经典电磁学的建立.doc

经典电磁学的建立电磁学比力学和光学年轻得多。在18世纪以前，人们对电磁现象虽有一些记载和认识，但多数是定性的。18世纪人们开始对电现象和磁现象进行独立的定量研究，电学和磁学发展速度加快，特别是18世纪末期电流的发现，强有力地推动了电学和磁学的发展。19世纪中叶麦克斯韦建立了经典电磁学理论，实现了光学和电磁学的统一。第一节 对磁和电的早期研究一.吉尔伯特的论磁磁学研究的先驱当数与伽利略同时代的英格兰人吉尔伯特。他早年曾在剑桥大学学习，后来成为一位蜚声欧洲的名医，担任过英国女王伊丽沙白一世的私人医生。他最初的研究在化学方面，但大约在40岁时，他对磁和电现象产生了兴趣，把其余生奉献给磁和电的实验研究。1600年出版的他的伟大的著作论磁，标志着电磁研究新纪元的开始。吉尔伯特最著名的实验是“磁性小地球”实验。他将一块天然磁石磨制成一个磁石球，把小磁针放在这个磁球的附近，观察磁球对小磁针的作用。他发现，这些小磁针的行为完全和地球上指南针的行为一样，磁球的磁子午圈与地球的经线想象且有两个“磁极”，于是，他大胆地得出地球是一个大磁体的结论。他还提出一个普遍原理，即每个磁体的磁北极，吸引别的磁体的磁南极，而排斥它们的磁北极。由此，他解释了指南针指北的原因，批驳了一些人对磁体运动原因的迷信说法。吉尔伯特还做过磁化铁棒或铁丝的实验。通过“拉伸或锤击”铁棒或铁丝，或通过锤击正在从灼热中冷却下来的铁棒或铁丝，都可以将其磁化。吉尔伯特对静电现象也有实验研究。前人发现摩擦过的琥珀有吸引轻小物体的性质，他发现许多摩擦过的物体也有这种性质。为了把这种性质与磁作用区别开，他把这种性质称为电性，引入“电力”、“带电体”等术语。他第一次明确地区分开了电的吸引和磁的吸引。吉尔伯特把电现象和磁现象做了比较。他认为：1磁性是天然的，而电性需经摩擦产生；2磁力作用只在少数物体间发生，电力作用则是普遍的；3磁力有两种引力和斥力，电力仅有引力（当时不知道还有斥力）；4磁体之间作用不受中间物体影响，而带电体则不然。由此，他得出它们是两种截然无关的现象的结论。这个结论，影响后人在随后的两百多年里一直把电现象和磁现象分开研究。二.物体导电性和两种电的发现在17世纪继吉尔伯特之后最重要的电学发现是电推斥的发现。卡贝乌司斯在其磁学哲学（1629年）里描述了带电琥珀所吸引的铁屑有时在接触后被反冲到几英寸之外。然而，最早认识到和说明这个现象的人是抽气机的发明者、德国马德堡市的市长盖里克（O.von Guericke,1602-1686）。 盖里克在他的著作关于虚空空间的新的马德堡实验（1672年）里，除了描述了他的著名的马德堡半球实验外，还记述了他发明的摩擦起电机，人类第一部静电起电机。他用熔融的硫磺浇注成一个“象小孩头颅那么大的”带轴的圆球，把这个球架起来并使之转动，用手与球摩擦，结果人体和球都带上了电。他还发现：带同种电的物体相斥；电荷能够传到亚麻线的末端；带电体可使附近的物体带电。因此，他是电传导和电感应现象发现方面的先驱。最早明确描述电传导现象并通过实验区分导电和非导电物质的人是英国卡尔特修道院的养老金领取者格雷（S.Gray,1666-1736）。1729年，格雷发现，摩擦带电的玻璃管的电可传到其两端的软木塞上。把一端插进象牙球的木杆的另一端插进软木塞，他发现电的作用通过软木塞和木杆传到了象牙球。他还用一根绳子将电传导了24米远。但是，他还发现不是任何物质都具有传播电的性质。于是他把物质分为两类：一类是非电性物体（导体），另一类是电性物体（绝缘体）。法国皇家花园的管家杜菲（C.F.du Fay,1698-1739）1733年发现绝缘了的金属也可以通过摩擦的办法起电，因此他认为所有物体都可以摩擦起电。杜菲在吉尔伯特工作的基础上，对验电器作了改进，用金箔代替金属指针，并用它对摩擦带电的玻璃棒和琥珀作检验，发现两者带的电是不同的。