆形电流形成一个小磁体，当它们在外磁场的作用下呈规则排列时，就使物体呈现出宏观磁性。3、电磁感应定律及楞次定律英国实验物理学家法拉第（公元1791－1867），出生于伦敦附近的一个铁匠家庭，因为家庭贫穷，小学没有毕业就到伦敦一家书店当装订书的学徒，利用书店的有利条件，争取空余时间努力学习，他从阅读科学书籍中获得了丰富的知识，尤其是《大英百科全书》和《化学漫谈》这两本书使他收益不浅。1820年奥斯特实验对法拉第影响很大，从此他开始了电磁方面的研究，他工作了四十年，在电磁学方面的实验研究成果，全部汇总在他的巨著《电学的实验研究》中，此书共三十篇分为三卷分别于1839、1844、1855年出版，此外，法拉第还写了极为详细的日记共8册，其中如实地记录了他的研究设想、计划、成果和实验经过，记录了他的成功经验和失败的教训。由于法拉第在研究工作上的成就，于1821年被推选为皇家学院实验室主任；1824年被选为皇家学会的会员；1825年任皇家研究院院长；1846年荣获伦福德奖章和皇家勋章。人们为了纪念他，以他的名字命名了电容的单位。十九世纪初，欧洲哲学家提出“自然力”之统一的思想。这种思想对法拉第影响很深，使法拉第形成了对物理力的统一性、不可破灭性和可转移性的观念。从1831年发现电磁感应现象到1851年确立电磁感应定律，历经20年。德国物理学家楞茨（公元1804—1865）要在获悉法拉第的发现之后，重作了许多实验，于1832年发现感应电动势与线圈的直经，绕组导线的直径和材料都没关系。1833年提出了确定感生电流方向的法则，即“楞茨定律”。这个定律是电磁感应符合能量转换和守恒定律的具体表现。楞次定律的发现法拉第不相信超距作用的观点，为了对电、磁现象作出正确的解释，他提出了场的概念和力线的图象。他用电力线和磁力线来形象地表示电场和磁场的物理图象。力线上任一点的切线方向就是场强的方向，力线密的地方，场强就强；力线疏的地方，场强就弱。场源不变时，力线图也不变，场源变化时。力线也发生变化。4、麦克斯韦方程英国理论物理学家麦克斯韦（公元1831—1879），1831年11月13日生于苏格兰的爱丁堡。他的父亲是一个知识渊博的律师，使麦克斯韦从小受到良好的教育，在中学学习期间，麦克斯韦在数学和诗歌两门课程的成绩特优秀。14岁时就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文。第一次显露出他出众的才华，1847年麦克斯韦进入爱丁堡大学学习数学和物理、1850年转入剑桥大学，成为著名数学家霍普金斯的研究生。麦克斯韦虽然只活了49岁，但他却写了许多篇论文，在物理学方面有：弹性物体的平衡、固体转动定律、土星环的稳定性、颜色视觉、气体分子速率分布等方面的成果，他的主要贡献是电磁场理论和光的电磁学说。人们为了纪念他，把磁通量的单位命名为“麦克斯韦”。麦克斯韦为了对电磁现象能够进行定量的计算，把已经发现的库仑定律、安培定律……高斯定理、环路定理等，用二十个变量列出二十个方程，成为电磁场的一般方程组。现在把电磁场的基本规律只归纳为四个方程，即麦克斯韦方程组的微分形式。1．麦克斯韦方程组的微分形式流密度．2．麦克斯韦方程组的积分形式三个描述介质性质的方程式．对于各向同性介质来说，有：=εrε0=μrμ0=σ式中εr，μr和σ分别是介质的相对介电常数相对磁导率和电导率．麦克斯韦断定光是一种短波长的电磁波。他在论文中写道：“这一速度与光速如此接近，看来我们有充分的理由断定，光本身（包括热辐射和其他形式的辐射）是以波动形式在电磁场中按电磁波规律传播的一种电磁振动。”这就是麦克斯韦所创立的光的电磁波学说。这样，他把原来互相独立的电学、磁学和光学三个物理部门结合起来，成为十九世纪中叶物理学上实现的一次大综合。