第三章电磁学

第三章电磁学第1页，课件共46页，创作于2023年2月第一节电磁学发展历程简述第三章电磁学第二节

电磁感应与电磁波

一、电磁感应现象的发现

三、法拉第的科学思想方法

二、电磁感应定律开辟了电气时代的新纪元

第2页，课件共46页，创作于2023年2月第三章近代科学的重要基础—电磁学

第一节电磁学发展历程简述一、静电学与静磁学1、早期的静电学研究

泰勒斯早在公元前5世纪的希腊时代，就有了关于静电现象的历史记载。古希腊人已经发现用毛皮磨擦过的琥珀能吸引一些像绒毛、麦杆等一些轻小的东西，他们把这种现象称作“电”。

Electricity（电）这个字的起源就来自希腊文的“琥珀”

中国古代的玳瑁能够吸引微小的物体。西晋时期，《博物志》中也有摩擦起电的记载。玳瑁的背甲可以用来制作精美的装饰品，汉代的著名诗篇《孔雀东南飞》中就有“足下蹑丝履，头上玳瑁光”的诗句。

第3页，课件共46页，创作于2023年2月英国物理学家、医生吉尔伯特做了多年的实验，发现可以经过摩擦而带电的物体不限于琥珀，硫磺、玻璃、火漆等物都有这个性质，而且他还发现了“电力”，“电吸引”等许多现象，并最先使用了“电力”、“电吸引”等专用术语，因此许多人称他是电学研究之父。吉尔伯特对摩擦带电现象提出解释，认为这是由于摩擦时将物体中的—种流体擦掉，而只剩下大气包围着带电体了。吉尔伯特第4页，课件共46页，创作于2023年2月

1650年德国科学家居里凯制成了摩擦起电机。一个在支架上可以旋转的大硫磺球，用人手在球上摩擦就使硫磺球带电。

1705年德国工程师兼物理学家豪克斯比用空心玻璃壳代替琉璃球，并且对原有起电机做了很多改动，发明了较轻便的手摇起电机。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。

1734年法国王家花园的管家杜菲在实验中发现带电的玻璃和带电的琥珀是相互吸引的，但是两块带电的琥珀或者两块带电的玻璃则是相互排斥的。即“同性相斥、异性相吸”。杜菲根据大量的实验事实断定电有两种：一种是与琥珀带的电性质相同，叫做“琥珀电”；一种是与玻璃带的电性质相同，叫做“玻璃电”。杜菲第5页，课件共46页，创作于2023年2月1745年普鲁士（德国的前身）的一位副主教克莱斯特在实验中利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时，受到猛烈的一击，他由此发现了放电现象。同年荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克在克莱斯特发现的启发下发明了收集电荷的“莱顿瓶”。因为马森布罗克是莱顿大学的教师，所以这个最早的电容器叫做莱顿瓶。马森布罗克

第6页，课件共46页，创作于2023年2月马森布罗克看到好不容易起得的电却很容易地在空气中逐渐消失，为了寻找一种保存电的方法，马森布罗克于1746年做了如下的实验：他将一枪管悬挂在空中，用起电机与枪管相连，另用一根铜线一端与枪管相连，另一端浸入盛有水的玻璃瓶中，当他的助手一只手握着玻璃瓶，另一只手不小心触到枪管上，助手因猛然感到一次强烈的电击而喊了起来，马森布罗克替下助手亲自体验了给他带来极大恐怖感觉的实验。这使人们认识到：人体作导体参与放电过程的瞬间，电会使人感到一种可怕的突然震动和打击，这就是常说的电击(或叫电震)。马森布罗克还由此认识到，盛水的玻璃瓶通电后，可以将电保存起来，这就是“莱顿瓶”。“莱顿瓶”的发明第7页，课件共46页，创作于2023年2月18世纪中叶，在大洋彼岸的美国科学家本杰明.富兰克林又做了多次实验，进一步揭示了电的性质，并提出了电流这一术语。他认为电是一种没有重量的流体，存在于所有的物体之中。如果一个物体得到了比它正常的份量更多的电，它就被称之为带正电（或“阳电”）；如果一个物体少于它正常份量的电，它就被称之为带负电（或“阴电”）。所谓放电就是正电流向负电的过程。富兰克林的这一说法，在当时确实能够比较圆满地解释一些电的现象。富兰克林第8页，课件共46页，创作于2023年2月