他由此指出：存在两种不同性质的电，并称之为“玻璃电”和“树脂电”；同种电相斥，异种电相吸。为解释两种电，他提出二元电液理论。为寻找存储电荷的办法，德国的物理学家克莱斯特（E.G.von Kleist,1700-1748）和荷兰的物理学家穆申布鲁克（P.von Musschenbrock,1692-1761）在1745-1746年间几乎同时独立发明了莱顿瓶。三.富兰克林的电学研究美国科学家和政治家富兰克林（B.Franklin,1706-1790）1746年开始从事电学研究，被誉为“电学之父”。 富兰克林根据异种电荷可以相消的实验，提出单元电液理论。他认为，物体缺少电液就带负电，用“-”号表示；物体多余电液就带正电，用“+”号表示，而且正负电可以相互抵消。这为电现象的定量研究提供了一个基础。十八世纪人们发现各种物体放电时一般会产生火花，与空中雷电非常相似。这种相似引导富兰克林思考雷电的本质以及雷电与地电有何异同。富兰克林曾把一根40英尺长的铁棒立于空中，企图把雷电引下来收集后加以研究，由于铁棒高度不够，未能成功。 富兰克林想出了“风筝实验”。他在风筝上固定一根尖细的铁丝，使它伸出一英尺有余。用一根粗糙的麻绳做拉线，手拉的一端接一根丝绳（绝缘体），在麻绳和丝线的接头处栓上一把金属钥匙。1752年7月的一个雷电交加的日子，富兰克林同他的儿子一起来到郊外，把风筝放入云端。富兰克林发现，当闪电时，被雨打湿的麻绳上的纤维向四周翘起，用手指靠近钥匙，则有放电火花产生。天电终于被引了下来。他用钥匙上的电给莱顿瓶充电，并用这里的电来进行各种实验，发现天电和地电是一样的。因此，富兰克林统一了“天电”和“地电”。他的这个实验震惊了科学界，激发了人们对电研究的兴趣。1755年捷克的一位科学家创制了第一个避雷针，1760年富兰克林也竖起一根避雷针。第二节 库仑定律的发现一.平方反比定律的提出18世纪中叶以后，人们对电荷之间的相互作用规律开始作定量的研究。1750年左右，德国科学家埃皮努斯（F.U.T.Aepinus,1724-1802）在实验中发现：电荷之间的相互作用力随距离的缩短而增大。在富兰克林的劝说下，1766年英国科学家普利斯特列（J.Priestley,1733-1804）做了一个验证实验：带电金属容器内表面上不分布电荷，它对空腔内部的电荷没有作用力。根据肯定的实验结果，普利斯特列将电的引力类比于万有引力，作出了一个大胆的猜测，认为“难道我们就不可以认为电的吸引力遵从与万有引力相同的规律，即与距离的反平方有关的规律吗？”稍后，即1769年爱丁堡大学的罗宾森（J.Robison,1739-1805）也提出相同的推测。1773年，英国科学家卡文迪许（H.Cavendish,1731-1810）做了电荷在金属球壳的分布实验，根据电荷只分布在球壳外表面的实验事实，经过理论分析，得出电荷之间的相互作用力和其距离成平方反比的结论。卡文迪许假设电荷之间的相互作用力和其距离的关系为：f(r)=K/rn ,经过实验测定n=2+1/50。不过，他的结果一直到他去世后才于1879年被公开发表。二.库仑定律的建立法国物理学家库仑（C.A.Coulomb,1736-1806）在1777年对毛发和金属丝的扭转进行研究，发明了扭秤。1785年，他自行设计制造了一台精度很高的扭秤，并把它用于测定电荷之间的相互作用力。为测定电排斥力与电量的关系，库仑巧妙地根据对称性，采用一个带电、另一个不带电的两个相同的金属球相互接触平分电量的办法，得到了同种等量的电荷，如Q、1/2 Q、1/4 Q、1/8 Q.等，用实验证明了电斥力与电量成正比的关系。关于异种电荷之间的引力，库仑利用扭秤测量遇到了困难。因为金属丝的扭秤的回复力矩与角度的一次方成比例，这就不能满足扭秤的稳定。后来他从受地球引力的单摆摆动事例中得到启发，借鉴单摆周期与距离的关系T=2Pr，即单摆的振动周期与物体离地心的距离成正比。