电磁学理论的大发展和大综合1.doc

电磁学理论的大发展和大综合摘 要： 本文总结了电磁学发展的历史，阐述了麦克斯韦对电磁学进行大综合以及在此之前的所有电磁学研究的成果.关键词：电磁学；电场；磁场；电磁感应；电流 电磁学是研究电磁现象的一门学科，是物理学科的一个重要分支电磁运动是物质的基本运动之一，电磁相互作用广泛的存在于自然界电磁学的每一次进步，都给人类社会的进步和发展带来了巨大的动力，使得人类经过第二次工业革命后进入了电气时代。1.人类古代对电磁学的发现和研究 人类对电磁现象的研究可以追溯到很早的年代，西汉末年（大概公元 20 年左右）就有关于摩擦过的玳瑁吸引细小的物体的记录；东汉时期王充在论衡乱龙篇中有“顿牟缀芥,磁石引针”的记载；公元前 585 年，希腊哲学家泰勒斯记载过用木块摩擦过的琥珀能吸引碎草屑等轻小物体的能力，其后又有人发现摩擦过的煤玉也具有吸引轻小物体的能力.在中国古代的山海经管子吕氏春秋韩非子有度篇武经纲要梦溪笔谈中，对磁体和磁现象做了分析和记录，并对指南针的制造和使用作了描述.16 世纪英国科学家、皇家御医吉尔伯特，在他出版的专著论磁性、磁体和巨大的地球磁体一书中，分别讲述磁体和磁现象，讲述了摩擦起电现象和电吸引现.。并认为地球本身就是一个巨大的磁体，因此磁铁因为处于地磁场中而受到了力的作用.而摩擦起电的物体虽然也有吸引细小物体的能力，但是它们不会受到地磁场的影响，因此他们不是磁力而是电荷之间相互的作用力。2.十八世纪人类对电磁学的研究和进展 1660 年德国工程师、酿酒师盖利克，用一个可以旋转的大硫磺球摩擦其他物体而产生电荷.1729 年英国科学家格雷发现了绝缘体和导体的电特性的区别，他的研究引起了法国科学家杜费的兴趣，1733 杜费发现了丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，毛皮摩擦过的橡胶棒带负电.1745 年荷兰物理学家穆欣布罗克发明了莱顿瓶为电荷的储存提供了有效的手段，也为电的进一步研究提供了条件.1747 年美国政治家、科学家富兰克林（美国独立宣言起草人之一）在杜费的基础上，引入了正电和负电的概念。他还认为：摩擦的作用是使电从一个物体转移到另一物体，而不是创造电荷，任何一个与外界绝缘的体系中，电的总量使不变的，这就是通常所说的电荷守恒原理电荷的获得、储存和传递为定量研究电现象提供了充分的条件在认识了电荷分为正负两种，同性相斥异性相吸后，人们很快便转向研究电荷之间相互作用力的定量规律他最大胆的实验是利用有金属线牵引的风筝在天空中引导雷电到地面，消除了“天电”和“地电”的区别，并收集到“莱顿瓶”中，他还提出了导电体、电池、放电和充电等概念.他发现了尖端放电效应，发明了避雷针。 1750 年德国的挨批诺斯发现两电荷之间的相互作用力因距离的增大而减小的现象.1766 年，富兰克林的好友，英国化学家普利斯特利根据带电的空心球壳的内层没有电荷，而且球壳内的电荷不会产生任何作用力，他因此猜想电荷之间的作用力和万有引力相似.1769 年苏格兰的罗秉森用自己的实验装置测定了同性电荷之间相互的斥力与电荷间的距离的关系.1769 年英国科学家罗宾逊通过实验测出两个带同种电荷的球体之间的斥力与距离的 2.06 次方成反比，他进一步猜想了正确的结果应该是与平方成反比关系.1773 年英国物理学家和化学家卡文迪受牛顿万有引力与距离的平方成反比关系的启示，巧妙设计了在带电球壳内测量带电体之间相互作用力的实验，得出了电荷之间的相互作用力和电荷之间的距离的平方成反比的规律，当时他的研究成果没有公开发表.1785 年，法国物理学家库仑也设计了精巧的扭秤实验，直接测定了两个同种点电荷之间的斥力与它们之间距离的平方成反比例，与它们的电量乘积成正比例，他又用电扭摆实验对两个异种电荷的吸引力测出了相同的结果，至此，库仑定律得到了科学界的公认，开辟了近代电磁理论的新纪元.