5、电磁波的发现赫兹（公元1857—1894）是柏林大学物理学教授亥姆霍兹的学生，他在老师的影响下，认真钻研了各种电磁学理论，深为麦克斯韦理论所吸引，决心用实验来证实电磁场理论。1885年赫兹用一种现在叫做感应圈的仪器进行实验．感应圈有初级和次级两个线圈，彼此绝缘，如果给初级线圈输入一个脉冲电流，次级线圈便有电火花发生．赫兹想到这可能是电磁共振过程．并且断定，次级线圈中的电火花，是因为初级线圈发生电磁振荡，次级线圈受到感应的结果．从1886年10月25日起赫兹集中力量对“电火花实验”进行一系列的研究．他设计了如图所示的一种电磁波发生器（直线型开放振荡器），这种振荡器是在两根长12英寸的铜棒上各焊一个磨光的黄铜球，另一端各安一块边长16英寸的正方形锌块，两根铜棒放在同一直线上，两球之间留一空隙，将它们连到感应圈的次级线圈两端．当充电到一定程度间隙被火花击穿，两段金属杆连成一条导电通路，这时它相当于一个振荡偶极子，在其中激起高频的振荡（在赫兹实验中振荡频率约为108—109周）．感应圈以每秒10—102周的频率一次一次地使火花间隙充电．但是由于能量不断辐射出去而损失，每次放电后引起的高频振荡衰减很快．因此所产生的是一种间歇性的阻尼振荡（如图2）．赫兹把这装置称为“振荡偶极子”．为了探测由振荡偶极子（电磁波发生器）发射出来的电磁波，赫兹还将一根粗铜导线弯成一圆环形，在环的开口端各焊上一黄铜球，两球间的距离还可以利用螺旋作微小调节，这种装置他称为“共振偶极子”，作为检波器，如果麦克斯韦电磁场理论是正确的，那么振荡偶极子产生的交变电磁场就会在空间产生新的电磁场，也就是在空间出现电磁波，在离此振荡偶极子一定距离的地方用共振偶极子检测到这种变化的电磁场，不就证明了电磁波的存在吗？赫兹沿着这条思路继续实验下去．他把这个检波器放到离电磁波发生器附近，按赫兹猜想，当电磁波发生器通电后，检波器铜丝圈两端的铜球上会因共振而产生电火花。但是实验进行得很不顺利．由于他开始用的电波的波长太长，而且在室内进行，虽竭尽全力想消除室内不利的影响，但仍毫无结果．有一段时间，他甚至误入歧途，得出了与麦克斯韦理论相矛盾的结论．无数次失败并没有动摇赫兹的信心．他几乎是整日整夜地沉浸在实验之中．这期间他的艰苦可以从他写的一封信中看出：“无论从时间上还是从性质上，我都象一个工人在工厂里那样工作，我上千次地重复每一个单调的动作，一个挨一个地钻孔、弯扁铁，接下来还要把它们涂上漆……”1887年的一天，赫兹给振荡偶极子输入高压脉冲电流，象往常一样，在暗室中凝视共振偶极子铜环两个小铜球之间微小的空隙．突然，空隙中迸发出一个微弱的火花．他的助手高兴地喊出来：“有了，有火花了！”赫兹把铜环移到与发生器相距一定距离并适当地选择其方位时，他们看到电火花在两个铜球之间不断地跳跃．这样，赫兹在实验中初次观察到电磁振荡在空间传播．1887年11月5日他将这一成果总结成论文《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》，寄给了亥姆霍兹，论文中用实验证明了麦克斯韦的电磁场理论。亥姆霍兹一口气读完了论文，非常高兴地立即写信给他的得意门生：“手稿收到。好！星期四手稿交付排印。”仅过3天，赫兹就收到了老师的这封复信。谁也没有料想到，赫兹竟用如此简单的自制仪器验证了麦克斯韦如此深奥的电磁场理论，赫兹的论文出色地解答了1879年亥姆霍兹提出的悬赏难题，由此荣获柏林学院的科学奖。从此，电磁波的存在得到了确认，再也没有人怀疑了。下一步就要测定电磁波的速率．赫兹在暗室的墙上覆盖一块锌板，用来反射电磁波．当入射波和反射波迭加后将产生驻波，他用共振偶极子在离发生器不同距离的地方来测驻波．火花较亮的地方，就是波峰或波谷；完全没有火花的地方，是波峰与波谷之间的零值．据此，赫兹量出驻波的波长，并计算了振荡偶极子的振荡火花频率，两者相乘即得电磁波的速率．计算出来的