（史学理论及史学史专业论文）经典电磁场理论的建立及社会影响.pdf

摘要 从1 9 世纪7 0 年代开始，自由资本主义开始向垄断资本主义阶段即帝国主义 纯 阶段过渡，到了1 9 世纪末2 0 世纪初，垄断资本主义最终形成，这期间西方社会 乃至世界发生了一系列的深刻变革，这些变动发生于政治、经济、和文化等社会 生活的各个领域，有很多推动着这个巨变的因素，其中一个无法忽略的重要因素 就科学技术的发展和应用，这当中尤以经典电磁场理论的建立和应用对世界的改 变显著。 作为电磁学里最重要原理的经典电磁场理论在建立过程中就促使以电力的 应用为主要标志的第二次技术革命的发端，经典电磁场理论的应用为工业生产带 来了电解、电镀、电热、电焊、电火花等新的金属加工工艺和手段，提高了生产 的效率，电能的应用使工业生产摆脱了地区条件对工业的限制，使人类对自然力 的支配达到了新的高度，经典电磁场理论的发展还扩展了科学研究的领域，促使 了一大批新的学科的出现，如：无线电学、计算机学、微电子学、射电天文学、 x 射线学、高能物理学及量子力学等等。在经典电磁场理论的指导下科研人员发 明了大量的电子产品。电报和电话拉近了人们之间的距离，使信息的交换更加便 捷，电灯的应用使人类摆脱了黑暗的束缚，延长了人类工作和娱乐的时间，洗衣 机和电熨斗把家庭妇女从繁重的家务劳动中解放出来，留声机、广播和电视机丰 富了人类的娱乐和教育，使传递的信息量迅速增大，电风扇的应用使人类的生活 和工作环境更加舒适，经典电磁场理论的应用使人类的社会生活全面走向了现代 化。 经典电磁场理论虽然最终是由伟大的科学家麦克斯韦提出的，但该理论的建 立绝不是一个人就可以完成的，建立的过程中凝结着无数各国科学工作者的科研 成果，他们的研究有成功也有失败，有经验也有教训，探究他们的研究过程和指 导思想对我国的科研工作有很大借鉴意义。 关键词：经典电磁场理论；建立过程；社会影响 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：趔： ! z 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 日期 学位论文作者毕业后去向： 电话：璺垒鱼q 2 墨璺墨 邮编：! 墨q q 墨墨 东北师范大学硕士学位论文 培于1 8 2 3 年在大量的实验和分析基础上进一步得出了安培回路定律，建立了电动力学 基本定律的起点，之后的英国伟大的物理学家和化学家法拉第于1 8 3 1 年发现了电磁感 应定律，由此奠定了发电机的理论基础，法拉第把场看作了一种物理实在，并提出了他 的关于力线的思想，最终由英国另一位伟大的英国物理学家麦克斯韦在1 8 7 3 年建立了 以奥斯特和法拉第两大理论为支柱的同时承认场是一种物理实在的三个电磁场方程组， 爱因斯坦对麦克斯韦方程组的评论说：“这些方程的提出是牛顿时代以来物理学史上的 一个最重要的事件。 经典电磁场理论的建立和其推动的第二次技术革命给整个世界带来了巨大的变化， 从人类的生活方式和习惯的改变，到生产动力的更新与新的生产工艺手段的出现，乃至 社会结构和世界经济政治格局的改变，它的影响一直持续到今天并将持续的影响着我 们。 本文中所提到的一些专业名词概念如无特别声明，一律与当前的物理专业名词相一 致。 1 9 世纪到2 0 世纪，整个世界发生了翻天覆地的变化，本人只是从科学技术角度来 看待这段历史，希望把科学技术理论的应用对社会的影响做个全面深入的探究。希望能 够对我们准确把握科技理论对历史进步的影响有所裨益。 ( 二) 研究现状分析 国内关于经典电磁场理论的建立及其社会影响的研究一直是比较薄弱的，至今尚无 专门论著。诸多经典电磁场理论的建立过程的论述散见于科学技术史等著作中，如：萧 子健著的简明科学技术史、李少白著的科学技术史、鲍耀三等著的简明自然科 学史胡省三等著的科学技术发展简史、潘永祥与李慎合著的自然科学发展史纲 要等等，这些著作的写作较早，所能搜集利用的资料不多，一般来说对经典电磁场理 论的建立过程中的科学家的评价比较积极，但多数没有从社会影响的角度正确的看待经 典电磁场理论的建立所产生的影响，近些年研究者对这一科学理论的关注远远不够，进 入上世纪9 0 年代就少见与此相关的论文与著作，有些论文仍旧采用其应用与发展“敲 响了资本主义的丧钟”圆等陈1 日观点j 国外的研究者的研究近期也不是很多，在经典电磁场理论的建立的过程中有着众多 国家的科学家的贡献和努力，每一个国家的研究者往往会有夸大该国科学家的贡献的倾 向，另外经典电磁场理论对社会的影响并没有结束，它一直持续到今天并将持续到以后， 随着时间的推移可以获得的研究资料会越来越充分，其影响也会更充分的体现出来。，国 外对经典电磁场理论的建立过程的研究较多，对其影响研究的比国内要深刻，可以纛考 。 美 爱因斯坦：爱因斯坦全集，范岱年译，长沙：湖南科技出版社，2 0 0 2 年，第3 7 页。 圆洪征嗣：论第二次技术革命的影响，湖南师大社会科学学报，1 9 8 7 年，v 0 1 6 ，第8 0 页。 