电磁学的发展.doc

第六章 电磁学的发展教学目的与要求：掌握：库仑定律的发现过程及内容；安培定律的发现过程；电流的磁效应的发现过程；电磁感应的发现过程及意义；麦克斯韦经典电磁场理论。熟悉：人们对电、磁现象的早期研究；了解电流、；场的概念。了解：麦克斯韦经典电磁场理论的建立及赫兹对其验证情况。教学重点，难点：库仑定律的发现过程及内容；安培定律的发现过程；电流的磁效应的发现过程；电磁感应的发现过程及意义；麦克斯韦经典电磁场理论。教学内容：1.对电磁现象的早期认识1.中国 西周(公元前1100-公元前771)青铜铭文就记载有“电”字和“雷”字。 先秦:“阴阳相薄，感而为雷，激而为霆。霆，电也。” 古人将磁石称为慈石来形容磁石“以为母也，故能引其子”的功能。2.英国人吉尔伯特论磁: 曾为英国伊丽莎白一世的御医，1600年发表论磁石，总结了前人的经验，记载了大量实验。如“小地球”实验。伽利落称其为“经验主义的奠基人”。3.1663年，盖里克发明摩擦起电机;4.1720年，英国牧师格雷研究了电的传导现象;5.1733年，杜非分别了两种电;松脂电和玻璃电;6.莱顿瓶的发现 1745年，荷兰莱顿城莱顿大学教授马森布洛克（Musschenbrock)发现了莱顿瓶，为贮存电荷找到了一个方法。莱顿瓶就是一个玻璃瓶，在瓶里核瓶外分别贴有锡箔。瓶里锡箔通过金属链与金属棒连接，棒的上端是一个金属球。 表演实验：法国人诺莱特在一座巴黎大教堂前邀请了法国路易十五的皇室成员临场观看：七百名修道士手拉手排成一行，排头的修道士用手握住莱顿瓶，当莱顿瓶充电后，让排尾的修道士触摸莱顿瓶的引线。顿时，七百名修道士几乎同时跳了起来。在场的人目瞪口呆。从而展示了电的巨大威力。2.富兰克林对雷电现象的研究1.富兰克林（1706-1790） 美国人，在全家17个孩子中排行15，其父是小手工业者，家境贫困。他在10岁时缀学，12岁当印刷所学徒，阅读了许多书籍，后来成为科学家和政治家。1743年创立美国哲学学会；1751年协助创办宾夕法尼亚大学，1756年当选为英国皇家学会会员。自己写的墓志铭：“印刷工富兰克林”。2.电荷守恒定律的发现 1746年，英国物理学家、皇家学会会员柯林森（Peter Coullinson)，通过邮寄向美国费城的富兰克林赠送了一只莱顿瓶，富兰克林利用莱顿瓶做了大量的静电学实验，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，把两种不同性质的电荷分别称为“正电”和“负电”，并进一步得出结论正电和负电在本质上不应有什么差别；摩擦起电过程中，总是形成等量异种电荷； 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。从而得到了电荷守恒定律。3.费城实验 富兰克林40岁时，观看了电学实验，从而对电有了兴趣。其中有一个想法，天上的电和地电是统一的吗? 1752年7月，一个电闪雷鸣的上午，他将一个风筝放到空中，风筝下有一根铁丝，铁丝下栓一根麻绳，麻绳的下一端拴丝线，绳线接触处栓了一把钥匙。 同时他还把从云端“吸取”的电荷收集在莱顿瓶中，并进行其他实验。现象：麻绳上得纤维向四周自立，犹如“怒发冲冠”，铜钥匙可以给莱顿瓶充电，与摩擦电性质完全相同。富兰克林的工作，揭开了雷电的奥秘，统一了“天电”和“地电”，震惊了科学界。小插曲：为了验证“地电”与“天电”的相同处，富兰克林想到雷可以击死动物，于是他就实验用“地电”去击杀火鸡，结果被电打昏了。苏醒后，却不介意地说：“我本想用电杀死一只火鸡，结果差点电死了一个傻瓜。”然而，风险是的确存在的。1753年，俄国的里赫曼在做大气电实验时不幸中电身亡，为科学献身。4.发明避雷针 富兰克林将其发现转化为应用-避雷针诞生了。1782年，仅费城一处，采用避雷针就多达400多处。5.科学兴趣广泛 研究了火炉的改良，植物的移植，传染病的防治.写出了电学的实验和研究的著作。6. 政治活动家独立宣言和美国宪法的起草人之一，为祖国的独立和解放作出了贡献的政治活动家。美国独立战争期间，已经年老的富兰克林代表初创的美国出使法国，利用英法之间的矛盾争取了法国的援助。3.从定性到定量库仑定律的发现一.类比法的成功1电力作用的猜测 1759年，德国柏林科学院院士爱皮努斯（F.U.T.Aepinus)在书中假设电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减小而增大。 1760年，D.伯努利首先猜测电力会不会跟万有引力一样，服从平方反比定律。他的想法在当时具有一定的代表性。2富兰克林的空罐实验 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。富兰克林写信将这一现象告之他的英国朋友普利斯特利（化学家，氧气的发现者），普利斯特利想到:1687年牛顿曾证明:万有引力若服从平方反比定律，则均匀的物质球壳对壳内物体应无作用。普利斯特利重复了上述实验，并将空罐实验与牛顿推理类比。