意大利物理学家伏（即伏特），在18 世纪发明了能存储电荷的装置，伏打电池.伏打用不同金属组成的弧形金属叉接触活青蛙腿，发现不同的金属接触时，会产生电动势（即电压），于是他把两种不同的金属作为两极，把它们分别夹在两篇浸在电解质溶液中的纸片上，于是就产生了可持续循环的电流，这就是著名的伏打电池组，它提供了稳恒的电源和电流，为人们研究电流的各种效应给予了保障，为了纪念他人们把电势差的单位命名为伏（V）.3 关于电与磁的相互作用的研究3.1 电流产生磁场的研究 丹麦的物理学家奥斯特经过十多年不懈得努力，终于在1820年初发现了电流得磁效应，年中发表了论文关于磁针与电流碰撞的实验，并以拉丁文简洁报道了实验结果，当电流通过导线时，会使导线附件的磁针向与导线垂直的方向偏转，说明通电导线周围产生了磁场，这是电磁学发展史上的又一里程碑. 法国的物理学家毕奥和萨戈尔在1820 年 10 月 30 日发表了载流长直导线对磁极的作用力反比于距离的实验论文.法国数学家拉普拉斯运用当时先进的数学成果微积分，把他们的实验结果表述成微分和积分的形式，这便是毕奥萨戈尔定律，这个定律反映了电流和磁场之间的关系.法国的科学家安培在奥斯特的实验发表的第二天就重复该实验，设计一系列精巧的实验，从中总结出磁针转动的方向与电流方向服从右手螺旋定则的关系安培定律.德国的中学教师欧姆在经历了很多的失败之后，于 1827 年发表了简单而又极为有用的欧姆定律，这个定律是电工学最基本的规律之一。二十年后德国的物理学家基尔霍夫从电荷守恒及能量角度出发，将欧姆定律推广，建立了电流和电压的基尔霍夫方程组.3.2 磁场产生电流的研究 法拉第出身于一个贫寒的铁匠家庭，13 岁进书店当学徒，经过 7 年的学徒锻炼和自学，终于成材.1821 年，英国的法拉第在学习和重复了奥斯特的实验后，就在思考一个问题：既然电流能产生磁场，那么磁场能不能产生电流呢？他终于在1831 年 8 月 29 日发现了通电线圈之间可以产生互感电流，一个月后又发现磁体和闭合线圈相互运动时，能在闭合线圈上产生电流.1832 年，法拉第发现，在电源相同的情况下，不同金属导体中产生的感应电流强度大小与导体的导电能力成正比.他意识到感应电流是由与导体性质无关的感应电（电源电动势）产生的.并相信即使不形成闭合回路（没有感应电流的情况），也会有电动势.在描述电磁场时，法拉第提出了力线的概念，认为当通过回路的磁感应线条数变化时，闭合回路就会产生感应电流，从而说明了感应电动势产生的原因，即当穿过回路的磁通量发生变化时，回路中便产生感应电动势.1833 年，俄国物理学家的楞次发现“感应电动势阻止产生感应的磁铁或线圈的运动”，他发表了他的实验结论，明确了感应电流方向，即楞次定律.法拉第的伟大发现是电磁学史上的一个里程碑，同年他发明了世界上第一台直流发电机，从此以后各类改进的发电机不断产生，导致了一场能源革命，一直延续到今天.法拉第电磁学新思想场和它的媒递作用.