2 东北师范大学硕士学位论文 ( 一) 早期研究概述 一、静电研究阶段 静电和静磁现象很早就引起了人类的注意，公元前6 、7 世纪磁石吸铁和静电吸引 小物体的现象就被人类发现了，很早就有这些现象的记载如王充的论衡乱龙记有 “顿牟掇芥，磁石引针”各国的早期文献中都有零星的相关记载。 对电与磁现象的系统研究应该说是始于1 6 世纪，它的标志则是1 6 0 0 年伦敦出版的 威廉吉尔伯特( w i l l i 锄g i l b e r t ，1 5 4 4 1 6 0 3 年) 的巨著关于磁石、磁体以及 作为大磁石的地球的新的自然哲学论( 简称磁石论) 。吉尔伯特生于英国的科尔切 斯特的一个名门之家，十八岁在剑桥大学圣约翰学院攻读医学，毕业后成为国内的名医， 最初他研究化学，后来才转向电磁学方面的研究。磁石论就是他十几年的研究成果， 该书是英国第一部科学著作。 磁石论一书，共分六卷。详尽的记述了他对于磁性、磁偏角和磁倾角等的研究 和结论。所有的一切结论都是建立在观察实验基础之上的。因为吉尔伯特有这样一个指 导思想：“如果没有事实的实际知识，如果不进行实验，那是很容易犯错误的。” 吉尔伯特非常重视实验和实际的观察，因而取得了一定的给后人以很大启发的研究 成果。 ( 二) 马森布罗克等人的研究 法国物理学家杜菲( d uf a y ，1 6 8 9 1 7 3 9 年) 做了许多电荷的实验，他甚至于用自己 的身体作带电实验。因而获得了许多重要的成果。他在巴黎的一家学报上发表的实验结 果中写道：“因此，由总的性质不同这一点，可以认为存在着两种电性物质，一种诸如 玻璃、晶体等透明固体，另一种诸如琥珀、树脂等沥青树脂类物质。互相排斥的物 体具有相同的电性，互相吸引的物体具有不同的电性。不带电的物体可以从另一种带电 物体获得电性，两者所带的电性是相同的。”圆在这里，杜菲提出两个重要的结论：其 一是经摩擦后可以获得两种电荷，其二是同性电荷相斥，异性电荷相吸。他还在吉铡自 由 苏 n c 库德里弧夫，m 只康费杰拉托夫著：物理学史与技术史，梁士元等译，哈尔滨：黑龙江教育出版社， 1 9 8 5 年，第1 3 7 页。 圆王福山主编：近代物理学史研究，上海：复旦大学出版社，1 9 8 3 年，第8 3 页。 4 东北师范大学硕士学位论文 特工作的基础上，对验电器作了改进，用金箔来代替金属细棒。 对电荷的研究需要大量的电荷，第一台能产生大量电荷的摩擦起电机，是由德国工 程师格里凯( g u o r i c k e ，1 6 0 2 1 6 8 6 年) 发明的。他在一个小足球那样大的球状玻璃瓶中， 装满磨成粉末的硫磺，用火加温使硫磺全部熔化，等到硫磺冷却之后再打碎玻璃，并在 硫磺球上装一根轴，使它可以自由转动。用手掌摩擦硫磺球而起电，这就是最初的摩擦 起电机，摩擦起电机给静电研究带来了极大的便利。当通过摩擦起电的方法获得大量电 荷之后，如何能够把这些电荷贮存起来，成为一个新的研究课题。荷兰莱顿大学物理学 教授马森布罗克( p v m u s s c h e n b r o c k ，1 6 9 6 - 1 7 6 1 年) 于1 7 4 6 年1 月，和他的两名助 手做起电实验，但经常发生带电体所带电荷很快散失于大气中的情况，怎样才能使带电 体能较长时间保存电荷呢? 他认为如果用绝缘体把带电体包围起来，就有可能使电荷保 存的时间长久些。于是，他把水装在玻璃瓶中，然后用金属线把起电机与水连通起来， 一边让助手拿着瓶子，一边摇动起电机，结果不小心助手的另一手接触到了金属线，受 到了一次强烈的电击。为了检验是否真有这种效果，他本人又亲自作了类似的实验，也 遭到了同样的结果。尽管这次实验是十分可怕的，但却使他得到了一种贮存电荷的新 方法。实验证明起电机的电，确实贮存在瓶内了。按照他生活的地方的名字他把该仪器 命名为莱顿瓶。 莱顿瓶的发明，不仅为贮存电荷提供了一种有效的方法，也为进一步开展静电实验 创造了良好的条件。 ( 三) 富兰克林 及其电荷守恒定律 富兰克林对静电学的最重要贡献，是发现了电荷守恒定律。莱顿瓶发明后，他利用 莱顿瓶做了大量的静电方面的实验。他发现，两个带有不同性质电荷的带电体，相互接 触后可以呈现中性，根据这种相消性和数学上的正、负数的概念，他把“玻璃电”称为 正电，把“树脂电 称为负电，并进一步从电荷的相消性，推出如下结论：( 1 ) 正电和 负电，在本质上不应有什么差异；( 2 ) 摩擦起电过程中，总是形成等量的异种电荷； ( 3 ) 摩擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方得到的电荷在数量上相等。于是，在上 述推论的基础上，他得到了电荷守恒定律。 电荷守恒定律是物理学中一条比较普遍的守恒定律，1 8 4 3 年法拉第第一次用冰桶实 王福山主编：近代物理学史研究，上海：复旦大学出版社，1 9 8 3 年，第9 5 页。 本杰明富兰克林( b e n j a n l i nf 髓n l 【l i n ，1 7 0 6 1 7 9 0 年) 是1 8 世纪美国的实业家、科学家、社会活动家、思想家和外 交家。他是美国历史上第一位享有国际声誉的科学家和发明家和音乐家。为了对电进行探索曾经作过著名的“风筝 实验”，在电学上成就显著，为，深入探讨电运动的规律，创造的许多专用名词如正电、负电、导电体、电池、充电、 放电等成为世界通用的词汇。