库仑认为，如果电引力遵从反平方定律，就可以用他设计的“电摆”来检验。 库仑所记录的3次实验的数据如下表所示：实验次数 金箔与球心距离（寸）15次振动所需时间（秒）19202184132460库仑由此得到：距离之比为3：6：8，振动周期之比为20；41：60。如果电引力符合反平方定律，按以上的距离之比，振动周期之比应是20：40：53。实验数据与理论预期有出入，库仑认为这是漏电的缘故。于是他得出结论：电斥力和电引力一样，遵从反平方定律。库仑定律的建立，使电学研究进入了定量阶段，为电磁学作为一门精密的科学奠定了基础。第三节 电流的发现和欧姆定律的发现一.伽伐尼“动物电”的发现电流的发现始于意大利生理学教授伽伐尼（L.Galvani,1737-1798）的发现。1780年9月的一天，伽伐尼将一只剥去皮的青蛙放在一个起电机旁的金属板上，在起电机放电时，他的一个助手偶然将解剖刀碰到青蛙腿的神经上，发现蛙腿发生剧烈的痉挛。伽伐尼重复了这个实验，认为蛙腿的痉挛是由放电引起的。于是，他用闪电代替起电机放电来实验，发现蛙腿也发生了痉挛。后来他在密闭的房里，将青蛙放在铁板上，用铜丝去触击它，结果蛙腿同样也发生了痉挛。因此通过这一现象，他排除了外来电作用的可能性，并猜想“这个电也许是动物本身所有”。他进而指出，只要动物的肌肉或神经由一种以上的金属所连接，“动物电就能激发出来。 伽伐尼的发现于1791年公布，立即引起了他的好友、意大利自然哲学教授伏打（A.Volta,1745-1827）的注意，引发了电流的发现。二.伏打电堆的发明1792年，伏打重复了伽伐尼的青蛙实验，认为伽伐尼得到的现象是对的，但解释是错误的。他做了一个列颇有说服力的实验。将一块金币和一块银币同时顶住舌头，用导线将它们连接起来时，舌头感觉有酸苦味。因此，伏打认为，电的来源不是动物本身，而是两种金属的接触，肌肉或神经只是起传导和指示电流的作用。伽伐尼所发现的电流不应叫做“动物电”，而应称做“金属电”或“接触电”。1796年，伏打把金属称为第一类导体或干导体，把含有金属元素的液体称为第二类导体或湿导体；他指出，电“循环”的先决条件是回路必须由两个（或更多个）第一类导体和一个第二类导体所组成。他用各种金属搭配，研究它们相互接触时产生电的情况。1797年，他提出了一个金属接触系列著名的伏打系列：锌、锡、铅、铁、铜、银、金等，指出排在前面的金属将带正电，排在后面的金属将带负电。他还发现，将几种金属串接时，则电作用（电势差）由首、尾端的金属的性质决定，和中间的金属无关，这就是伏打定律。伏打将两个第一类导体和一个第二类导体所组成一个产生电流的装置，并把它叫做伽伐尼电池。后人又称之为“伏打电堆”。伏打还发现，将这些装置叠置起来，会得到强得多的电流。伏打电堆的发明，为后人提供了产生持续稳定电流的方法，使电学的研究由静电深入到动电，为电学的进一步发展创造了条件，为电化学的开创奠定了基础。四.欧姆定律的发现欧姆（G.S.Ohm,1784-1854）出生于德国的一个普通家庭，1805年进入大学学习，1811年获得哲学博士学位。他担任家庭教师和中学教师20余年，期间始终坚持从事物理学研究，结果发现了欧姆定律。他终生未婚。受傅立叶热传导定律的启发，欧姆认为电流现象和热流传导现象相类似，猜想导线中两点间的电流可能正比于这两点间的某种驱动力，他把它称为“电动力”，即现在所称的电势差。为验证这一猜想，他作了长期而大量的实验研究。起初，他使用伏打电堆作为电源进行实验，由于电堆的电动势不很稳定，未能得到理想的效果。后来在波根道夫（J.C.Poggendoff,1796-1877）的建议下，他于1826年改用温差电偶做电源，从而保证了电动势的稳定。他巧妙地利用扭秤的扭矩和受电流作用的磁针的偏转力矩平衡的方法来测量电流的大小。结果，他发现了电流“磁作用”的强度（正比于电流强度）同电源的“电动力”之间的线性关系，即全电路欧姆定律。