第五章 经典电磁学

1、第五章 经典电磁学的建立与发展 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 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)：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，被称为电学研究之父。1600年出版论磁 石，书中记载了“小地球”实验（把一块大天然磁石磨成球形，把小磁 针放在球的表面）。是物理学史上第一部系统阐述磁学

2、的科学专 著。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 分辨了两种电;松脂电和玻璃电; 6.1745年，发现莱顿瓶（荷兰莱顿大学教授马森布洛克Musschenbrock）。 小故事：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。七百名修道士几乎同时跳了起来。 2.富兰克林对雷电现象的研究 1.电荷守恒定律的发现：他发现两个带有不同性质电荷的带 电体，相互接

3、触后可以呈现中性。把电荷分为“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。 2.著有电学的实验和研究 3. 费城实验-“天电”和“地电”的统一（1752年） 4.发明避雷针 5.独立宣言和美国宪法的起草人之一，为美国的独立和解放 作出了贡献的政治活动家。 3. 从定性到定量库仑定律的发现 一.类比法 二.库仑的引力实验 三.卡文迪许的工作（略） 从 定 性 到 定 量 - 库 仑 定 律 的 发 现 一.类比法 1.电力作用的猜测 1759

4、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。 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

5、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。” 3. 罗比逊实验同种电荷斥力的 测量 1769年，英国爱丁堡大学的约翰. 罗宾森（John Robiso，苏格兰人）设 计了一个杠杆装置，如图。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

6、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。 二.库仑实验 1. 同种电荷的斥力测量-扭秤实验，略 2. 异性电荷的引力测量-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。 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：1785年在法国科学院发表论文， 提出著名的库仑定律。 因此被选为法国科学院院士。 意义：库仑定律的建立使电磁学进

7、入了定量研究，数学的引入使电磁 学真正成为一门科学。 由 静 电 到 动 电 - 电 流 的 发 现 4.电流的发现由静电到动电 一.伽伐尼的研究：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”-发明伏打电堆 意大利 帕维大学 教授。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？ 179

8、4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。青蛙只不过是起了验电器的作用。 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。 1800年，伏打制成了伏打电池（电堆），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。 伏打电堆意义: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。

9、由 静 电 到 动 电 - 电 流 的 发 现 三.欧姆定律 欧姆（G.S.Ohm,1787-1854）：德国人，长期担任中学教师和家庭教 师。后被慕尼黑大学任命为教授。 类比：从傅立叶发现的热传导规律受到启发：导热杆中两点之间的热 流正比于这两点之间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此很相似，猜 想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的电势差，欧姆称之为“电张 力(electric tension)”。 存在的问题： 1.伏打电堆产生的电流不稳定 2.没有电流强度的测量装置。 问题的解决： 1.采用温差电偶 2.电流扭秤：将电流磁效应和库仑扭秤法结合起来，设计了电 流扭力天平：温差电源由弯

10、成abab形的铋条和两根铜条组成， ab端插入冰水中，ab插入沸水中，电流扭秤的扭丝和磁针置于 玻璃罩中，磁针偏转的角度用一放大镜观察。 电 磁 学 的 新 时 期 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，丹麦的奥斯特发现了电流的磁 效应，从而建立了电与磁的联系。 一. 电流磁效应的发现 二.安培和安培定律 电 磁 学 的 新 时 期 一. 电流磁效应的发现-丹麦奥斯特 奥斯特，H.C. Hans Christian Oersted (17771851)。丹麦电学家，CGS 电磁

11、单位制中磁场强度的单位奥（斯特）即为纪念他而命名。 1777年8月14日生于丹麦的鲁兹克宾，1794年入哥本哈根大学就读， 1799年获哲学博士学位， 1801-1803年间,他先后到德国和法国游学,受到I. 康德和F.谢林关于自然力统一的思想的熏陶。 1806年任哥本哈根大学物 理学教授， 1824年倡议成立丹麦自然科学促进会,1829年出任哥本哈根理 工学院院长,直到1851年3月9日在哥本哈根逝世。 当时的物理学界，如A.M.安培和J.B.毕奥都认为电和磁不会有任何 联系。但奥斯特在康德的哲学引导下,坚信电力和磁力有着共同的根源。 1819年冬天，他受命主持一个电磁讲座，从而使他有机会研

12、究电流的磁 效应。1820年4月在一次晚间讲座快结束时，他突然产生一个新的想法： 电流对磁针的作用是不是不在它电流方向上，从而导致他电流磁效应的 发现。论文在7月21日发表后在欧洲引起了很大反响。 奥斯特的发现促进了安培对电磁力的研究（18201827）。这方面 的研究工作发展迅速,同年12月就导致发现了毕奥萨伐尔定律。 电 磁 学 的 新 时 期 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.安培的四个实验和一个假设 2.分子电流假说 3.安培环路定理的提出 4.安培的科学研究方法

13、背景： 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 后回国。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”。 12 1.安培定律的建立-四个示零