在1767年电学历史和现状极其原始实验一书中他写到：“难道我们就不能从这个实验得出结论：电的吸引与万有引力服从同一定律，即平方反比关系，因为很容易证明，假如地球是一个球壳，在壳内的物体受到一边的吸引力，决不会大于另一边的吸引。”但是，普利斯特利的结论并没有得到科学界的重视，因为他没有进行的论证，只是处于猜测阶段。3. 罗比逊实验 罗比逊（John Robiso，苏格兰人）：受爱皮努斯的影响，设计了一个杠杆装置，如图。利用活动杆所受重力和电力的平衡，从支架的平衡角度求电力与距离的关系。并得出结论：在实验误差范围内，电力服从平方反比定律。二 库仑的引力实验1库仑生平 (C.A.Coulomb,1736-1806)：法国人，青年时是军事工程师，1764年起服军役，1776年因身体原因回到巴黎，从此致力于科学研究。1779年因研究磁石问题获奖励，1781年因关于摩擦的研究获法国科学院奖励，同年因论述扭力的论文被选为法国科学院院士。2. 同种电荷的斥力测量-库仑的扭秤实验 由于金属丝的扭力正比于扭转角，将扭丝悬挂起来，通过扭转角的大小即可测量电荷间作用力的大小，其精度可达万分之一格令，1785年库仑据此制成电秤，用以测定电力。叫作库仑扭秤。 但对于异种电荷，由于两球相吸，接触后电荷中和，无法继续进行实验。3.异种电荷的引力测量-库仑电摆实验和牛顿单摆类比：由于地球对物体的作用力反比于两者之间距离的平方，所以存在地面上的单摆的摆动周期正比于摆锤离地心的距离，即Tr T=2(L/g)1/2 和 mgGmM/r2 ， 将后式g代入前式 若电荷间的引力也遵循距离平方的反比关系，则由带电体间引力产生的物体的摆动，其摆动周期T必定也正比于两带电体之间的距离r。从而设计电摆实验。库仑单摆实验结果分析与处理： 当纸片与球心距离之比为3:6:8时，实验的电摆周期之比为20:41:60，而理论计算应为20:40:53（系数为20/3）。实验结果与理论计算之间存在差异。 但库仑坚信引力的平方反比关系，经过认真分析，他认为实验误差的产生是因为漏电引起的。经过对漏电原因的修正，实验值与理论值基本符合。于是得出电的引力和斥力都遵守平方反比规律。并于1785年在法国科学院发表论文，提出著名的库仑定律。4.库仑定律 万有引力定律5.库仑定律的建立使电磁学进入了定量的研究，使电磁学真正成为一门科学。数学的引入，使这门科学更锦上添花。类比方法的成功 如果不是与万有引力进行类比，单靠实验具体数据的积累，严格的库仑定律的形式将很难得到。 由此我们可以看到类比在科学研究中的作用。三 卡文迪什的工作 卡文迪什（1731-1810）:英国人，作电学实验时曾做了电阻测量，比欧姆更早发现欧姆定律；测电力比库仑用扭秤早11年，研究电容的性质和介质的介电常数，引出了电位的概念等。科学研究对于他是一个纯粹的爱好，他并不关心自己的研究成果是否发表和能否获得荣誉，性格古怪，因此独自研究60年，其工作却不为人所知。1879年，作为卡文迪什实验室的第一任主任的麦克斯韦出版了一本题为尊敬的亨利卡文迪什的电学研究，才将卡文迪什的工作公布于众。卡文迪什关于电的平方反比关系的研究：半球实验：数学论证：如右图，在均匀带电球内，任取一点P，过P做对顶的圆锥面，分别在球面上截得面元dS1、dS2，它们到P点的距离分别为r1、r2，则两面元对P点所张立体角为d1、d2。 d1=dS1/r12 d2=dS2/r22又 d1=d2故 dS2/dS1=r22/r12设球面上单位面积上的作用力为f，则有 dF1=f1dS1 dF2=f2dS2根据球内P点所受电力为零，则有dF1= dF2 于是得：f1/f2=dS2/dS1=r22/r12 因此，只要实验证明球内任一点P处所受电力为零，就表明电荷间作用力与距离平方成反比。即f(r)1/r2 .4.由静电到动电电流的发现一 伽伐尼（1737-1798）的研究:意大利人，解剖学教授。1780年他与学生解剖青蛙，发现电火花会使蛙腿抽搐，后来他又发现当用铜钩倒挂蛙腿，再用铁梁横挑，蛙腿也会痉挛。1791年发表了论文论肌肉运动中的电力。他是发现电流的第一人，但认为是一种动物电。二 伏打的“金属接触说”1伏打(1737-1798)意大利帕维大学教授，否定了伽伐尼动物说。他认为，电来自两种不同金属的接触，青蛙只不过是起了验电器的作用。2问题的提出开始，伏打很赞同伽伐尼关于生物电的想法，但在进一步的研究中，他提出了一个问题：肌肉接触两个不同金属时，所产生的电流究竟是肌肉组织引起的，还是由金属引起的？1794年他决定只用金属做实验。结果发现，电流的产生、持续和生命组织无关。并进一步指出：一切作用都是由于金属接触了某种潮湿的物体，或者接触水本身而引起的。为了阐明自己的观点，他比较了各种金属，并把它们排成表：+锌、锡、铁、铜、银-。只要将其中两种不同的金属接触，就会出现一个带正电而另一个带负电，从而产生接触电势差。3伏打电堆第一个直流电源 1800年，伏打制成了伏打电池：他把两种金属片（如银和锌）与浸透食盐水或碱水的纸或皮革接触，再将两种金属连接起来，立即产生了电流。他把许多这种装置连接起来，得到了强的多的电流，我们称之为伏打电堆。