对于一段导体来说，这一规律表现为电流和电势差成正比，其比例常数就是该导体的电阻，这就是电阻电路的欧姆定律。由于当时德国的学术界正受谢林和黑格尔的“自然哲学”的影响，不大关心具体的实验工作，所以，欧姆的发现没有立即引起本国学术界的重视。他的发现首先得到的是英国皇家学会的奖赏，皇家学会授予他科普利奖章当时科学界最高的荣誉。等到黑格尔死后，欧姆才渐渐得到他早就应该得到的待遇。第四节 电流磁效应的发现与研究一.奥斯特和电流磁效应的发现前面已经讲过，吉尔伯特把电力和磁力视为互不相干的两种现象，使后人对电与磁的研究沿着各自独立道路发展着。另一方面，自18世纪30年代以来，关于雷电使钢铁物质磁化和退磁的现象已屡见报道。1751年，富兰克林发现用莱顿瓶放电的办法可使磁针退磁或磁化。19世纪初，英国科学家戴维观察到磁铁能够吸引或排斥电极间的弧光。这些都暗示了电和磁之间的密切联系。奥斯特（H.C.Oersted,1777-1851）出生于丹麦一个药剂师家庭，从小对就对自然科学抱有浓厚的兴趣。1794年进入大学学习，1799年获得博士学位。1807年起开始从事长达13年的统一电与磁的研究。奥斯特受德国哲学家康德（I.Kant,1724-1804）关于自然力是统一的思想的影响，坚信自然力源于共同的基本力以及基本力向其他各种力转化。富兰克林1751年的发现使他相信电和磁之间存在着转化联系，关键是要找到转化的条件。1812年，奥斯特猜想导线中正电和负电的冲突会以波的形式散布于空间，并随着导线直径的逐渐减小而依次转化为热、光和磁。他写道：“应该检验电是否以其最隐蔽的方式对磁体有所影响。”奥斯特不断通过实验检验这一思想。在和前人一样沿着电流方向寻找磁效应的失败中，他想到电对磁体的作用不是纵向的而是横向的。1820年4月在一次电学和磁学课程讲授快要结束时，他来了“灵感”，抱着试试看的心情把导线和磁针沿磁子午线方向平行放置好，然后接通电源，这时他激动地发现小磁针偏转了。在随后的三个月里，他在不断改变实验的条件下，重复证实了这一现象。1820年7月21日，奥斯特发表了题为关于电冲突对磁针的作用的一些实验的论文，公布了他的发现。他认为，在通电的导线周围产生了一种横向的环绕电流的“电冲突”，它可以透过所有非磁性物体，但却被非磁性物体所阻抗，推动磁性物体发生偏转，这就是电流的磁效应。奥斯特的发现揭示了电和磁之间的内在联系，开创了把“电学”和“磁学”统一起来的“电磁学”。二.安培和他对电磁学的研究奥斯特的发现轰动了当时整个欧洲。法国物理学家阿拉果于当年9月11日向法国科学院介绍了奥斯特的新发现，引起了法国科学界强烈的反响。作出异乎寻常的反应的是在科学上极其敏感的科学家安培（A.M.Ampere,1775-1836）等人。安培出生于里昂的一个商人家庭，从小就表现出惊人的记忆力和非凡的数学才能，完全靠自学获得全面的教育。1793年他父亲被被雅各宾党人处死，之后他妻子去世，这些打击使他一度陷入悲伤和苦闷。但对数学和自然科学的热爱使他又振作起来。在听到阿拉果对奥斯特发现的介绍后，他迅速重复了奥斯特的实验并加以发展，在9月18日、9月25日和10月9日科学院召开的会议上报告了他的重要发现。在随后的几年里，他深入系统研究了电磁学现象，提出安培力公式和分子电流假说。麦克斯韦把安培誉为“电学中的牛顿”。 安培在9月18日提出了磁针转动方向与电流方向的关系服从右手定则，即现在所称的安培右手定则。既然电流可以象磁石那样吸引或排斥磁针，那么两段电流是否也象两块磁石那样相互作用呢？在9月25日的报告里，安培用实验证明了两根平行载流导线，当电流方向相同时相互吸引，当电流方向相反时相互排斥。安培认为，磁作用本质上可归结为电流间的作用。在10月9日的报告里，安培报告了他对各种弯曲载流导线相互作用的实验研究结果。 在法国科学院10月30日的会议上，法国科学家比奥和萨伐尔（F.Savart,1791-1862）报告了载流长直导线对磁针作用力的实验结果。