富兰克林的贡献提出存在正电和负电及电荷守恒定律。“电不是摩擦玻璃管而产生的，而只是从摩擦者转移到了玻璃管，摩擦者失去的电与玻璃管获得的电严格相同”。这就是说：在任一绝缘体系中电的总量是不变的，即电荷守恒原理。统一了天电和地电

富兰克林的最著名的实验是风筝实验。早在1749年他就注意到雷闪与放电有许多相同之处。1752年他通过在雷雨天气将风筝放入云层，来进行雷击实验，证明了雷闪就是放电现象，从而实现了天电与地电的统一。第9页，课件共46页，创作于2023年2月静电作用的平方反比定律18世纪后期，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。由此，科学期待着能够进行定量分析的规律出现。

两个电荷之间的作用力正比于电荷的乘积而反比于它们之间距离的平方。这就是现在人们熟知的库仑定律，又称为平方反比定律。定律的形式十分简单，但是整个静电理论就建立在这个定律的基础上。这个定律的发现，和许多科学原理一样，很难归功于某一个人，而且还被重复地发现了四次。①从万有引力得到的启示德国柏林科学院院士爱皮努斯于1759年对电力作了假设，设想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做出了更完善的解释。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。1760年，瑞士物理学家、数学家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。

第10页，课件共46页，创作于2023年2月1766年富兰克林写信告诉了英国友人普利斯特利他发现的空罐实验（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）。普利斯特利专门重复了这个实验，发现带电金属容器内表面没有电荷，于是猜测电力与万有引力有相似的规律，这对电力规律有重要启示。不过，普利斯特利的结论并没有得到科学界的普遍重视，因为他并没有特别明确地进行论证，仍然停留在猜测的阶段。1769年，鲁宾孙通过作用在一个小球上电力和重力平衡的实验，第一次直接测定了两个电荷相互作用力与距离二次方成反比。1773年，卡文迪什推算出电力与距离的二次方成反比，他的这一实验是近代精确验证电力定律的雏形。卡文迪许的实验装置第11页，课件共46页，创作于2023年2月卡文迪什卡文迪什取得的成果远远超过以前的人。他不仅获得静电力的平方反比定律，并且对实验数据的精确度做出了估计。可惜的是，卡文迪什的研究结果也没有发表。约在100年后，麦克斯韦受委托整理卡文迪什遗留的大量资料时，才发现有许多重要科学成果，出版了《亨利．卡文迪什的电学研究》一书。书中有平方反比定律实验设备的草图。从书中可以知道他又是最早提出电位概念的人、称之为“带电度”。他断定两个带电导体如果用导线联通，电荷就要在这两个导体之间重新分配，以达到相同的“带电度”，还证明形状相似的导体在相同的“带电度”下，所带的电荷数量与它们的线性尺寸成比例等等。②卡文迪什的贡献第12页，课件共46页，创作于2023年2月③库仑的扭秤实验

1785年，库仑设计了精巧的扭秤实验，直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比，与它们的电量乘积成正比。库仑的实验得到了世界的公认，从此电学的研究开始进入科学行列。。库仑定律第13页，课件共46页，创作于2023年2月2、稳恒电流的获得与研究伽伐尼的研究