伏打因此得到了拿破仑授予的一枚金质奖章，并成为法国科学院的院士。今天电学中的一个重要单位“伏特”，就是为了纪念他。4.意义 电池的发明，提供了产生恒定电流的电源，使电学从静电走向动电，为人们研究电流的各种效应提供了条件。从此电学进入了飞速发展时期。三 欧姆定律欧姆（1787-1854）：德国人，家境贫困，中断大学学业后当了中学老师。后被慕尼黑大学任命为教授。欧姆在傅立叶的热传导理论的启发下进行的电学研究。他将付里叶在热学中提出的热流、热阻，类比电学中的电流、电阻，温度差类比电势差。认为导线中两点之间的电流也许正比于这两点间的某种推动力之差（欧姆称之为电张力）。 为了证实上述类比的正确性，欧姆做了很多实验研究。开始欧姆所用电源是伏打电堆，由于这种电源不稳定，给实验工作带来很大困难。1821年，塞贝克（T.J.Seebeck)发明了温差电偶。欧姆采纳波根道夫的建议，采用温差电偶做电源，从而得到稳定的电源。为后来实验的成功提供了条件。 通过实验验证，在1826年发现了欧姆定律。使与电流相关的物理量可以测定和推出。人们为纪念他，将电阻的单位定为“欧姆”。5.电流的磁效应与安培定律自吉尔伯特开始以来的二百多年，电和磁一直是毫无关系的两门学科，围绕电与磁寻找自然现象之间的联系，成为一种潮流。1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，继泰勒斯2400年之后，建立了电与磁的联系。一 发现电流磁效应1电和磁有没有联系？ “顿牟缀芥，磁石引针”说明电现象和磁现象的相似性；电力与磁力都遵守平方反比定律，说明它们有类似的规律。但电与磁有没有联系呢？ 17世纪初，吉尔伯特断言，他们之间没有因果关系；库仑也持相同观点。但： 1731年一名英国商人的一箱新刀在闪电过后带上了磁性；1751年，富兰克林发现缝纫针经过莱顿瓶放电后磁化了。 1774年，德国一家研究机构悬奖征解，题目是：“电力和磁力是否存在实际和物理的相似性？” 2奥斯特（1777-1851）的发现丹麦人，发现电流磁效应的第一人。1799年的博士论文论外部自然的基本的形而上学范畴中，阐述了康德哲学思想对科学的指导作用，并深受康德关于“基本力”可以转化为其它各种形式的力的观点影响，1803年，旅游德国时，结识了坚信化学现象、电流和磁之间有相互联系的德国青年化学家里特，还参加过里特为寻找这种联系而进行的一些实验。这些都为奥斯特发现电流磁效应打下了基础。（1）1803年他曾说:“我们的物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的任何其他现象的零散的罗列，我们将把整个宇宙容纳在一个体系中。”他认为“自然力之统一”。（2）1812年发表关于化学力和电力的同一性研究，表明他已经将自然力的统一思想运用到物理学和化学的研究中去了。他从电流流经直径较小的导线时导线会生热的现象推测，如果导线直径再小，就可能发光，直径再继续减小，就会产生磁。并指出:“我们应该检验的是，究竟电是否以其最隐蔽的方式对磁体有所影响。”（3）但是他认为电流对磁体的作用是纵向的（即沿着电流的方向），所以他的猜测一直未能实现。他在通电的导线前面放一根磁针，企图用通电的导线去吸引磁针。然而，导线灼热了，甚至烧红发光了，磁针毫无动静。但奥斯特深信，电和磁有某种联系，就像迪那和发热发光的现象一样。（4）1819冬-1820年4月，奥斯特在给学生讲“电学、伽伐尼电流和磁学”的课程时，他考虑：电流产生的磁效应是否像电流通过导线时产生的热和光那样向四周散射，即是一种侧（横）向作用呢？在一次讲课中，他尝试将磁针放在导线的侧面。当他接通电源时，发现磁针轻微的晃动了一下! 正是这一轻微的晃动，奥斯特马上意识到他多年孜孜以求的东西就要实现了。奥斯特紧抓不放，经过反复实验，查明了电流具有磁效应。1820年7月21日，发表了电流对磁针的作用的实验，引起了学术界的轰动。（5）电冲突和螺旋线：奥斯特把导体周围空间发生的这种效应称为“电冲突”指出:“这种冲突呈现为圆形，否则就不可能解释这种现象：当磁极放在导线下面时，磁极被推向东方；当磁极被置于导线上方时，磁极被推向西方。其原因是，只有圆才具有这样的性质,其相反部分的运动具有相反的方向。此外，沿着导线长度方向连续前进的圆形运动必然形成蜗线或螺旋线。”（6）旋转力与中心力：奥斯特的发现和牛顿力学的基本原理是相互矛盾的。在牛顿力学中，自然界的力只能是作用于物体连线上的吸引或排斥力，即直接推拉性质的“中心力”。而奥斯特发现的却是一种“旋转力”。他所说的“螺旋线”，实际上就是关于磁的横向效应或电流所引起的涡流磁场的直观描述。是“场”的思想的开端。3意义（1）第一个揭示出了电与磁之间的内在联系。（2）为电流计、电报和电机的发明制造开辟了道路。（3）为电磁场理论的发展奠定了基础。二 安培和安培定律1安培（1775-1836）法国科学家。安培在法国长大时，正是法国社会变革时期，他几乎没受过正规教育，只好以他父亲和百科全书做老师。个人遭遇不好，家庭几经磨难。