法拉第从实验中发现，电力和磁力的强度和带电体或磁体之间的介质有关，不同的媒质中进行相同的实验，作用力不同，这引起了他的思考，通过分析类比，他认为带电体和磁体周围存在这一种无形的物质场.他认为电力和磁力便是通过电场线和磁感应线传递的，这种传递是要依赖介质的，不可能是超距作用.法拉第这种场的观念给物理学一个开创新的境界，正如爱因斯坦评价的，它的意义要比电磁感应的发现高出许多。4 磁场理论的大综合 19 世纪英国的伟大的物理学家麦克斯韦是和牛顿、爱因斯坦同样伟大的物理学家和思想家之一，他自幼聪明，受到良好的家庭教育.16 岁就成为爱丁堡大学的学生，攻读物理、数学和自然哲学，三年后转入剑桥大学.1854 年他从剑桥大学毕业后，在开尔文的影响下研究电磁学.1855年，他完成了他第一篇重要论文论法拉第的力线.1862 年发表了第二篇论文论物理的力线.1864年1月8日，麦克斯韦向皇家学会宣读了他关于电磁场的第三篇重要论文电磁场的动力学理论，并正式发表于1865年，在他自称是电磁统一理论的论文中，包含了概括了20个变量的20 个方程，经过后人进一步整理和综合，成为以他的名字命名的概括所有电磁现象的方程组麦克斯韦方程组.他推论变化的电场激发磁场，变化的磁场激发电场，电场磁场相互交替，在真空中传播，而且导出电磁波在真空中传播的速度与光速一致，他由此预言了电磁波的存在和光也是电磁波。 麦克斯韦的电磁理论提出后，由于光波波长极短，无法测量而在很长的一段时间内并没有被所有的人接受，一直到他的推论和预言被德国的物理学家赫兹 1888 年的电容放电和检测实验所证实.赫兹受到他的老师的亥姆霍兹的鼓励，从1878年开始用实验方法验证麦克斯韦理论，虽经多年努力仍没有找到途径.1886 年 10 月，赫兹在做电路放电实验过时，偶然发现旁边的一个两端间有空隙的开路线圈也发出火花.他立刻想到这可能是电磁共振，沿着这个思路，他随后在一年中做了一系列的实验，设计了发射电磁波的赫兹振子和接收电磁波的共振探测器，由此证实了电磁波的存在，还测出其速度与光速相同，与光一样具有反射、折射、干涉、偏振等性质.赫兹的实验很好的证实了麦克斯韦理论，开创了无线电技术的新时代，经历了 80 年才从库仑定律的发现至麦克斯韦理论的建立，到赫兹实验的证实经历了将近一个世纪，电磁学的大厦终于巍然屹立于由必然王国通向自由王国的征途之上。麦克斯韦理论说明电磁相互作用是媒递作用，由电磁场来传递；它的传递速度是有限的光速，不是作用.电磁场是物质的一种形态并具有能量，电磁波是电磁场的运动，在这过程中电磁场的能量向前的传递.超距作用认为传递相互作用不需要时间的说法是不对的，但它是人类认识电磁现象的一个中间阶段，对电磁学的研究起到了很重要的作用，在静电学、静磁学以及缓慢变化的电磁场问题中，用这种观点分析仍然是对的。人类对自然界的认识不断的发展和完善，总结出的规律具有相对性，只有在人的认知范围不断扩大和认识深度不断加深的之后，人们才能越来越全面正确的掌握自然科学的规律和本质.麦克斯韦的理论也是如此，这个理论在解释特殊介质的电磁性质及光学色散现象时也遇到了困难.正是这些新困难和新问题的出现，才引起了人们更深入的分析研究.1892 年后，荷兰的物理学家洛伦兹发表了一系列的论文，提出了电子论，把物质的电磁性质归结为原子中的电子电流效应，将麦克斯韦的电磁理论应用到微观领域，从而部分地克服了以上的困难.1905 年，爱因斯坦创立了狭义相对论证明了