14、实验和一个假设 首先安培设计了一个无定向秤：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。 A B 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。 下方为对折导线 （1）实验一：对折导线电流的作用 （2）实验二：螺旋状电流的作用 （3）实验三：电流作用力的方向：横向性。 （4）实验四：圆形导线电流作用力与距离的关系。 （研究线圈1和3对线圈2的作用。线圈半径之比等于其距离之

15、比） 121221 )( rdLdLII 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。 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。 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。 r123 dF12 = K 安培定律的建立： 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： 3.分子电流假说 安培接受了法国数学家菲涅尔的意见,从微观去考虑分子电流来认 识物质磁性的起因。经过反复分析和思考，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

16、 设：构成磁体的分子内部存在一种环形电流分子电流。由于分子电 流的存在，每个磁分子都成为一个个小磁体。通常情况下磁体分子的分 子电流取向是杂乱无章的，它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。 当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，两端显示较强的磁体作 用，形成磁极，就被磁化了。 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

17、电动力学。 6.电磁感应现象的发现与研究 一.法拉第（1791-1867） 二 法拉第电磁旋转实验 三.法拉第发现电磁感应 四.亨利及自感现象的发现 五.楞次定律的发现 六.法拉第的力线思想 变 磁 生 电 的 发 现 者 法 拉 第 英国物理学家。他的父亲一个铁匠。十三岁时，他到一家装订和 出售书籍的铺子里当学徒。为他读书创造了条件。他的老板也鼓励他读 书，后来有一位顾客送给他一些伦敦皇家学院讲演的听讲证。1812年冬 季，他来到了伦敦皇家学院，要求和著名的院长戴维见面谈话。作为自荐 书，他带来了听戴维讲演时记下的笔记。笔记装订得整齐美观，给戴维留 下了很好的印象。戴维正好缺少一位助手，不久

18、他就雇用了他。1821年受 任为皇家研究所实验室主任。 法拉第所研究的课题广泛多样，按编年顺序排列,有如下各方面： 铁 合 金 研 究 （ 1818 1824 ） ； 氯 和 碳 的 化 合 物 （ 1820 ） ； 电 磁 转 动 （1821）；气体液化（1823，1845）；光学玻璃（18251831）；苯的发 明（1825）；电磁感应现象（1831）；不同来源的电的同一性（1832）； 电化学分解（1832年起）；静电学，电介质（1835年起）；气体放电 （1835年）；光、电和磁（1845年起）；抗磁性（1845年起）；“射线振 动思想” （1846年起）；重力和电（1849年起）；时

19、间和磁性（1857年 起） 法拉第一生热衷科学事业，不好功名利禄。英国女王曾多次想对 他封爵，都被他谢绝；1858年英国史学家廷德尔提议让他担任皇家学会会 长，他也坚决推辞。 一.法拉第（1791-1867） 二 法拉第电磁旋 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，这 就是最早的旋转电动 机的雏型。 三 法拉第发现电磁感应的有关实验 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

20、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。 电流 电流 磁 磁? 实验二 法 拉 第 电 磁 感 应 实 验 实 验 五 感 应 发 电 机 的 产 生 实验三 实验四 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。 在此基础上，法拉第发

21、明了人类历史上第一台感应发 电机。 涡旋电流涡电流简介： 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。 意义： 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。 五 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，18 岁那年

22、, 在一个偶然机会读了一本科普读物 实验哲学讲义后，对自然科学产生兴趣，立刻就决定 献身科学事业。通过刻苦自学,1819 年以优异的成绩考入 奥尔巴尼学院。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：1820年奥斯特发现电流的磁效应之后，1823 年英国物理学家斯特金发明了电磁铁，即在一块没有磁性的软 铁上绕以导线，通电后，软铁就具有了强磁性。1829年，亨利 在访问纽约时听到了这个消息，立即自己制作电磁铁：并且制 造的电磁铁比斯特金的电磁铁的磁力大的多。 1

23、831年，他研制出一只能升举750磅的电磁铁（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。莫尔斯 制造了第一台投入实验使用的的电报机。 3.继电器的发明：1835年，亨利发明了继电器。 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

24、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 ，赶忙回头赶做自己的实验，并于1832年7月将实验结果 发表在美国科学杂志，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。 六 法

25、拉第的“力线和“场”的思想及其他 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。 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。 奠定了电磁学的基础，导致 了电动机、发电机的出现。 (1867年，西门子创制了发电机) 奥斯特动电生磁 法拉第变磁

26、生电 背景： 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。1847-1853年间，W.汤姆逊提出了铁磁质内磁场强度H 和磁感应强度B的定义，并导出了H=B，并且于1851年提 出了磁的数学理论。为后来麦克斯韦的研究做出了典 范。总之到了十九世纪五六十年代，创立电磁场理论的条 件已趋成熟。 7.麦克斯韦电磁场理论的建立 一.麦克斯韦（1831-1879）简介 二.建立电磁场理论的工作 三. 意义 麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论 的 建 立 一.麦克斯韦（1831-1879）简介 麦