他们发现，这一作用力正比于电流强度，反比于它们之间的距离，作用力的方向则垂直于磁针到直导线的连线。拉普拉斯假设电流的作用归结为电流元独立作用之和，比萨定律才被表示为微分形式。 在随后的三个月里，安培集中研究了电流元之间相互作用力。为测定这种作用力，他以精巧的实验技巧和高超的数学能力设计了四个“示零实验”。在对实验结果进行分析和综合后，他于12月4日提出出任意两个电流元之间作用力的公式，即安培力公式。 安培是一个分子论者。在菲涅耳的批评和启示下，1821年1月，他提出了分子电流假说。他认为，物体内部每个分子中的以太和两种电流质的分解，会产生环绕分子的圆电流，形成小磁体；当有外部磁力作用时，它们呈规则排列，使物体呈现磁性。类比于静力学和动力学的区别，安培首次把研究动电现象的理论称为“电动力学”。第五节 法拉第和电磁感应的发现一.法拉第法拉第（Michacl Faraday,1791-1867）出身于伦敦近郊一个贫穷的铁匠家庭。父亲无力供他上学，在他13岁时把他送到一家书店做装订书的学徒工，他因此有机会阅读了大量的书籍，特别是深受大英百科全书中有关自然科学文章的吸引。1812年秋，在一位书店主顾的建议下，他到皇家学院聆听了著名化学家戴维的演讲。他把整理好的笔记和一封自荐信一起寄给戴维，提出跟从他从事研究工作的请求。与他出身相似经历相仿的戴维，1813年接纳他到皇家学院化学实验室做他的助手。这是他一生中的转折点。起初，他的目标是当一名化学家。1820年在得知奥斯特的发现后，他转而把主要精力用于电磁学研究，发现了电磁感应现象与定律，最先提出电场和磁场的概念，从而导致了物理学思想的一场变革。他于1824年当选为皇家学会会员；1825年接替戴维担任皇家学院实验室主任；1833-62年任皇家学院化学教授；1846年荣获伦福德奖章和皇家勋章。1857年科学家们提议他任皇家学会主席，他推辞了；英国女王要封他爵士，他也谢绝了。他决意做一个爱好科学的平民。从1831年开始，他用二十多年时间撰写成三卷本巨著电学的实验研究，分别于1839、1844、1855年出版。这部巨著汇集了他的电磁学实验研究成果和深刻的物理学见解。 法拉第是最伟大的实验物理学家之一。二.电磁感应的发现1821年9月，在重复奥斯特的实验时，法拉第发现小磁针有环绕导线做圆周运动的倾向。他立即想到，一个磁极将会环绕电流作持续的旋转。他设计了一个实验来检验他的这一想法。他很快就获得了成功，即实现了磁体绕电流的持续转动和载流导体绕磁体的转动。这是人类第一次实现的电磁运动向机械运动的转换。这实验的成功大大鼓舞了法拉第，使他决心对电和磁的联系作更深入的研究。在1822年的日记里，他考虑到奥斯特发现的逆效应问题，写下了“由磁能产生电”的大胆设想。 在1822年到1831年间，他不时地研究这一课题。起初，类比于人们发现的磁化现象和电感应现象，法拉第试图用强磁铁和用强电流使附近的闭合导线产生稳定的电流，但实验都一次次地失败了。最后，他在一软铁环上绕上两个彼此绝缘的线圈A和B，A线圈通过一开关与电池组连接，B的两端用导线连接成闭合回路，在导线下平行放置一小磁针。他还是想通过线圈A中电流产生的磁场使线圈B感应出电流来。1831年8月29日，在进行上述实验时，法拉第偶然发现，当开关合上瞬间，小磁针发生了偏转；当开关断开瞬间，小磁针发生又了偏转。这表明，线圈A中的电流在接通或断开瞬间的确使线圈B感应出电流来。这个实验通常被称为电磁感应的发现实验。在随后的两个月里，法拉第用不同的方式方法做了几十个类似的实验，不仅重现了电磁感应现象，而且认识到电磁感应现象的暂态性。1831年11月24日，他在向皇家学会提交的报告中，把产生感应电流的情况概括成五种类型：1变化着的电流；2变化着的磁场；3运动的稳恒电流；4运动的磁铁；5在磁场中运动的导体。