1780年，意大利科学家伽伐尼在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现，一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验，又观察到同样的现象。他以严谨的科学态度，选择各种不同的金属，例如铜和铁或铜和银，接在一起，而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会发生这样的现象。他认为这是一种生物电现象，他的《关于电对肌肉运动的作用》论文于1791年发表。第14页，课件共46页，创作于2023年2月伽伐尼第15页，课件共46页，创作于2023年2月伏达的研究1791年意大利物理学家亚历山德罗.伏打得知伽伐尼的这一发现，引起了他的极大兴趣，作了一系列实验，甚至还在自己身上做实验。他用两种金属接成一根弯杆，一端放在嘴里，另一端和眼睛接触，在接触的瞬间就有光亮的感觉产生。他用舌头舔着一枚金币和一枚银币，然后用导线把硬币连接起来，就在连接的瞬间，舌头有发麻的感觉。这些实验证明：电不仅能够产生颤动，而且还会影响视觉和味觉神经。

伏打在伽伐尼实险的基础上，致力研究两种不同金属的接触。他得出了新的结论，认为两金属不仅仅是导体，而且是由它们产生电流的。用伏打自己的话来说：金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为“金属的”或“接触的”电流。第16页，课件共46页，创作于2023年2月伏打还发现当金属浸入某些液体时，也会发生同样的电流效应。伏打开始是用几只碗盛了盐水，把几对黄铜和锌做成的电极连接起来，就有电流产生。1800年3月20日，伏打宣布了一个重要的发现，这就是著名的“伏打电池”。这是第一个能人为产生稳定、持续电流的装置，为电流现象的研究提供了物质基础，也为电流效应的应用打开了前景，并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具，促使电学研究有一个巨大的进展。伏打的成就受到各界普遍赞赏，科学界用他的姓氏命名电势，电势差（电压）的单位，为“伏特”（就是伏打，音译演变的），简称“伏”。第17页，课件共46页，创作于2023年2月欧姆定律的发现

欧姆

欧姆对导线中的电流进行了研究。他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，即现在所称的电动势。欧姆花了很大的精力在这方面进行研究。1827年欧姆又在《电路的数学研究》一书中，把他的实验规律总结成如下公式：Ｓ＝γE。式中S表示电流；E表示电动力，即导线两端的电势差，γ为导线对电流的传导率，其倒数即为电阻。欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视，经济极其困难，使欧姆精神抑郁。直到1841年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌，才引起德国科学界的重视。第18页，课件共46页，创作于2023年2月2、早期静磁学的研究

我国是用文字记载磁现象最早的国家之一。公元前4世纪战国时期成书的《管子》中已有“上有慈石者下有铜金”的描述。这是有关磁石和磁性矿的最早记载。公元前3世纪的《吕氏春秋》中所写的“慈石召铁，或引之也”，那时的人称“磁”为“慈”。他们把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为：“石是铁的母亲，但石有慈和不慈两种，慈爱的石头能吸引他的子女，不慈的石头就不能吸引了。因此，汉以前人们把磁石写做“慈石”，是慈爱石头的意思。

关于磁现象的应用，在我国古代后魏的《水经注》等书中，就提到秦始皇为了防备刺客行刺，曾用磁石建造阿房宫的北阀门，以阻止身带刀剑的刺客入内。医书上还谈到用磁石吸铁的作用，来治疗吞针，但磁现象早期应用方面，最光辉的成就是指南针的发明和应用，这也是我国对人类所做出的巨大贡献。第19页，课件共46页，创作于2023年2月指南针

战国时司南和地盘复原模型第20页，课件共46页，创作于2023年2月北宋科学家沈括指南针四种试验复原北宋初年，曾公亮主编的《武经总要》（约成书1044年）中介绍了一种“指南鱼”(复原模型)第21页，课件共46页，创作于2023年2月元代磁州窑绘浮针瓷碗元代指南龟复原(剖面)第22页，课件共46页，创作于2023年2月明代航海水罗盘复原第23页，课件共46页，创作于2023年2月明嘉靖年间(1522～1566)航海木帆船沿用“旱罗盘”第24页，课件共46页，创作于2023年2月