即使这样，也没有动摇安培对科学的追求。奥斯特发现电流磁效应的消息传到世界各地，在瑞士参加日内瓦科学会议的法国物理学家阿拉果得知此消息后，随即回国。于同年9月11日向法国科学院报告并重复了奥斯特的实验。 这一效应引起了法国科学家安陪的极大兴趣。经过一周的夜以继日的工作后，于9月18日发现了电流间也存在着相互作用力；接着提出了一个完整的定量理论；并于1820年9月与10月间，接连写了三篇论文；在1820年12月4日，又提出了著名的安培定律；1827年发表了名著的从实验导出的关于电动力学现象的数学理论。为电动力学的产生奠定了基础。人们为纪念他，将电流强度的单位定义为“安培”。2安培的四个实验和一个假设1820年12月4日安培建立的反映电流间相互作用力的公式（安培定律），是基于以下四个实验和一个假设。这四个实验都是零示法，设计思想十分巧妙。无定向秤：右图为由硬导线作成的无定向秤，由同一根导线作成两个大小相等、电流方向相反的平面回路1和2，两回路固定连在一起，整个犹如一个刚体。线圈的两端A、B通过水银槽和固定支架相连。将通电的无定向秤置于均匀磁场中时，由于不受力和力矩的作用，无定向秤处于平衡状态。但当将其放入非均匀磁场中时将会产生作用而发生旋转。（1）实验一：证明电流反向，作用力也反向 安培用对折的导线进行探测，在其两端通入大小相等、方向相反的电流，把它移近无定向秤附近的不同部位，观察无定向秤的反映，以检验它对无定向秤的作用。实验证明，这种作用不存在，无定向秤丝毫不动。这表明：强度相等、方向相反的两个靠的很近的电流产生的作用力也是大小相等、方向相反的。（下方为对折导线）（2）实验二：证明磁作用的方向性安培仍用无定向秤，将对折导线中的一根弯成螺旋状如右图。结果也没有作用，说明弯曲的电流和直线电流是等效的，因此可以把弯曲电流看成是许多小段电流（即电流元）组成，其作用就是各电流元的矢量和。（3）实验三：研究作用力的方向性安培把圆弧形导体架在水银槽上，中间固在绝缘柄的一端，绝缘柄的另一端和一转轴相连，经水银槽可以给弧性导体通电，如图示。通电后，安培用各种载流线圈检测对这个装置的作用，结果发现：都不能使圆弧导体运动。这表明：作用在电流元上的力与它垂直。（4）实验四：检验作用力与电流及距离的关系 1、2、3是三个几何形状相似的线圈，其半径之比分别等于其距离之比。1、3线圈固定并串联在一起，通入相同电流I1；线圈2通入电流I2并可以左右移动；由于线圈1和3在线圈2的两侧，它们对线圈2的作用力的方向是相反的。安培用这一装置检验1、3对2的作用。结果通电后，中间线圈丝毫不动，说明线圈1和3对线圈2的作用相互抵消。由此得出结论：载流导线的长度与作用距离增加相同倍数时，作用不变。（5）一个假设：两个电流元之间的相互作用力沿它们的连线方向。 在上述四个实验和这个假设的基础上，安培推出了电流元之间相互作用力的公式： 上式表示电流元dL1施加给电流元dL2的作用力df12，dL1和dL2之间的距离为r12。 可以看出，电流元之间的相互作用的数学形式类似于电荷之间相互作用的库仑定律。电流元I1dL1对电流元I2dL2的作用实际就是电流元I1dL1产生的磁场对电流元I2dL2的作用。如果沿回路L1对dL1积分，可得整个载流回路L1对电流元I2dL2的作用力dF，则有： 即 式中 这就是安培公式，它是由实验结果通过理论方法间接分析出来的，实际上就是B的定义式。3分子电流假说 安培接受了法国数学家菲涅尔的意见,于1821年,提出了著名的“分子电流假说”，成功的解释了物质宏观磁性形成的内在原因。安培假设：磁性物质内存在无数微小的“分子电流”，它们用不衰竭地沿着闭合的路径流动，从而形成一个个小磁体。4安培环路定理的提出 1827年，安培发表了电动力学理论，在书中，安培总结了已知的电磁现象，得出了磁场的安培环路定理等；还阐述了他处理电磁现象的方法是沿着牛顿所走的道路，遵循法国物理学家拉普拉斯的途径，将一切物理现象归结为粒子间吸引或排斥现象，并将它们付诸数学形式加以表征。安培把牛顿力学引入电学，从而创立了电动力学。5安培的科学研究方法（1）善于接受他人的成果和意见；（2）善于设计实验，以检验自己的设想；（3）擅长把实验研究的成果进行归纳和总结，并上升到理论高度。 安培的电流元之间作用力的又一个平方反比规律的发现，使人们对大自然力之间的内在联系又有了一个新的认识。 安培首先研制了电流计，用来测量回路电流。为了纪念他，电流的国际单位命名为安培，符号为A.*小故事：(1)忘了赴皇帝拿破仑宴;(2)马车当黑板。麦克斯韦称安培是电学中的牛顿6.电磁感应现象的发现与研究一 法拉第（1791-1867）英国物理学家。他是一个穷铁匠的儿子，兄妹10人。小学没毕业就失学，当了装订工。但失学不失志，经常阅读书报。1812年法拉第来到伦敦皇家学院，自荐当了戴维助手。1821年受任为皇家研究所试验室主任。1821年，法拉第开始电磁学的研究，总共工作四十年。1924年，当选为英国皇家学会会员；1925年任皇家学院实验室主任。