他借用了数学上正负的概念，第一个科学地用正电、负电概念表示电荷性质。并提出 了电荷不能创生、也不能消灭的思想，后人在此基础上发现了电荷守恒定律。他最先提出，避雷针的设想，由此而 制造的避雷针，避免了雷击灾难，破除了迷信。他是一位优秀的政治家，是美国独立战争的老战十。他参加起草了 独立宣言和美国宪法，积极主张废除奴隶制度，深受美国人民的崇敬。 郭金彬、王渝生著：自然科学史导论，福州：福建教育出版社，1 9 8 8 年，第1 1 6 页。 5 东北师范大学硕士学位论文 验证明了电荷守恒原理，富兰克林为电磁学理论大厦建立了第一块颇为重要的奠基石。 ( 四) 卡文迪许 和库仑 等人的研究 物体带电后，电荷在物体中是怎样分布的? 最初富兰克林根据单流质假说，提出了 一种看法，他认为流质渗入整个物体，因此带电体的电荷应均匀分布在物体之中，显 然，这是在单流质假说的基础上的外推，是否正确还需要探讨。1 7 3 0 年斯蒂芬格雷 ( s t e p h e ng r a y ，1 6 7 卜1 7 3 6 年) 发现同样大小的两个橡木球，其中一个是实心的另一 个是空心的，如果用同样办法给它们充电时，它们的带电容量却是相同的。于是，他认 为这说明电荷是分布在物体表面上的，因为这两个橡木球的表面积是相等的，从而否定 了富兰克林的错误推断。 在人们弄清电荷在物体中分布情况之后，开始转向探索电力的大小与距离之间的关 系。英国科学家卡文迪许受到牛顿自然哲学之数学原理一书的启发联想到电的吸引 力遵从与万有引力相同的规律。 首先他通过实验加以证明，其次对实验结果给予了数 学论证。反平方定律的定量关系并不是直接由实验获得的。他对自己实验的结果进行了 数学论证。经过计算，并考虑到验电计的灵敏度与误差，得到了相当精确的结果。该结 果，一直到1 7 7 7 年他才向英国皇家学会作了报告。卡文迪许的反平方定律的提出，是 建立库仑定律的前奏。 法国物理学家库仑1 7 8 5 年他用自己设计的扭秤，建立了著名的库仑定律。 最初，他参加设计一种指向力强、抗干扰性能好的指南针的竞赛活动，提出了丝悬 指南针的设想，并由此得到法国科学院为竞赛所设立的磁学奖。也可以说这就是扭秤 的前身。因为当他把丝悬指南针用于测定地磁场场强时，发现丝线抗大气电的干扰能力 不强，于是他用金属丝代替了丝线。并在1 7 8 4 年的关于扭力和金属丝弹性的理论和 实验研究论文中，给出了扭力的计算公式。 后来，库仑用自己设计扭秤仪器进行实验。这个扭秤可以测定o 0 0 5 达因的力， 设计的相当精巧。根据多次精准的实验的数据结果得出如下结论：两个带有同样类型电 母关士续：科学技术史简编，哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1 9 8 4 年，第1 3 3 页。 圆卡文迪许( h e n f yc a v c n d i s h ，1 7 3 1 1 8 1 0 年) 是英国化学家、物理学家。公元1 7 3 1 年1 0 月1 0 日生于法国尼斯。1 7 4 2 1 7 4 8 年他在伦敦附近的海克纳学校读书。1 7 4 9 1 7 5 3 年期间在剑桥彼得豪斯学院求学。在伦敦定居后，卡文迪许 在他父亲的实验室中当助手，做了大量的电学、化学研究工作。他的实验研究持续达5 0 年之久。1 7 6 0 年卡文迪许被 选为伦敦皇家学会成员，1 8 0 3 年又被选为法国研究院的1 8 名外籍会员之一。 库仑( c o u l o m bc h 砌c s a u 鲫s t i nd e ，1 7 3 6 一1 8 0 6 年) 是法国物理学家，早年就读于美西也尔工程学校。离开学校后， 进入皇家军事工程队当工程师。法国大革命时期，库仑辞去一切职务，到布卢瓦致力于科学研究。法皇执政统治期 间，回到巴黎成为新建的研究院成员。于1 7 8 5 年发现了后来用自己的名字命名的一条物理学定律。库仑定律是电学 发展史上的第一个定量规律，它使电学的研究从定性进入定量阶段，是电学史中的一块重要的里程碑。 固王德胜：科学史，沈阳：沈阳出版社，1 9 9 2 年，第3 4 页。 同上，第3 5 页。 唰上，第3 5 页。 o 关洪：物理学史选讲，北京：高等教育出版社，1 9 9 4 年，第1 9 6 页。 四同上，第1 9 7 页。 6 东北罂鄙羲蓑则辇醴錾翟 翥雕戥篓蒿剖殴晕羹羹琵鎏蜊爨丽婺囊朔重掣蕤；釜 墟璎蠹蔓摹溯魏耄碉踵霎晕摩塞霎碾阿疆维蓁i 彰影弱劓澎嘲型雾单蓥i 庵简瞒颇韵 瞎龟j 彭事鞠1 幢乖姥射触醭鋈曼照暇麴i 滩砖i 誊羹彰孽蓁葡颧哥作羹i 琴萎列鞋 雕到型，缝燃型矧碰匪圳墅驯；毡刳彭雾霉嚣霎话蓥牵弹羁蓄蓄j 毁题薹镶僻锶溜； 笋菡鬻氨篓藩壤蜡蜊摧翼鲤麴勤婴i 曼 备薹葱精潍蔼摧璀翼蘸矍i 彗篓娆萋场渲塞一羹鬟强譬鼎黜严旨拍翰裾酣冁拦。辎 k 苏赫嚣萋萋雾静电薹。爨蚕蓁谢甄并篓霸笺菰墼去羹场镛篙衙罐篇薹i 籀蓬妻雾各篓 。魏霎翻蓁薹j 萋乏量纠篓始霉“穷羹； 薹绻；赫妒朗劫囊褊尉秘羹i 裂掣戥蛰惫薹霎! 