吉尔伯特1600年他写成了《论磁石、磁体、大磁石——地球》一书。书中系统地讨论了地球的磁性，认为地球是个大磁石，他还提出可以用磁倾角判断地球上各处的纬度；铁的磁化及去磁概念；定性的研究磁石的吸引与推斥。这都为磁的进一步研究开拓了道路。库仑提出丝悬指南针的设想，并且利用这个想法制成的库仑扭秤。在建立了电荷相互作用的库仑定律同时，得到了磁力的相互作用定律，可以说库仑是静电、静磁学的第一位奠基人。此后，法国数学家、物理学家泊松在库仑的基础上，提出了磁体间的相互作用的势函数积分方程，把磁的研究发展到定量阶段，但这时电与磁还是分别平行、独立地进行着研究。

第25页，课件共46页，创作于2023年2月第二节电磁感应与电磁波一、电磁感应现象的发现

1、奥斯特的发现丹麦物理学家奥斯特认为各种自然力都来自同一根源，可以相互转化．富兰克林发现的莱顿瓶放电使钢针磁化的现象，对奥斯特启发很大，他认识到电向磁的转化不是不可能的，关键是要找出转化的具体条件．在1820年发现，一条通过电流的导线会使其近处静悬着的磁针偏转，显示出电流在其周围的空间产生了磁场，这是证明电和磁现象密切结合的第一个实验结果。奥斯特第26页，课件共46页，创作于2023年2月第27页，课件共46页，创作于2023年2月2、安培的贡献

安培由电流磁效应想到：既然磁体之间有相互作用，电流与磁体间也有作用，那么两个载流导体之间也一定存在着相互作用。通过不懈的努力，安培得到了电动力的公式，并发现的载流导体间的相互作用。安培演示电流相互作用的装置（复制品）第28页，课件共46页，创作于2023年2月3、法拉第确立电磁感应定律

奥斯特的发现和日新月异的电流磁效应的研究成果，极大地激励了英国学术界。1821年，英国《哲学年鉴》主编邀请著名化学家戴维撰写一篇文章，综合评述奥斯特电流磁效应发现以来的电磁学发展概况。戴维将这一工作交给了助手法拉第，法拉第在收集材料过程中，对电磁学研究产生了兴趣和热情。从此，法拉第将研究工作转向了电磁学。

法拉第第29页，课件共46页，创作于2023年2月（1）法拉第发明电磁旋转器

1821年4月，英国大化学家、物理学家沃拉斯顿设计了电磁旋转器，几次实验都遭到了失败。法拉第认为，沃拉斯顿的这种设计是合理的，法拉第设计了一台电磁旋转器。电磁旋转器是电动机的实验室雏型，它对人类利用电能具有划时代的意义。法拉第关于电磁旋转器实验的文章，被刊登在1821年9月3日英国的《科学季刊》上。这次成功，充分显示了法拉第无与伦比的实验技能和技巧，是他的科学天才出现的第一次高峰。同时，也强有力地激发了法拉第对电磁学的研究信心和热情。第30页，课件共46页，创作于2023年2月（2）法拉第发现电磁感应现象

英国科学界普遍认为，作用总应伴随着反作用。奥斯特的发现是“电生磁”，促使人们想到了“磁生电”。法拉第就是最早想到“磁生电”的科学家之一。

法拉第相信各种“自然力的统一”，追求这种统一，他确信客观事物本身的结构具有对称性。这是法拉第进行科学研究的思想基础。1831年8月29日，法拉第想用一条通电导线的磁场从另一条导线中激发出感应电流来。实验中，为了增强磁场和感应电流，他将两条直导线绕在铁环上，形成两个共芯螺线管。第31页，课件共46页，创作于2023年2月