法拉第一生发明极多，他发现了电磁感应现象，建立了电磁感应定律；发明了第一台电动机和发电机；发现了电流的化学作用的规律，即法拉第电解定律；提出了电场和磁场等重要概念；1845年，他发现了抗磁性；他的巨著电学的实验研究中有三千多个条目，详细记录了他作过的实验。法拉第一生热衷科学事业，不好功名利禄，谢绝了封爵和许多奖赏。二 法拉第发现电磁感应 1820年，电磁热席卷欧洲，研究结果大量发表，众说纷纭，真伪难辩。1821年，英国哲学学报（Annal of Philosophy）杂志编辑约法拉第写一篇关于电磁问题的评述，这件事导致法拉第开始了电磁学方面的研究。法拉第在整理文献时，为了判断各种学说的真伪，亲自作了许多实验，其中包括奥斯特和安培的实验。 当时英国的皇家学会会长沃拉斯顿在获知奥斯特的发现之后，提出了“电磁转动”的思想，认为通电螺线管会使附近的导线绕他的轴转动，但他的实验没有成功。法拉第在得知这一实验后，想起了奥斯特得“电冲突”是在载流导线周围呈圆形分布的，于是于1821年9月他设计了如下所示的电磁旋转实验：1电磁旋转实验当接通电源时，发现左侧的容器里，磁铁棒绕着固定导线缓慢的作圆周运动；而右侧则是另一种情景：导线绕固定磁棒在转动。实际上，着就是最早的旋转电动机的雏型。1822年，英国物理学家巴罗（P.Barlow)运用相同的原理，制成了著名的“巴罗轮”：架在水平轴上的一个铅直的活动铜盘，下方侵入一个水银槽里，上方夹在一块马蹄形磁铁中间，当通过轴心和水银槽供给电流的时候，铜盘就转动起来。这实际上就是一台直流电动机。2信念的产生从1824年到1828年，法拉第做了无数次电磁效应实验，收集了各种电磁实验的资料，经仔细分析思考，他认为既然有电流对磁、磁对磁、电流对电流的相互作用，那么为什么就没有磁对电的作用呢？于是他确信“由电能产生磁，由磁也能产生电”。为此，法拉第坚持了长达10余年的苦心实验研究。日复一日的实验、思考、总结和改进。例如他先将磁铁放入一个线圈内，再将线圈两端接在检流计上，未发现指针偏转等。3实验三1828年法拉第又作了这样一个实验如右图，右侧为一铜线圈，左侧为一平衡球，中间用线悬挂起来。然后在右侧铜线圈内放一条形磁铁,他认为这时线圈内应产生感生电流，然后再用另一块磁铁靠近铜线圈，线圈就会转动。当然，他什么也没看见。这时，英国物理学家斯特金发明了电磁铁，即在一块原来没有磁性的软铁上绕以导线，通电以后，软铁就成了具有强磁性的磁铁。后来，美国物理学家亨利改进了斯特金的电磁铁，用彼此绝缘的铜导线代替铜裸线，制成能吸引三百千克铁的电磁铁。这些对法拉第的进一步研究有一定的启发和帮助。4实验四1831年8月29日，法拉第又进行了一个新的实验：他用软铁做成右图所示的环，其上绕有A、B两线圈，B线圈接检流计，A线圈和十个电池组连接，当接通或断开电源时，发现电流计指针摆动。当维持通电状态时，指针则无反应。法拉第称之为“伏打电感应”。这时法拉第才认识到，磁感应现象是和变化联系在一起的。在发现这个现象之后，法拉第立刻想到，铁环和线圈A是不是产生这一效应的必要条件呢？于是他又设计了下面两个实验5和6：5实验五接着，法拉第又做了一个实验，如右图：当上下方磁棒张合之际，电流计指针也不断摆动。6实验六1831年10月17日，法拉第将220英尺的铜线分层绕在一个用纸做的空心圆筒上，绕了八个线圈，再连成一个大线圈，接到检流计上，然后将一大的长圆形磁铁棒插入到圆筒中，结果指针摆动了，他不由自主的急忙将磁铁棒从圆筒中抽出来，检流计指针又摆动了一下。法拉第得出结论：“要产生感生电流，磁铁必须运动。”后来，法拉第又发现无论是磁铁还是线圈运动，都产生电流。7问题那么能否产生大量的电流呢？法拉第向皇家学会借了一块大的“U”形磁铁，又在铜线圈上装了一个手柄，然后将线圈放在U形磁铁中间，通过转动手柄使线圈在“U”形磁铁中间旋转，这时检流计上的指针随着线圈的转动摆动起来。1831年11月24日，法拉第总结了一系列实验研究，向英国皇家学会提交了论文。后来概括出五类情况可以产生感生电流：变化着的电流；运动的恒稳电流；变化的磁场；运动的磁铁；在磁场中运动的导体。8感应发电机的产生在这些实验的基础上，受“巴罗轮”实验的启发，法拉第发明了人类历史上第一台感应发电机。他将铜盘放在磁铁两极之间，又用一狭长的铅片放在铜盘边沿，作为收电用的电刷，电刷接一个电流计。当铜盘旋转时，电流计上的指针也随着转动了。一种持续电流从电刷上传出来。 从此开始了人类广泛利用电能的新时代。(1867年，西门子创制了发电机。)在法拉第工作的前后，还有不少物理学家从事电磁感应的研究：瑞士物理学家科拉顿在1825年曾做过类似上述法拉第实验6的实验，他用一块磁铁在螺线管中移动，观察线圈中是否有感生电流产生。为了排除磁铁对灵敏电流计的影响，他把很长的导线把连接于螺线管的电流计放在另一个房间，他在两个房间跑来跑去进行实验和观察，因此未能观察到磁电感应现象。他同样没想到效应的暂态性。1830年，美国物理学家亨利曾先于法拉第发现电磁感应现象，但他没有立即发表实验结果。1832年，俄国物理学家楞次受法拉第启发，开始做这方面的研究，并发现了感应电流方向的规律。