囊嚣羹萋攀囊囊羹薹萋霎；錾錾；蒌 鬻黍薹曼蓊涔型黧蓁霆鬻鬻簿图型奏魏嚣静弱琵蠹 x 东北师范大学硕士学位论文 二动电动磁研究阶段 ( 一) 伽伐尼的研究 任何事物都具有这样的特点，运动着的客体都要比它处于相对静止时，更能显露出 它的本质和丰富多彩的性质。 因此，电流的发现不仅是对电荷本身认识有质的飞跃， 开辟了一个动电学的新领域，而且也打开了探索电现象与其它物理现象内在联系的大 门。 最先发现电流的是意大利波洛尼亚大学的解剖学教授伽伐尼( l u i g ia 1 0 i s i o g a l v a n i ，1 7 3 7 1 7 9 8 年) 。他在1 7 8 6 年9 月2 0 日的手稿中，记载了他的发现过程。大 约在1 7 8 0 年，他和助手作解剖青蛙实验时，偶然发现用解剖刀具与蛙体神经相接触时， 有时会发现蛙腿抽动的现象。他换了不同的材料做了上百次实验，连续观察六年之久， 伽伐尼才下了结论。他认为：电来自蛙体的神经，而两种金属的导体只不过起传导作用。 罾伽伐尼在论肌肉运动中的电力论文中写道；“我选择不同时间，不同的天气，用各 种不同的金属，作了多次重复性实验，总是得到相同的结果，只是收缩有强与弱的区别 而已。 固“它使我猜想这个电是动物本身所具有。 固于是，他把这种电称为“动物电”， 并且公开在波洛尼亚大学1 7 9 卜1 7 9 2 年的工作纪要上发表了。 从1 7 8 0 年开始发现电流 现象到正式发表，前后经历了十几年，这充分说明伽伐尼治学态度的严谨，也说明伽伐 尼所发现的现象是不经常出现的，也不是很明显的，这需要发现者的细心和耐心地观察。 尽管当时对这种现象的本质还不十分清楚，但这种现象却意想不到地引起了科学界的关 注。德国医学外科学新报及时给予了报道，其它杂志也陆续介绍了伽伐尼的发现， 从而引起了广泛的注意，纷纷进行有关实验与研究。 伽伐尼的发现也引起了他的好友意大利物理学教授伏打( a 1 e s s a n d r ov 0 1 t a ，1 7 4 5 1 8 2 7 年) 的重视。他首先做了大量的重复性实验，他发现用不同金属接触动物不只是引 起神经的运动，而且还会引起视觉和味觉的效应。 他联想到瑞士的苏尔查( s u l z e r ) 在 1 7 6 2 年向柏林科学院提交的一篇题为愉快和不愉快的感觉理论论文中，谈到铝和银 金属小片接触舌头时，会使人感到有一种硫酸铁的味道。于是，他提出电来自两种金属， 德 恩格斯：马克思恩格斯全集第1 9 卷，中央编译局编，北京：人民出版社，1 9 9 5 年，第4 0 6 页。 争转引自 苏 库德里亚夫采夫：物理学史与技术史，粱士元译，上海：商务印书馆，1 9 8 5 年，第1 1 5 页。 同上，第1 1 5 页。 同上，第1 1 5 页。 同上，第1 1 5 页。 同上，第1 1 6 页。 9 东北师范大学硕士学位论文 打所制成的电液杯是现在电池的雏型。 再次，伏打在研究“金属电”产生的过程中，又发现去掉两个金属圆片之间的湿导 体，也就是把动物体完全去掉，让两种不同金属直接接触也能产生起电的效果。这种接 触起电现象被称为伏打效应。伏打根据实验所获得的结果，把各种导体排序：z n p b s n f e c u a g _ - a u 从这个序列中的任意前一种金属与后一种金属放在一起，就会成 为一个电源，而前一种金属为正极，后一种金属则为负极。这个序列称为伏打序列。 伏打电堆的发明。使人们第一次有可能获得比较稳定而持续的电流，并且可以控制 电压的高低，电流的强弱、从而为人们进一步研究电流本身的规律以及与其它各种物理 现象之间的联系，提供了条件。 人们为了纪念这位才能出众、为人类作出重要贡献的科学家，把电势的单位命名为 伏打( 特) 。 ( 三) 欧姆的研究 欧姆定律是反映电流的运动规律的，按理在发现电流和电堆之后，就应该发现电流 的运动规律。但是，由于伏打电堆所产生的电流不够稳定，再加上没有一个高灵敏度电 流计来测定电流强度值，因此一直到1 8 2 1 年温差电池和1 8 2 0 年电流磁效应发现之后， 于1 8 2 6 年欧姆才发现了电流的定律。 人们在探索未知规律时，总是要运用一定的研究方法。类比法就是立足已有知识去 获得新知识的有效逻辑方法。德国科学家欧姆就是从两种不同事物的类比中得到启示 的。他认为电流现象与热流现象很相似：导热杆中的热流相当于导线中的电流，导热杆 中两点之间的温度差相当于导线中两端之间的驱电力。 因此，如果导热杆中两点之间 的热流强度正比于这两点的温度差时，那么电流强度也应该正比于驱电力。但是，无论 如何类比也只不过是一种思维活动，其结论还必须由实验来检验。 开始，欧姆用作实验的电源是伏打电堆，实验过程中电流值波动较大，非常不稳定。 于是，欧姆改用温差热电源，最初也遇到困难。欧姆是利用导体的热胀冷缩的性质，来 测定电流的大小，结果很不准确的。 后来，欧姆转向利用电流的磁效应，他设计制造 了一个电流扭秤。把磁针悬挂在待测通电导线的上方，并用带状的金属薄片作为悬线， 根据实验结果，欧姆总结出这样规律：电流强度与导线长度成反比。 欧姆于1 8 2 6 年正 式在金属导电定律的测定论文中公布了实验过程和上述结果。第二年欧姆在经验定 律的基础上，又作了数学处理和理论加工，在定义电流强度和电势差等概念的基础上， 欧姆又得到一个新公式：电动势等于电流乘电阻。 