第五章-经典电磁学的建立与发展(1).ppt

第五章经典电磁学的建立与发展（1）1.对电磁现象的早期认识2.富兰克林对雷电现象的研究3.从定性到定量库仑定律的发现4.由静电到动电电流的发现5.电流的磁效应与安培定律6.电磁感应现象的发现与研究7.麦克斯韦电磁场理论的建立8.电磁波的发现与应用,吉尔伯特简介英国物理学家、医生吉尔伯特做了多年的实验，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。他的主要著作为1600年出版的论磁性、磁体和巨大地磁体。全书分为6篇，这是他约17年的研究结晶，记录了600余个实验，叙述了磁的历史及五种磁运动。第二篇中有一章叙述了电的实验。这本书堪称物理学史上第一部系统阐述磁学的科学专著。伽利落称其为“经验主义的奠基人”。,1.对电磁现象的早期认识,1.中国：略,2.英国人吉尔伯特(W.Gilbert,1544-1603)论磁:,对电磁现象的早期认识,对磁现象的研究-“小地球”实验：在论磁性、磁体和巨大地磁体书中，记录了他把一块大天然磁石磨成球形，把小磁针放在球的表面，发现小磁针的方向和在地球上的情况完全一样。由此他认为，地球本身就是一个大磁体，存在南北两磁极。并且存在同性磁极相斥，异性磁极相吸。,1646年，英国医生布朗(T.Browne)发现电的排斥作用；1650年，意大利的格里凯发明第一台摩擦起电机；1720年，英国的格雷研究了电的传导现象；1733年，法国杜非分别了两种电;松脂电和玻璃电；并明确表述了“同性相斥，异性相吸”的规律。,对电磁现象的早期认识,对摩擦起电的研究：他发现琥玻被摩擦后吸引轻小物体，吉尔伯特称之为“电性”，并对多种物体的摩擦进行了研究。认识到电力只有吸引力一种，和磁力不同。,第一只验电器的制作：他用一根极细的金属丝固定在一个可自由转动的支座上，当带电物体靠近时，细金属丝就会被吸引而转向带电体。,3.莱顿瓶的发现1745年，荷兰莱顿大学教授马森布洛克（Musschenbrock)发明了收集电荷的莱顿瓶。,对电磁现象的早期认识,电击实验：为贮存电荷，马森布洛克将起电机和一悬挂的枪管相连，再用一根铜线从枪管引出，铜丝的另一端插入盛有水的玻璃瓶内。起电机起电后，当用手和枪管接触时，被强烈电击。后来对莱顿瓶进行了改进，在瓶里核瓶外分别贴上锡箔，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。,1.富兰克林（1706-1790）美国人，其父经营蜡烛制造，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。1926年和朋友组成“共读社”进行自学，并于1749年发展成为教育青年的学院(宾夕法尼亚大学前身)，任该校董事四十余年。1731年他倡议并建成了北美第一个图书馆，1736年被选为州议员，并担任费城邮政局长，任职期间做了不少公益事业；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。,富兰克林对雷电现象的研究,富兰克林像,2.富兰克林对雷电现象的研究,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（PeterCoullinson)，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-天电和地电的统一富兰克林40岁时，观看了电学实验，于是产生了一个想法，天上的电和地电是统一的吗?1752年7月，一个雷雨天的上午，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。结果：铜钥匙充给莱顿瓶的电，与摩擦电性质完全相同。,富兰克林对雷电现象的研究,富兰克林的这一工作，揭开了雷电的奥秘，统一了“天电”和“地电”，震惊了科学界。,风筝实验图,富兰克林对雷电现象的研究,现象：麻绳上得纤维向四周自立，犹如“怒发冲冠”,风险：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。,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。,富兰克林对雷电现象的研究,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。,6.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。,一.类比法二.库仑的引力实验三.卡文迪许的工作,3.从定性到定量库仑定律的发现,从定性到定量-库仑定律的发现,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)发现：电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减小而增大；当一个导体靠近一带电体时，该导体的远端会获得与带电体相同的电荷，近端则获得相反的电荷（静电感应）。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。,一.类比法,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（J.Priestleuy,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。”,从定性到定量-库仑定律的发现,3.库仑的电荷分布实验法国工程师库仑(c.a.Coulomb,1736-1806)曾做了下面这样一个检验导体上电荷分布的实验,4.罗比逊实验1769年，英国爱丁堡大学的约翰.罗宾森（JohnRobiso，苏格兰人）：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。