三 亨利及自感现象的发现 美国人（Henry,17971878)，少年时做过钟表店的学徒，在一个偶然机会读了实验哲学讲义后，对自然科学产生兴趣。后来进入奥巴尔尼学院学习，1826年成为该学院教授，1832 年受聘于普林斯顿大学作自然哲学教授，1846年任新成立的华盛顿斯密斯学院院长，亨利像法拉第一样，对奥斯特实验很感兴趣。1电磁铁的研制奥斯特发现电流的磁效应之后，美国电学家斯特金将其以电磁铁的形式投入使用。1829年，亨利在访问纽约时听到了这个消息，认为自己能作的更好：缠绕铁芯的线圈数越多，磁场强度就越大。亨利制造的电磁铁比斯特金的电磁铁的磁力大的多。到1831年，他研制出一只能升举750磅的电磁铁。而斯特金制出的最好的电磁铁只能升举9磅。同年，在耶鲁大学的一次表演中，使用普通电池的电流的电磁铁，竟举起了一吨重的铁！2远程控制装置用一根很长的导线连接电磁铁和电路开关，按一定的方式开闭电键，即可控制远方的电磁铁。或通过遥控方式控制远方某一电磁装置的开关，使电磁铁有节奏的吸引和弹开小铁片，从而发出有节奏的咔嗒声-电报。3继电器的发明1835年，亨利发明了继电器，电流可以从一个继电器流向另一个继电器，经过很长距离而不变弱。4磁电感应的发现1829年，亨利在作电磁铁的提举力时，发现当通电线圈断开时产生强烈的电火花。1830年，他继续对这一现象进行研究：他将一个线圈接到电流计上，把线圈放在两个电磁铁之间，他发现，当电磁铁接通和断开电流时，电流计的指针都会突然发生偏转。但由于当时教学工作繁重，他没能接着将实验进行下去。1831年底法拉第电磁感应现象的报告发表出来，当亨利得知这一消息后，赶忙回头感做自己的实验，并于1832年7月发表了自己的实验结果，但这已是在法拉第之后了。5自感的发现1832年亨利在论文在长螺线管中的电自感中还公布了自己的另一个新发现：一只线圈的电流不仅能在另一只线圈中感生出电流，而且也能在自身中感生出电流。在这个线圈中实际观测到的电流则为原电流的许多倍，这种现象叫自感。四 楞次定律的发现1832年楞次获悉法拉第发现电磁感应现象后，立即重复了法拉第、安培、奥斯特等人所描述的实验，并作了许多新实验。1833年11月29日发表的关于动电感应引起的伽伐尼电流的方向的决定中宣布了楞次定律：感应电流的方向总是使它产生的磁场与产生它的原磁场的变化方向相反。 这个定律表明，感生电流所产生的磁场的作用，总是补偿施感磁场的变化，即阻碍磁体的运动。因此它正是能量守恒和转化定律在电磁变化中的体现。正如他在1838年的论文中写的“每一电磁实验都可以转换成相应的磁电实验。只要把电磁实验中所发生的运动，以其他某种方式传给导体，这时导体中就会产生电流，其方向和电磁实验中所用电流方向相反。奠定了电磁学的基础，导致了电动机发电机的出现。奥斯特动电生磁法拉第变磁生电五 法拉第的“力线”和“场”的思想1超距中心力： 从牛顿开始，人们就认为万有引力、电荷间的静电作用力都不是接触力，这些力的作用都是即时的，不需要什么媒介来传递，即所谓的超距作用，并且作用力在两作用体之间的连线上。如对电磁学作过重大贡献的富兰克林、库仑、安培等人，对超距作用的观点都深信不疑。2对超距作用中心力的怀疑 奥斯特效应和电磁转动效应的发现，在法拉第思想的形成上，产生了最重要的直接影响。1821年法拉第写到“我发现通常小磁针被导线的排斥和吸引只是一种假象，针的运动不是吸引也不是排斥，也不是任何引力和斥力的结果，而是由于导线中的力的结果，这种力并不吸引和排斥磁极，而是使磁极绕着一个闭合的圆周运动。3“电紧张态”的提出： 1831年11月合1832年1月，法拉第相应于他所发现的“伏打电感应”和“磁电感应”现象，提出了“电紧张态”。他说“一旦导线受到伏打电流或磁的感应，它就显出一种特殊状态”，他将这种状态称之为“电紧张态”。他认为：“电紧张态”是由电流或磁体产生的存在于物体和空间中的张力状态，这种状态的出现、变化和消失，都会使处于这种状态中的导体感应出电流来。4力的传播需要时间 1832年，法拉第通过对电磁感应过程实验现象的思考，意识到磁力线的传需要时间。他从运动导线穿过恒定均匀磁场时也能产生出电流的现象想到，这种效应是由于导线两侧的紧张状态程度不同引起的，这就意味着产生紧张状态的力或磁力线的传播需要时间。或者说，从载流导线向四周散发出来的力线只能以有限速度向空间传播。而不可能是瞬时的。5“磁力线”的提出 “磁力线”是法拉第为了对磁体和螺线官之间的相对运动产生感生电流的现象进行解释而提出的一个概念。但是他很快就把这个概念扩大到伏打电感应的情况，认为电流的变化也会引起磁力线的变化，因而磁力线也就成了对“电紧张状”态作定量描述的一个工具。磁力线的多少表示这种状态的强弱，磁力线数量的变化表示这种状态的变化。通过磁力线就把电磁感应和磁电感应统一了起来。“磁力线”概念的提出成为他发展自己的力场理论的立足点。 1832年，他又提出“电力线”概念。6对电解过程的研究和解释 法拉第通过研究指出，电解产生于电解质内部分子的作用和变化，而不是外部电极超距的吸引作用引起的。