1831年9月24日，法拉第用两根各5英尺长的铜线将线圈与电流计连接，并把软铁棒插入线圈中。取两条24英寸长的磁铁，使它们按异性磁极并在一起。然后，把一端分开如马蹄形磁铁，让带线圈的软铁棒夹在其间。他发现当圆铁棒接触N、S极和脱离N、S极时,检流计的指针就会偏转。他指出.这一效应不是永恒的而是瞬时的,但也能够看清楚磁转化成了电。电磁感应现象第32页，课件共46页，创作于2023年2月

法拉第在1831年11月24日向英国皇家学会报告了《电学的实验研究》的结果。他将产生电磁感应的条件概括为：①变化的电流；②变化的磁场；③运动的稳恒电流；④运动的磁铁；⑤在磁场中运动的导体。并将“磁生电”的现象定名为“电磁感应”。

法拉第又进一步作了综合分析，找到了产生电磁感应的基本条件——闭合回路中磁力线数量变化。这样就确立了电磁感应定律：导体线圈中的磁力线数量发生变化将在线圈中激起感应电流。

影视资料片：电磁感应第33页，课件共46页，创作于2023年2月

法拉第一生致力于科学研究事业，不图虚荣，甚至不接受为他增加的薪水。他成名之后，世界各国赠给他的学位、学衔和其他荣誉达94种之多，他从来不向任何人展示和炫耀。法拉第一生中一直过着清贫而简朴的生活，为后人留下了巨大的知识财富，他的代表作是《电学的实验研究》。他还是一位了不起的科普作家，曾写过《蜡烛的化学史》等书，被译成多种文字，流传很广。法拉第是当时世界上许多科学学会的会员，是当时物理学家公认的领袖，是自伽利略以来，从来没有见过的头脑中涌现出那么多奇妙思想和发现的科学巨人，是自学成材的典范，是人类走向电气时代的开路先锋。1867年8月25日，他坐在椅子上安详地去世。

第34页，课件共46页，创作于2023年2月二、电磁感应定律开辟了电气时代的新纪元电磁感应定律使人类找到了机械能与电能之间的转换方法，开创了电气化时代的新纪元。19世纪40年代，西欧先进的资本主义国家先后进入了电气化时代的早期阶段。电磁学的飞速发展，引发了第二次世界性技术革命浪潮，以电机为动力的电气化工业体系和各种电气工业生产部门，如电解、电镀、电热、电焊、电冶、电力生产和输送等方面的工厂、企业如雨后春笋般地建立起来，电报、电话等信息技术也被广泛地利用起来。电磁理论和电气技术的进步，把工业生产推向了历史的新高峰。英国在1840年，由电气技术造成的劳动生产率是1770年蒸汽技术造成的劳动生产率的27倍，是手工劳动的108倍。70年中，劳动生产率平均每年提高11.28％。第35页，课件共46页，创作于2023年2月三、法拉第的科学思想方法1、确信各种运动形式的相互联系和相互转化

法拉第对自然力(或能)的统—性具有坚定的信念，他始终不渝地为证实各种现象之间的普遍联系而努力。

法拉第还考虑过“在引力和电力之间可能的联系”。1859年，他已是68岁的老人，还步履蹒跚地爬到泰晤士河畔滑铁卢大桥附近的高塔上去做实验，观察是否会因重力的变化而产生电荷的变化，结果失败了。他在日记上写道：“现在我的实验就到此为止，结果是否定的。但它们并没有动摇我坚强的信念，即重力和电力之间—定是有关系的。”今天看来，他把问题想得太简单直观了，但他坚信自然力的统一的思想，仍然是非常可贵的。第36页，课件共46页，创作于2023年2月2、力线和场的概念

法拉第主张物质之间的电磁力是需要由媒质传递的近距作用力的观点。然而，电磁作用究竟怎样借介质接触而传递呢?为了回答这一问题，他引入了力线和场的概念。

法拉第关于力线和场的概念对于电磁学的发展以及整个物理学的发展都是很有影响的。

汤姆逊评论说：“在法拉第的许多伟大的贡献之中，最伟大的一个就是力线概念了，我想电场和磁场的许多性质借助它就可以简明而富有启发性地表示出来。”第37页，课件共46页，创作于2023年2月