至此，法拉第作出了他划时代的发现电磁感应现象。三.法拉第力线和场的概念自牛顿以来，物理学家们一直认为万有引力、库仑力都不是接触力。这些力的作用都是即时的，也不要什么媒介来传递，即所谓超距作用。富兰克林、库仑、安培等人对电磁作用的超距作用观点深信不疑。然而，法拉第根据他对电磁现象的研究，第一次提出了与超距作用完全相反的观点近距作用观点，形成了全新的物理概念和图象“场”和“力线”。 通过对电解过程的研究和介质对电力和磁力影响的研究，法拉第发现电力作用和磁力作用与其中的介质有关，介质不同，作用力就不一样；作用是通过介质中的逐点传递过去的。因此，电力、磁力是需要媒质传递的近距作用力。法拉第设想，在带电体、磁体和电流周围的空间存在某种由电或磁产生的象以太那样的物质，起着传递电力和磁力的媒介作用，他把它们称为“电场”和“磁场”。1851年12月，法拉第提出了论文论磁力线，类比于流体现象，以惊人的想象力对场的物理图象作了直观的描述。他提出，场是由力线组成的，许多力线组成力管，它们将相反的电荷和磁极联系起来。力线上任一点的切线方向就是该点场强的方向，力线的疏密程度表示场强的大小。他在一张纸上撒上铁屑，用磁棒在下面轻轻的振动，铁屑就清楚地现出磁场的力线。他以此来证明力线的实在性。在论磁力线中，法拉第利用力线的概念成功地建立了电磁感应定律。他写道：“无论导线是垂直地还是倾斜地跨过磁力线，也无论它是沿某一个方向或沿另一方向，该导线都把它所跨过的力线所表示的汇总起来”，因而，“形成电流的力正比于切割的磁力线数”。1833年，俄国科学家楞次（H.F.E.Lenz,1804-1865）得出了著名的“楞次定律”，明确了判断感生电流方向的基本定则。 法拉第提出的场和力线的概念，是物理学思想和观念的一次革命，对电磁学以及整个物理学的发展都产生了深远的影响。著名物理学家劳厄把法拉第誉为“正确理解电磁现象的带路人”。第六节 麦克斯韦的电磁理论及实验验证一.麦克斯韦麦克斯韦（James Clerk Maxwell，18311879）出身于英国爱丁堡一个富有的贵族家庭。8岁时母亲因癌症去世。1847-50年在爱丁堡大学学习；1850-54在剑桥大学学习。1856-60年任阿伯丁马里斯查尔学院自然哲学教授。1858年结婚，身后无子女。当选爱丁堡皇家学会（1855）和伦敦皇家学会（1861）会员。1860-65年任伦敦国王学院自然哲学及天文学教授；1871年起任剑桥大学实验物理学教授，筹建卡文迪许实验室，1874年兼任实验室的第一任主任。1859年提出气体分子速度分布定律（麦克斯韦分布律）；1866年发展了一般形式的运输理论，引入弛豫时间的概念；1867年揭示热力学第二定律的统计性质（“麦克斯韦妖”）；1878年引入“统计力学”这个术语。是分子运动论的重要创始人之一。1861年引入位移电流的概念；1864年建立了电磁场理论（麦克斯韦方程）；1865年预言电磁波的存在并以光速传播，光是电磁辐射的一种形式；1873年从理论上计算出光压；1878年预言了趋肤效应。出版的著作有：热学理论（1870），电磁通论（共2卷，1873），物质与运动（1876），电学基础（1881），科学论文集（共2卷，1890）。 法拉第-麦克斯韦电磁学，是“物理学自牛顿以来的一次最深刻和最富成果的变革”（爱因斯坦语）“几乎毫无疑问的是19世纪中最重要的事件将被判定为麦克斯韦的发现电动力学定律，而在和同一个十年中的这一重要科学事件相比之下，美国的内战就将褪色而成为只有地区性的意义了。”（R.费曼语）二.电磁场理论的建立在麦克斯韦以前，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。这四大定律和法拉第的力线和场的概念，构成了电磁理论进一步发展的理论基础。1854年，麦克斯韦阅读了法拉第的电学的实验研究，被书中创造性的实验和深刻的物理思想所吸引。