电流的通过，使分子中由电的张力引起的化学亲和力的形式发生了变化，就对分子中的每种成分而言，化学亲和力在一个方向上的作用比在另一个方向强，使分子的两种成分出现极化并分解。每种成分又和临近分子中的另一成分结合成分子，通过这种一连串的分解与复合，不同成分向相反方向运动，最后在端点析出。7电容器介电常数定义和现象的解释 1837年他在研究介质对电力的影响时发现，在电容器两极板间加一块绝缘材料比中间为真空的电容器能容纳更多的电荷量，极板间所夹物质不同，电容器容纳的电量也不同。他把夹有绝缘材料时和真空时电容器所容纳电量的比值称为材料的电容率，即介电常数。 为解释这种现象，他假设绝缘体中进行着与电解质中相同的过程，介质中分子产生了极化；两极板上电荷的相互作用，就是通过介质内相互邻近的极化分子的作用逐点传递过去的。并把这种极化状态推广到真空中“以太”粒子的形变上，这种形变是沿曲线传播的，由此引入“力线”概念。他设想，在电容板之间的绝缘介质中，电力线要比真空中稠密一些。其稠密程度与材料的电容率成正比，因此有绝缘材料的电容器极板上电荷就多。8顺磁体和抗磁体 1845年11月，他发现物质对磁力的作用类似于介质对电力的作用。当把各种材料的物质作成条形时，多数物质（如玻璃、铜棒、木块、橡皮等）转向与磁力线垂直的方向，并向磁力弱的地方移动，他称其为“抗磁体”；只有铁、镍等物质取与磁力线一致的方向，并移向磁力最强的地方。称其为“顺磁体”。 法拉第认为，在顺磁体和抗磁体中都不存在作为磁力线终点的“磁极”，而是对磁力线的不同反应。磁力线很容易通过磁性物质，在顺磁体中是密集的；抗磁体是磁力线的不良导体，所以磁力线趋于绕过抗磁体，使其中的磁力线变的稀疏。磁力线是连续的曲线，不存在作为“极”的力线的终点。9总结所有这些工作使法拉第坚信，在带电体、磁体和电流周围的空间存在着某种由电或磁产生的像以太那样的连续介质，起着传递电力和磁力的媒介作用，他把它们称之为“电场”和“磁场”。 1851年写了论磁力线：“场是由力线组成的，力线上的任一点的切线方向就是该点场强的方向，力线的疏密表示场强的大小。” 力线具有物理实在的性质，它是场的表现。纸上撒上铁屑，下面放磁棒，轻轻振动形成曲线状。10意义牛顿力学，安培定律及库仑定律都是超距中心作用；而力线和场的概念，则是一种近距媒递作用，是对传统力学观念的一个重大突破。老厄把法拉第誉为“正确理解电磁现象的带路人”。六.法拉第的研究思路1对自然力的“统一性、可转化性” 坚信不移 “我早已持有一种见解，它几乎达到深信不移的程度，而且我想这也是其他许多自然科学爱好者的见解，即物质之力所表现出来的各种形式具有普遍的起源。”2对电磁波的朦胧预见 “磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动。”3研究特色法拉第通过力线和场，将电场和磁场的重要性质表现出来了。麦克斯韦说：“在数学家看到相互超距吸引力的中心的时候，法拉第则用他特有的思维的眼睛看到穿过全空间的力线。”4法拉第思想方法的一些局限性：将一切归结于“力”等。七 对法拉第的高度评价戴维说：一生最大的发现，是发现了法拉第。麦克斯韦：我们把法拉第首先看作是科学家中最有成效最高尚的典型。插曲：当法拉第在演示他的电磁感应现象时，一位贵妇曾问道：“您的电流计指针动一下有什么意义呢？”法拉第回答道：“夫人，当一个婴孩诞生的时候，您会想到他将会完成何等事业吗？”法拉第如此至爱的这个“婴儿”，的确有着惊人之举。1867年西门子根据这一原理创造了发电机，从此人类有了“电”，它至今仍为我们带来光明和幸福。当我们在尽情享受电灯、电视、电影这一切现代文明的时候，我们怎能不感谢这位铁匠的儿子呢？7.麦克斯韦电磁场理论的建立19世纪中期，描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的库仑定律、高斯定律、安培定律、法拉第电磁感应定律已相继建立，法拉第关于力线和场的概念已经提出，创立电磁场理论的条件已趋成熟。麦克斯韦洞悉已有的电磁场理论，发现内部的不对称性和矛盾，大胆提出“位移电流”和“涡旋电场”假说。并用一组方程概括了原有的各个电磁学定律。对电磁场理论进行了一次大综合。实现了科学认识的革命性变革。普朗克说：从出生地来说他（麦克斯韦）属于爱丁堡，从功绩上来说他属于全世界。一 麦克斯韦（1831-1879）简介英国物理学家、数学家。11月13日出生时，是法拉第发现电磁感应后2个多月。15岁在“爱丁堡皇家学报”发表论文，1854年从剑桥大学毕业，卡文迪什实验室首任主任。麦克斯韦虽然只活了49 岁，但他却写了100多篇有价值的论文。麦克斯韦是一位可以与牛顿、爱因斯坦相提并论的科学家。二麦克斯韦电磁场理论1 类比 1855年发表论法拉第力线，他以一种几何观点，为法拉第的力线作出了数学描绘。他在文章中写到：“如果我们从任意一点画一条线，并且当我们沿这条线走时，线上任一点的方向，总是和该点力的方向重合，那么这条曲线就表示他所通过的各点的合力的方向，并且在这个意义上才称为力线。用同样的方法我们可以画出其它力线。