爱因斯坦曾高度评价法拉第的工作，认为法拉第在电学中的地位，相当于伽利略在力学中的地位。爱因斯坦尤其称赞了法拉第所建立的“场”的新概念：“这样就奠定了同牛顿的物理学原则上不同的物理学的基础，同时在逻辑的一贯性上明显地超过牛顿的物理学。因此，相对论不过是场论的下一个发展阶段。”

著名科学史家丹皮尔也指出：“法拉第奠定了实用电学的三大部门，即电化学、电磁感应与电磁波的基础。而且他坚持主张电磁场具有极大重要性，这也是现代物理学理论有关电的方面的历史起点。”

美国物理学家库瑞这样说过：“可以这样来评述法拉第：当他考察自然现象时，他的头脑始终是警惕的，任何现象只要在他的实验室里出现一次，他就能把它记住，哪怕这些现象是偶然出现的。”第38页，课件共46页，创作于2023年2月四、麦克斯韦电磁场理论的建立

在电磁理论建立以前，电磁学已建立了四大定律，即库仑定律、高斯定律、法拉第定律和安培定律。法拉第等人虽然有高超的实验技巧和丰富的想象力，并提出了“力线”和“场”的物理思想，但由于数学能力不够，不能把研究成果概括为精确的定量理论。麦克斯韦麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他系统地总结了从库仑到安培和法拉第等人的电磁学说的全部成就，发展了

“力线──场”的思想，并把它数学化，提出了描述电磁场运动规律的方程组，即麦克斯韦方程组。

第39页，课件共46页，创作于2023年2月

1、麦克斯韦方程组

麦克斯韦方程组描述了电磁场普遍遵从的规律。它同物质的介质方程、洛伦兹力公式以及电荷守恒定律结合起来，原则上可以解决各种宏观电动力学问题。

根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是存在电磁波，电磁波在真空中传播的速度为c。其数值与光在真空中传播的速度相同，说明光是电磁波。（1）电场的高斯定理：（2）电场的环路定理：（3）磁场的高斯定理：（4）磁场的环路定理：第40页，课件共46页，创作于2023年2月2、麦克斯韦的科学思想方法（1）用类比方法揭示物理现象的内在联系

麦克斯韦在《论法拉第的力线》中，采用类比的方法，将力线和不可压缩流体的流线做比较，因为流体的速度方向与流线的切线方向相同且反比于流管的截面积，所以力的强度也反比于力管的截面积，这就获得了既表示力的强度又表示力的方向的几何模型。在各向同性的无限大均匀介质中，以流体源为球心，任意一点处的速度与到球心的距离的平方成反比，所以电场强度可以与流体源在流体中的速度相类比，等等。麦克斯韦通过把电场和流速场类比，在对法拉第力线作出精密的处理的基础上，描述电场和磁场在空间的变化情况，并建立电磁场的基本方程。第41页，课件共46页，创作于2023年2月（2）用精确的数学语言建立电磁场理论

简明精确的数学语言是表述科学概念、科学理论的重要形式，是科学发展的要求，也是科学成熟的标志之一。正如马克思所说：“科学只有成功运用数学时，才算达到了完善的地步。”随着科学技术的进步，现代科学的发展已日趋定量化，只有定量化的数学描述才能经得起在量上的实验检验，也才能从量的细微差别上寻找理论的不足之处和改进办法。第42页，课件共46页，创作于2023年2月

麦克斯韦与法拉第是近代电磁学史上的两颗巨星，他们都在电磁学领域取得了极大的成功。虽然他们两人的科学方法与科学风格迥然不同，然而麦克斯韦并不因此贬低法拉第的