这个公式发表在动电电路的数学 z n p b s n f e c u - a g _ - a u ：锌一铅一锡一铁铜一银一金 罾欧姆( g e o 唱s i m o n0 h m ，1 7 8 7 1 8 5 4 年) 是德国物理学家。生于巴伐利亚埃尔兰根城。欧姆的父亲是一个技术熟练的 锁匠，对哲学和数学都十分爱好。欧姆从小就在父亲的教育下学习数学并受到有关机械技能的训练，这对他后来进 行研究工作特别是自制仪器有很大的帮助。主要成就发现欧姆定律，为了纪念他，电阻的国际单位以他的姓氏命名。 f e y n m a n 7 乃p ，净尸n 口z 鲫p c t r 乎萝册，j 俘j f n e wj e r s e y ：b r e n t i c eh a l l 。i n c ，1 9 7 3 p 2 5 2 谭树杰、王华合著：物理学上的重大实验。北京：科学技术文献出版社，1 9 8 7 年，第1 4 8 页。 固同上，第1 4 9 页。 叩e y n 髓n 劢e 砖肌始1 2 卯t 眦嚣鲫肋耶妃盅n e wj e r s e y ：b r e n t i c ei l a l l i n c 。1 9 7 3 p 2 奏薹 蓬 东北师范大学硕士学位论文 针的作用的实验的论文发表出来。论文是用拉丁文写的，仅用了四页纸。法国的化 学与物理学年鉴破例给予了全文发表。后来，在翻译成法文时，论文的题目改为关 于电冲撞对磁针作用的实验，这也是后来通常采用的题目。 奥斯特在论文中指出，“我们把在导体周围所产生的这种效应称之为电冲撞。 我们根据实验可以判定这种电冲撞是圆形的，否则就不可能发生这样的情形：将闭合导 线的一段放在磁针下面时，磁针( n 极) 被推转向东方；而放在上面时，就被推向西方。 其原因是，只有圆才具有这种性质，其相反部分指向相反。 奥斯特的发现具有重大的 科学价值和历史意义，他不仅揭露出电与磁之间的内在联系还发现一种新的自然力一 一旋转力。同时为电的应用开辟了一个新的领域。化学与物理学年鉴破例发表他 的论文时，还加上这样不同寻常的按语。“年鉴的读者都知道，本刊从不轻易支持宣称 有惊人发现的报告，至今我们都因为能够坚持这一方针而自诩。但是，至于说到奥斯特 先生的文章，则其所得结果无论显得多么奇特，都有极详细的记录为证，以至无任何怀 疑其谬误的余地。”固这说明电流的磁效应的发现，在当时的科学界中，引起多么大的震 惊和重视。奥斯特的伟大发现是发明电动机的理论基础。也是经典电磁场理论的两大理 论支柱之一，在1 8 2 0 年7 月2 1 日被发现的电流的磁效应被作为划时代的一页载入了 史册。 ( 五) 安培的研究 奥斯特的电流的磁效应的发现报告，很快被译成法文、英文和德文公开发表出来。 并引起科学界的极大重视。很多研究人员纷纷转向这方面的讨论和研究，特别是当时的 法国巴黎，成了研究中心。这个时候正在国外旅游的法国物理学家阿拉果( a r a g o ，1 7 8 6 1 8 5 3 年) 立即从瑞士返回巴黎，并于9 月1 1 日向法国科学院报告了奥斯特这一伟大发 现的详细情况。呀阿拉果的报告，引起了法国物理学家安培( a n d r em a r i ea m p e r e ，1 7 7 5 1 8 3 6 年) 的联想：既然磁体和磁体之间有相互作用，电流对磁体也有作用那么两个 载流导体之间也一定存在着相互作用。 安培的这种想法，如果从逻辑推理的角度来看， 并没有什么合理性。但是，从自然界的对称性来考虑，还是很吸引人的。于是，安培把 o 英 斯蒂芬f 梅森：自然科学史，上海外国自然科学哲学著作组编译，上海：上海人民出版社，1 9 8 0 年，第 4 4 7 页。 o 同上，第4 4 8 页。 英 乔治伽莫夫： 物理学发展史，高士圻译，上海：商务印书馆，1 9 8 1 年，第1 3 3 页。 安培( a n d 他m a r i c a m p c r c ，1 7 7 5 年一1 8 3 6 年) 是法国物理学家，1 7 7 5 年1 月2 2 日生于里昂一个富商家庭，1 8 0 2 年 他在布尔让布雷斯中央学校任物理学和化学教授，1 8 0 8 年被任命为法国帝国大学总学监，此后一直担任此职，1 8 1 4 年被选为帝国学院数学部成员，1 8 1 9 年主持巴黎大学哲学讲座；1 8 2 4 年担任法兰西学院实验物理学教授，在电磁作 用方面的研究成就卓著，对数学和化学也有贡献，电流的国际单位安培即以其姓氏命名。 吴国盛：科学的历程，长沙：湖南科学技术出版社，1 9 9 7 年，第7 3 页。 宋子良：理论科技史，武汉：湖北科学技术出版社，1 9 8 4 年，第2 5 8 页 1 3 东北师范大学硕士学位论文 三电磁感应研究阶段 ( 一) 法拉第的实验研究 在奥斯特发现了电的磁效应之后，安培又发现了载流导体间的相互作用，一个接着 一个的新发现、新浪潮在冲击着整个欧洲，也激励着英国的学术界。1 8 2 1 年英国一家颇 有名望的杂志哲学年鉴的主编面对着这一形势特意邀请了著名化学家戴维 ( h d a v y ，1 7 7 8 1 8 2 9 年) 撰写一篇文章，综合评述自从奥斯特发现电的磁效应以来电 磁学发展的概况。