于是，他抱着给法拉第“场”和“力线”概念“提供数学方法基础”的愿望，决心把法拉第天才的物理思想以清晰准确的数学形式表示出来。1855年，麦克斯韦发表了关于电磁学的第一篇重要论文论法拉第力线。论文不仅以数学形式表示了法拉第的力线图象，而且将已发现的定律上升为抽象理论。 在论文的第一部分，麦克斯韦以不可压缩流体稳定流动中的涡流线来对电场和磁场中的力线进行类比，把研究涡流线的某些数学结果应用到对于力线的研究。由此得到一个一般公式：E=kD对于磁场和电流，也可以得到类似的公式H=B/m和E=pJ。 在完成静电学和静磁学的场论化的工作后，麦克斯韦在论文的第二部分着手确立电动力学场的基础。他将法拉第的“电致紧张态”定义为电磁场的动量，将矢势A确定为“电致紧张函数”，这样，电磁场就物质化和运动化了。以A为基本量之一，麦克斯韦重新概括了已经发现的六条基本定律。1862年，麦克斯韦发表了关于电磁学的第二篇重要论文论物理力线。论文提出了电磁场的一个力学模型电磁以太模型，利用它揭示电学量和磁学量的变化之间的关系，形象地解释电磁相互作用。在论文中，麦克斯韦明确的引入了“位移电流”的概念。他指出，当变化的电场作用于电介质时，电介质的极化状态会发生变化，从而形成位移电流。位移电流和传导电流一样在其周围产生磁场。位移电流和传导电流迭加起来的总电流是闭合的。位移电流是麦克斯韦的重大发现，也是他电磁理论形成的关键。它既保证了电流的连续性，又保证了安培定律和法拉第感应定律的对称性；它导致了电场变化激发磁场变化的结论。这样法拉第的场模型被发展为：变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，变化的电场和磁场构成统一的电磁场。在论文中，麦克斯韦把电磁场看作一种动力学介质，推导出电磁横向振动的传播速度为：v=C/m为磁导率，C为电量的静电单位与电磁单位的比值。由于真空中m=1，所以v=C。1856年韦伯测定这个C值为31.074万公里/秒，与斐索测得的真空中光速31.50万公里/秒在数值上极为接近。因此，麦克斯韦得出结论：电磁横向振动的在真空中的传播速度等于真空中的光速。1865年，麦克斯韦发表了关于电磁学的第三篇重要论文电磁场的一个动力学理论，完成了他建立电磁场理论的最后一步。论文推导出由20个分量方程（如果采用矢量方程则为8个）组成的电磁场方程组。根据这个方程组推导出电磁波动方程，作出“电磁波”预言，得出光是一种电磁波的结论。由此，麦克斯韦完成了电磁学和光学的统一，在19世纪中叶实现了物理学自牛顿以来的一次大综合。麦克斯韦被公认是“自牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。1873年，麦克斯韦出版了电磁场理论的名著电磁通论。在这部著作中，他对电磁场理论作了全面、系统和严格的论述，建立了经典电磁学理论的完整体系。他在书中还第一次预言了光压的存在，计算出光压的大小等于电磁场的能量密度。三.电磁波的实验验证19世纪中叶的电磁学处于百花齐放的时代，除了麦克斯韦的电磁场理论外，还有以韦伯为代表的超距电动力学以及洛仑茨（L.Lorenz,1829-1891）为代表的准超距电动力学，还没有形成一个统一的电磁学理论。德国著名物理学家亥姆霍兹（H.von Helmholtz,1821-1894）致力于统一当时已有的电磁理论。经过研究他发现，麦克斯韦的理论令人信服，但这个理论必须接受实验的检验，其关键是要证明位移电流的存在。于是，在1879年他以“用实验建立电磁力和绝缘体介质极化的关系”为题，设立柏林科学院奖，要求证明以下三个假设：1如果位移电流存在，必定会产生磁效应；2变化的磁力必定会使绝缘体介质产生位移电流；3在空气或真空中，上述两个假设同样成立。亥姆霍兹考虑到第三条假设的证明太难，就把它删掉了。这次悬奖成为赫兹（Heinrich Hertz,185