知道曲线充满整个空间以表示任一指定点的方向。”这样，力线的切线方向就是电场力的方向，力线的密度表示电场力的大小。 麦可斯韦用类比的方法，把力线看作不可压缩的流体的流线。由此他把力线、力管等与流体力学的理论做比较，如把正、负电荷比作流体的源和汇，电力线比作流管，电场强度比作流速等，引入一种新的矢量函数来描述电磁场。可以说把法拉第的物理翻译成了数学。在文章中，麦可斯韦导出了电流四周的磁力线和磁力之间的关系，表示描述电流和磁力线的一些物理量之间的定量关系的矢量微分方程，以及电流间作用力和电磁感应定律的定量公式。当法拉第看到麦可斯韦的文章后赞叹到：“我惊讶的看到，这个主题居然处理的如此之好！” 1860年，70岁的法拉第和30岁的年轻人麦克斯韦见面了，建立电磁理论的共同心愿超越了年龄的鸿沟，法拉第对麦克斯说:“你不要停留在用数学来解释我的观点上，而应该突破它。”2麦克斯韦的“以太涡旋模型”和“位移电流” 1862年，麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文论物理力线。麦可斯韦引进了一种媒质的理论，提出了电磁以太模型，把电学量和磁学量之间的关系，形象的表现出来。如右图，这种模型理论中，充满空间的媒质在磁作用下具有旋转的性质，即给排列着的许多分子涡旋，它们以磁力线为轴形成涡旋管，涡旋管转动的角速度正比于磁场强度H，涡旋媒质的密度正比于媒质磁导率。涡旋管旋转的离心效应，使管在横向扩张，同时产生纵向收缩。涡旋管旋转的离心效应，使管在横向扩张，同时产生纵向收缩。因此磁力线在纵向表现为张力，即异性磁极的吸引；在横向表现为压力，即同性磁极的排斥。 由于相互紧密连接的涡旋管的表面是沿相反方向运动的，为了互不妨碍对方的运动，麦可斯韦设想在相临涡旋管之间充满着一层起惰性或滚珠轴承作用的微小粒子。它们是些远比涡旋的线度小、质量可以忽略的带电粒子。粒子和涡旋的作用是切向的。粒子可以滚动，但没有滑动；在均匀恒定磁场，即每个涡旋管转动速度相同的情况下，这些粒子只绕自身的轴自转，但当两侧涡旋管转速不同时，粒子的中心则以两侧涡旋边缘运动的差异情况而运动。对于非均匀磁场，即随位置不同磁力的强度不同，因而涡旋管的转速也不同的情况，涡旋管间的粒子则发生移动。根据涡旋理论，单位时间通过单位面积的粒子数即涡旋的流量j与涡旋管旋转的切线速度H的旋度成正比，即此处j 对应于电流，H 对应于磁场，此方程即为电磁场的运动方程。它说明电粒子的运动必然伴随分子的磁涡旋运动，这也就是电流产生磁力线的类比机制。 对于磁场随时间变化的情况，涡旋运动的能量变化（因H变化）必然受到来自粒子层切向运动的力，这个力E满足关系：其中H/t是涡旋速度的变化率，E为作用于粒子层的力，对应于该点的感应电动势。它说明磁介质中不稳定的磁涡旋运动，必引起电的运动，产生感应电动势，从而产生电流。此式为电磁场的动力学方程。“位移电流”的提出： 在论文第三部分，麦克斯韦把涡旋模型推广到静电现象。由于H=0，所以媒质由具有弹性的静止的涡旋管和粒子层组成。当媒质处于电场中时，粒子层将受到电力E的作用而发生位移，并给涡旋管以切向力使之发生形变。形变的涡旋管则因内部的弹性张力而对粒子层施以大小相等方向相反的作用力，当两力平衡时，粒子处于静止状态。这时电场能在媒质中转变为弹性势能。 对于绝缘介质， 麦克斯韦进一步假设：受到电力作用的绝缘介质，它的粒子将处于极化状态，虽然粒子不能自由运动，但电力对整个介质的影响是引起电在一定方向上的一个总位移D。当电场发生变化的时候，粒子的总位移D也跟着发生变化，从而形成正负方向上的电流。这就是说，电位移对时间的微商D/t也一定具有和电流相同的作用。这就是麦克斯韦理论中重要的“位移电流”假设。麦克斯韦利用他所构造的电磁以太力学模型。不仅说明了法拉第磁力线的应用性质，还建立了全部主要电磁现象之间的联系；但麦克斯韦清楚的认识到上述模型的暂时性，他仅仅把他看做是一个“力学上可以想象和便于研究的适宜于揭示已知电磁现象之间真实的力学联系”的模型。所以在18641865年的论文电磁场的动力学理论中，他完全放弃了这个模型，去掉了关于媒质结构的假设，只以几个基本的实验事实为基础，以场论的观点对自己的理论进行了重建。他说“我所提出的理论可以称为电磁场理论，因为它必须涉及到带电体和磁性物质周围的空间；它也可以叫做动力学理论，因为它假定在该空间存在着正在运动的物质，从而才产生了我们所观察到的电磁现象。”“电磁场就是处于电磁状态的物体周围的空间，包括这些物体本身在内：场中可以只有某种物质，也可以抽成没有宏观物质的空间，象盖斯勒管或其它叫真空的情形那样”。麦克斯韦假设真空中虽没有“宏观物质”存在，但有以太媒质。这种以太媒质充满整个空间，渗透物体内部，具有能量密度，并能以有限速度传播电磁作用。 至此，电磁场理论的统一基本完成。3. 麦克斯韦电磁方程组 1873年，麦克斯韦出版电磁学通论，他不仅用数学理论发展了法拉第的思想，还创造性的建立了电磁场理论的完整体系。在这本书中，他的思想得到更完善的发展和更系统的陈述。他把以前的电磁场理论都综合在一组方