通过实验直接推测了平方反比关系：同种电荷间的斥力反比于距离的2.06次幂，异种电荷间的吸引力反比于小于距离的2次幂。由此他推测：在实验误差范围内，正确的关系应为反比于距离的2次幂,从定性到定量-库仑定律的发现,库仑像,1.库仑(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。,二.库仑的引力实验,2.同种电荷的斥力测量-库仑的扭秤实验,从定性到定量-库仑定律的发现,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。,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。,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。,库仑单摆实验及结果的分析与处理：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,从定性到定量-库仑定律的发现,5.库仑定律的建立使电磁学进入了定量研究，数学的引入使电磁学真正成为一门科学。,万有引力定律,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。,从定性到定量-库仑定律的发现,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，其许多工作却不为人所知。,从定性到定量-库仑定律的发现,卡文迪什像,三.卡文迪什的工作,数学论证：下页,卡文迪什关于电的平方反比关系的研究：半球实验：,1879年，麦克斯韦整理了他的实验论文，出版了名为尊敬的亨利卡文迪什的电学研究一书，此后人们才知道卡文迪什做了许多电学实验。麦克斯韦说：“这些论文证明卡文迪什几乎预料到电学上所有的伟大事实，这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。”,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/r12d2=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=f1dS1dF2=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.,一.伽伐尼的研究二.伏打的“金属接触说”三.欧姆定律,4.由静电到动电电流的发现,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：这很可能是从神经传到肌肉的特殊电流质引起的“动物电”。每一肌肉纤维就是一个小电容器，放电时便产生收缩。,他是发现电流的第一人，但认为是一种动物电。,由静电到动电-电流的发现,一.伽伐尼（1737-1798）的研究:,苏尔泽(G.Sulzer,1720-1779)的发现瑞士人，1750年已经发现过类似现象，他将银片和铅片的一端接触，另一端夹住舌头，舌头则感到有些麻木和酸味，既不是单片银的味道，也不是铅的味道。他想这可能是两种金属接触时，金属中的微小粒子发生震动而引起的舌头神经的兴奋产生的感觉。,苏尔泽又做了另一个实验，他将一个盛水的锡杯子放在银台上，用舌头接触杯子内的水，没有感觉，但当他用手接触银台时，舌头就明显感觉到酸味。他将这一发现发表于1751-1752年柏林科学院论文集中，1762年又被译为德文。但当时苏尔泽的的发现并没有引起人们的注意。,1.伏打(A.Volta,1737-1798):意大利人，1779年任帕维亚大学自然哲学教授，1795年任该校校长，1801年受拿破仑邀请访问巴黎，被拿破仑授予金质奖章和奖金，还被皇家学会和法国科学院接受为会员。1810年被意大利政府授予伯爵并成为元老院议员。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。,由静电到动电-电流的发现,伏打,二.伏打的“金属接触说”,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？,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。,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。,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。,由静电到动电-电流的发现,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。,伏打电堆,5.关于电的来源的争论伽伐尼的“动物电”说；伏打的“金属接触”说；但意大利的法布洛尼(G.V.M.Fabbroni,1752-1822)1796年提出“化学说”：认为伏打电来源于化学作用。,由静电到动电-电流的发现,6.电解与电镀1800年5月，英国科学家尼科尔逊(W.Nicholson,1753-1815)和卡莱斯尔(A.Carlisle,1768-1840)用两条铜导线连接电堆的两极，并将它们的另一端侵入水中，结果，发现一端有氢气产生，另一端则被氧化；如果用白金丝或黄金丝代替黄铜丝，则有氧气逸出。他们马上认识到这是水的分解。而且认为电池内也有类似的化学反应。他们的工作开辟了电化学发展的道路。,不久，英国的克鲁克山克(Cruickshank)分解了氯化镁、碳酸纳、氨水，并从银和铜的盐溶液中把银和铜沉淀出来。从而开创了电镀法。,由静电到动电-电流的发现,欧姆像,三.欧姆定律,欧姆（G.S.Ohm,1787-1854）：德国人，家境贫困，长期担任中学教师和家庭教师。为了能到柏林图书馆阅读资料，后来就辞去教师职务，寄居到弟弟家里