戴维却把这项任务转交给他的助手法拉第，法拉第欣然接受了这个任 务。在收集资料的过程中，激发起法拉第研究电磁学的热情，同时他也意识到，不能把 自己局限于仅仅评述别人已经做过的工作。于是，他开始转向电磁学方面的实验研究。 当时英国化学家、物理学家沃拉斯通( w 0 1 l a s t o ，1 7 6 卜1 8 2 8 年) 听到奥斯特的发现之后， 到皇家学院找戴维，提出一个有趣的实验设想，如果把可以自由转动的磁棒，放在载流 导线的一侧，磁棒将会产生旋转运动。这个想法得到戴维的赞同。但是，沃拉斯通做了 几次这样的实验都失败了，放弃了这个尝试，那时沃拉斯通是很有威望的，当时在英国 的学术界曾流传着这样一个说法：凡是与沃拉斯通争辩的人，将不会是正确的。因此， 一般人认为沃拉斯通做不成的实验，别人也不会成功。 然而，法拉第则认为沃拉斯通 的设想是科学的，有实现的可能。于是，法拉第继续为实现沃拉斯通的想法进行了大量 细致的实验。他首先重复做了奥斯特的实验将小磁针放在载流导体的周围，发现小磁 针的磁极受到电流作用后，确实有环绕导线周围运动的倾向，这充分说明导线周围存在 着一个圆形力。然后，他根据导线周围存在着这种圆形力，设计了两种电磁旋转器，来 验证自己的想法。 法拉第指出，这个装置比较小，但比较灵敏当接通电源时，导体 与磁极将同时产生旋转运动。 法拉第的精彩的电磁旋转器的实验文章，被刊登在1 8 2 1 年的科学季刊上。这 第一次显露出法拉第高超的实验技巧与才能。电磁旋转器实验的成功，大大鼓舞了法拉 第研究电磁学各种问题的信心。并使他联想起一个新的更加诱人的问题：既然电可以 产生磁，为什么磁不可以产生电呢? 于是，他在1 8 2 2 年的日记中写下了进一步所要探索 法拉第( m i c h 8 c l f a n d a y ，1 7 9 1 1 8 6 7 年) 是英国著名物理学家、化学家。在化学、电化学、电磁学等领域都做出过 杰出贡献。他家境贫寒，未受过系统的正规教育，但却在众多领域中作出惊人成就，堪称刻苦勤奋、探索真理、不 计个人名利的典范，对于青少年富有教育意义。1 9 世纪最伟大的实验科学家之一。 露】m o r r i s h s h a m o s 6 锄芒巨：印e r j 历p 疗f s 如，j t 胚j c s n e wy o r k ： h o l tr i n e h a r ta n dw i n s t o n ，1 9 6 0 p 1 0 3 郭奕玲、沈慧君合著：著名物理实验，北京：北京科学技术出版社，1 9 9 1 年，第2 8 5 页。 固 英 法拉第：电学实验研究，周禺寿译，上海：商务印书馆，1 9 3 3 年，第6 7 页。 1 5 东北师范大学硕士学位论文 起。力线就象从电荷( 或磁极) 发出，又落到电荷( 或磁极) 的一根根皮筋一样，具有 在长度方向力图收缩，在侧向力图扩张的趋势，他以丰富的想象力阐述电磁作用的本质。 法拉第研究了电介质对电力作用的影响，认识到这一影响表明电力不可能是超距作用， 而是通过电介质状态的变化；即使没有电介质状态的变化空间也会发生某种变化，布满 了力线。后边来法拉第又进一步研究了磁介质，解释了顺磁性和反磁性。电磁感应现象 则解释为磁铁周围存在某种“电应力状态”，当导线在其附近运动时受到应力作用而有 电荷作定向运动；回路中产生电动势则是由于穿过回路的磁力线数目发生了变化。法拉 第的力线思想实际上就是场的观念，这是近距理论的核心内容。麦克斯韦这样高度评价 法拉第的力线思想，他指出法拉第：“用统一的观点观察以前被分散研究的一切现象； 至于他所发现的现象，他更是坚持用一切科学都是统一的这个观点进行研究的 圆 在法拉第力线思想的激励下，w 汤姆生对电磁作用的规律也进行过有益的尝试。他 深感有必要把法拉第的力线思想翻译成数学公式，定量的做出表述，于是利用类比方法， 从弹性理论和热传导理论得到借鉴。 法国科学家傅立叶在1 8 2 4 年发表的热的分析理论( t h e r i e oa n a l y t i q u ed e1 a c h a l e u r ) ，详细地研究了在介质中热流的传播问题，建立了热传导方程。这本书对w 汤姆生有很深的影响。固 1 8 4 2 年，w 汤姆生发表了第一篇关于热和电的数学论文，题为：论热在均匀固体 中的均匀运动及其与电的数学理论的联系，他论述了热在均匀固体中的传导和法拉第 电应力在均匀介质中传递这两种现象之间的相似性。他指出电的等势面对应于热的等温 面，而电荷对应于热源。利用傅里叶的热分析方法，他把法拉第的力线思想和拉普拉斯、 泊松等人已经建立的完整的静电理论结合在一起，初步形成了电磁作用的统一理论。 1 8 4 7 年，w 汤姆生进一步研究了电磁现象与弹性现象的相似性，在题为论电力、 磁力和伽伐尼力的力学表征一文中，以不可压缩流体的流线连续性为基础，论述了电 磁现象和流体力学现象的共性。 w 汤姆生运用类比方法，把法拉第的力线思想转变为定量的表述，为麦克斯韦的工 作提供了十分有益的经验。 英 法拉第：电学实验研究，周昌寿译上海：商务印书馆，1 9 3 3 年，第1 6 7 页。 西德 m v 劳厄：物理学史，范岱年等译，j ：海：商务印书馆，1 9 7 8 年，第2 3 3 页。 英 斯蒂芬f 梅森：自然科学史，上海外国自然科学哲学著作组编译，上海：上海人民出版社，1 9 8 0 年，第2 6 6 页。 固 苏 库德里亚夫采夫：物理学史与技术史，梁l 元译，上海：商务印书馆，1 9 8 5 年，第7 7 页。 【英】乔治伽莫夫：物理学发展史，高士圻译，e 海：商务印书馆，1 9 8 1 年，第1 3 8 页。 1 8 东北师范大学硕士学位论文 四电磁场研究阶段 ( 一) 经典电磁场理论建立的第一阶段 麦克斯韦在电磁理论方面的工作可以和牛顿在力学理论方面的工作相媲美。他和 牛顿一样，因为是“站在巨人的肩上，”一这两个巨人实际就是法拉第和w 汤姆生一所 以看得更深更远，做出了伟大的历史综合；他也和牛顿一样，其丰硕的成果是一步一步 提炼出来的。 对于麦克斯韦来说，他面对众说纷纭的电磁理论，以深邃的洞察力开创了物理学的 新领域。然而，他也不是一蹴而就的。他在创建电磁场理论的奋斗中作了三次飞跃，前 后历程达十余年。 麦克斯韦1 8 5 0 年入剑桥大学，这时w 汤姆生已是那里的研究员。唧汤姆生对电 磁理论的看法，麦克斯韦早有了解。在w 汤姆生的影响下，麦克斯韦对电磁方面的知 识发生了兴趣，这为以后的研究作了准备。从1 8 5 5 年起，麦克斯韦学习电学，认真阅 读了法拉第的著作，特别是电学实验研究一书。他大学刚毕业，就着手把法拉第的 力线思想用数学分析方法进行表述。 w 汤姆生那两篇关于电磁相似性的论文对他很有影响。不但使他认识到类比方法 的重要性，而且体验到法拉第的思想与传统的静电理论是协调的，有可能进一步建立统 一的电磁理论。 经过大量研究于1 8 5 6 年，麦克斯韦发表了第一篇关于电磁理论的论文，题为：论 法拉第力线。在这篇论文中，他发展了w 汤姆生的类比方法，用不可压缩的流体的流 线类比于法拉第的力线，把流线的数学表达式用到静电理论中。流线不会中断，力线也 不会中断，只能发源于电荷或磁极，或者形成闭合曲线。麦克斯韦通过类比，明确了两 类不同的概念，一类相当于流体中的力；另一类相当于流体的流量。麦克斯韦迸一步讨 论了这两类量的性质。流量遵从连续性方程，可以沿曲面积分，而力则应线段积分。 麦克斯韦( j 锄c sc l e r km 缸w e l l ，1 8 3 l 1 8 7 9 年) 是1 9 世纪伟大的英国物理学家、数学家。1 8 3 1 年1 1 月1 3 日生于苏 格兰的爱丁堡，自幼聪颖，父亲是个知识渊博的律师，使麦克斯韦从小受到良好的教育。1 8 7 1 年受聘为剑桥大学新 设立的卡文迪什试验物理学教授，负责筹建著名的卡文迪什实验室，麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统 计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是1 9 世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。他预言了电磁波的存在。这种理论遇见后来得到 了充分的实验验证。他为物理学树起了一座丰碑。造福于人类的无线电技术，就是以电磁场理论为基础发展起来的。 1 8 7 4 年卡文迪什实验室建成后这个主任，直到1 8 7 9 年1 1 月5 日在剑桥逝。麦克斯韦严谨的科学态度和科学研究方 法是人类极其宝贵的精神财富。 o 意 艾米里奥塞格莱：物理名人和物理发现。刘长顺译。北京：知识出版社，1 9 8 6 年，第8 9 页。 同上，第9 0 页。 1 9 东北师范大学硕士学位论文 关于类比方法，麦克斯韦写道：“为了采用某种物理理论而获得物理思想，我们 应当了解物理相似性的存在。所谓物理相似性，我指的是在一门科学的定律和另一门科 学的定律之间的局部类似。利用这种局部类似可以用其中之一说明其中之二。 麦克斯 韦还特别注意到数学公式的类比。“精确科学的宗旨就是要把自然界的问题归结为通过 数学计算来确定各个量。 圆这篇论文的第二部分专门讨论法拉第的“电应力状态”， 对电磁感应作了理论解释。麦克斯韦指出，矢势正是表示“电应力状态 的一个函数， 两者是一致的。不过，矢势是建立在超距作用上的数学函数，缺乏实际含意，而法拉第 的“电应力状态”则是根据大量实验发现并认真做出的精湛假设。麦克斯韦写道：“也 许有人会认为，多种现象的定量观测还未严密到足以形成数学理论的基础，但是法拉第 并不满足于简单地叙述其实验的数学结果，也不希望靠计算来发现定律。当他掌握住一 个定律时，他立即像对纯粹数学的定律一样，毫不含糊地讲出来；如果数学家把这个定 律当作物理真理接受下来，从它推出其它可以用实验检验的定律，这位数学家只不过起 了帮助物理学家整理自己思想的作用。当然，也要承认这是科学推理的必要步骤。” 这里麦克斯韦提到的数学家实际上就是指他自己。接着，麦克斯韦推出了6 个关于 电应力强度、磁感应强度、电磁势及电流强度关系的定律固对于这6 个定律，麦克斯韦 写道：“在这6 个定律中，我要表达的思想，我相信是( 法拉第的) 电学实验研究中 所提示的思想模式的数学基础。”对此爱因斯坦说：“在法拉第和麦克斯韦这一对与伽里 略和牛顿这一对之间有着值得注意的相似性，每一对的前者都直觉的抓住了事物的联 系，而后者则严格的用公式把这些联系表达了出来，并且定量的应用了它们 ( 二) 经典电磁场理论建立的第二阶段 麦克斯韦又花了5 年时间研究电磁理论，写了第二篇论文，题为论物理力线。 内分四个部分，分别载于1 8 6 1 年和1 8 6 2 年的哲学杂志上。他的“目的是研究介质 中的应力和运动的某些状态的力学效果，并将它们与观察到的电磁现象加以比较，从而 为了解力线的实质做准备。” 两件事使麦克斯韦重新考虑他的研究方法：一件是根据伯努利的流体力学，流线越 密的地方压力越小，流速越快，而根据法拉第的力线思想，力线有纵向收缩、横向扩张 的趋势，力线越密，应力越大，两者不宜类比；另一件是电的运动和磁的运动也无法简 单类比。从电解质现象中知道电的运动是平移运动，而从偏振光在透明晶体中旃结的现 。j c m a x w e l l 勋，即即芒j 疗c 尸a p e 坩d ，zc 肠曙盼j 上 v 0 1 1 c 鲫b r i d g e ，1 9 9 0 p 1 1 3 亩i b i d ，p 1 1 3 i b i d ，p 1 1 4 i b i d ，p 儿5 囝i b i d ，p 1 1 5 i b i d ，p 1 1 5 2 0 东北师范大学硕士学位论文 学史上的一个最重要的事件。”劳厄在谈到麦克斯韦方程组时说：“它的思想太不平常 了，甚至像波尔茨曼这样的有异常才能的人为了理解它也花了几年的力气” 至此，经 过无数科学工作者历时近三百年终于建立起完整的的电磁场理论体系。 荚 爱因斯坦、英费尔德合著：物理学的进化，周肇威译，上海：商务印书馆，1 9 8 8 年，第3 5 6 页。 西德 m v 劳厄：物理学史，范岱年等译，上海：商务印书馆，1 9 7 8 年，第2 7 8 页。 东北师范大学硕士学位论文 五经典电磁场理论的社会影响 ( 一) 经典电磁场理论对科学发展的影响 首先，电磁场理论的发展引起了新兴的学科群的诞生。 最早出现的以阴极射线的应用为基础的学科，阴极射线是从低压气体放电管阴极发 出的电子在电磁场加速下形成的电子流。阴极射线应用广泛，电子示波器中的示波管、 电视显像管、电子显微镜等都是利用阴极射线在电磁场作用下偏转、聚焦以及能使被照 射的某些物质( 如硫化锌) 发荧光的性质工作的。高速的阴极射线打在某些金属靶极上 能产生x 射线，可用于研究物质的晶体结构，并广泛的应用于与医疗过程中的人体透视。 阴极射线还可直接用于切割、熔化、焊接等。1 8 9 7 年j j 汤姆孙根据放电管中的阴极 射线在电磁场和磁场作用下的轨迹确定阴极射线中的粒子带负电，并测出其荷质比，这 在一定意义上是历史上第一次发现电子，电子的发现和研究又导致了高能物理和量子力 学的出现，高能物理学是物理学的一个分支学科，研究比原子核更深层次的微观世界中 物质的结构性质，在很高的能量下，这些物质相互转化的现象，以及产生这些现象的原 因和规律。它是一门基础学科，是当代物理学发展的前沿之一。量子力学是研究微观粒 子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和 基本粒子的结构、性质的基础理论，它和相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量 子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也 得到了广泛的应用。量子力学的研究又发展出量子化学、量子物理学和量子生物学。对 电磁波的研究被引用到天文学的研究领域，出现了一个新的天文学分支：射电天文学， 射电探测方法能探测到某些光学波段完全无法发现的天文现象。经典电磁场理论所指导 的实践还发展出无线电科学，无线电最主要的应用就是通讯，包括电报、电话、广播、 电视直到今天的手机和卫星通讯。无线电学的进一步发展，给电子计算机直至今天的人 工智能研究打下坚实的基础。 其次，经典电磁场理论的应用给工业生产提供了新的对金属材料加工和处理的技 术手段。 电解广泛应用于冶金工业中，如从矿石或化合物提取金属( 电解冶金) 或提纯金属 ( 电解提纯) 。利用电解的原理可以在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的避 程，这过程被称为电镀，电镀可以在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸目 还能增强金属的抗腐蚀性、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和蒙 面美观。电焊用电能通过电焊机里的减压变压器降低了电压，增强了电流，利用电铲 生的巨大热量融化金属并使之牢固连接在一起。电解、电镀和电焊给工业生产中对鲷 东北师范大学硕士学位论文 越来越深入。 ( 三) 经典电磁场理论对社会发展的影响 恩格斯曾经指出马克思认为：“科学一种在历史中起推动作用的，革命的力量。 自然科学的每一项应用都异常迅猛的提高劳动生产