27、克斯韦是继法拉第之后，集电磁学之大成的伟大科 学家。（他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等 前人的一系列发现和实验成果）建立了第一个完整的电磁理论体 系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、 电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综 合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、 电子工业和无线电工业的基础，导致第二次工业革命。 麦克斯韦1831年6月出生于英国爱丁堡，10岁进入爱丁堡 中学， 14岁在中学时期就发表了第一篇科学论文论卵形曲 线的机械画法，反映了他在几何和代数方面的丰富知识。16 岁进入爱丁堡大学学习物理，三年后，他转学到剑桥大学三一 学院

28、。在剑桥学习时，打下了扎实的数学基础，为他以后把数 学分析和实验研究紧密结合创造了条件。 他精心研究了法拉第的电学的实验研究，以法拉第 的力线概念为指导，透过这些似乎杂乱无章的实验记录，运 用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁场理论。于1873 年出版电磁学通论。这是一部可以同牛顿的自然哲学 的数学原理、达尔文的物种起源和赖尔的地质学原 理相媲美的里程碑式的著作。 1879年11月3日，麦克斯韦逝世，时年49 岁，在他的 一生中共写了100多篇有价值的论文。 二.麦克斯韦电磁场理论 1.类比： 2.麦克斯韦的“以太涡旋”模型和“位移电流” 3.麦克斯韦电磁方程组： 4.电磁波的预言 5.光波

29、就是电磁波的提出 1.类比 1855年发表论法拉第力线，把法拉第的力线抽象为 数学描述。文中：麦克斯韦用类比的方法，把力线看作不可 压缩的流体的流线。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，引入了诺埃曼的矢势 函数A，用于表示导体中引起的电动势。并指出，“电紧张态” 是场的一种运动性质，是一个物理真实。 在论文末尾，麦克斯韦总结了六条定律，为以后建立电 磁场理论奠定了基础。 I ( 2 ). B = H ( 3 ). H dl = (1 ). A dl = ( 5 ).W = j Adl ( 6 ) E 感应 = A / t ( 4 ) j = E 从而将法拉第的

30、观念和直观的力线抽象为数学。 2.麦克斯韦的“以太涡旋”模型和“位移电流” 1862年，麦克斯韦发表了第二篇电磁学论文论物理力 线。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。 电磁以太模型： 如右图，充满空间的媒 质分子在磁作用下具有旋转 的性质，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。 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，麦克斯韦设想在相临涡旋 管之间充满着一层起滚珠轴承 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

31、用是切向的。粒子可以滚 动，但没有滑动。 对于静电场中的情况： 麦克斯韦把涡旋模型又进一步推广到静电场。无外磁场 时，由于H=0，涡旋管静止。但当处于静电场中时，粒子层 将受到电力E的作用而发生位移D，并给涡旋管以切向力使 之发生形变。当两力平衡时，粒子和涡旋管保持相对静止 状态。这时电场能在媒质中转变为弹性势能。这时并无磁 感应产生。 对于变化电场的情况： 当电场发生变化的时候，介质中粒子的总位移D也跟着 发生变化，从而形成正负方向上的电流。麦克斯韦称之为 “位移电流”, 并表示为iE/t 。 3. 麦克斯韦电磁方程组： 1873年，麦克斯韦出版电磁学通论，创造性的建 立了电磁场理论的完整体

32、系。把以前的电磁场理论都综合 在一组方程式中，得到了电磁场的数学方程-麦克斯 韦电磁方程组。以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内 在的完美对称。 最初，在电磁学通论书中，麦克斯韦共列出了20 个分量方程，如果采用矢量方程，则仅有8个。后来简化 成四个。1890年前后，德国物理学家赫兹和英国物理学家 亥维赛，又两次简化麦克斯韦方程组，才得到我们现在通 用的微分形式。 1电场中的高斯定理 D ds = q0 s D = 2法拉第电磁感应定 律 B E dL= ds L t B E = t 3磁场中的高斯定理 B ds = 0 S B = 0 4安培环路定律 D L H dL= I0 +t ds D

33、 H = J + t 麦克斯韦方程组： 1 E E = 2 v t 2 B = 2 v t 4.电磁波的预言 麦克斯韦方程组的一个重要结果，就是预言了电磁波 的存在。麦克斯韦通过计算，从方程组中导出了自由空 间中电场强度和磁感应强度的波动方程为： 2 2 21 2 B 2 v = 1 式中V是波在介质中的传播速度。 它表示：电或磁的扰动，将在以太媒质里以速度V传播 着。并且推出了电磁波的传播速度为： 式中是介电常数，为磁导率。 5.光波就是电磁波的提出： 1856年韦伯测定上述速度值为：V=31.074万公里/ 秒,麦克斯韦发现这个值与1849年斐索测得的光速31.50 万公里/秒十分接近。他

34、认为这不是巧合，而是由于光 的本质与电磁波相同，从而提出了光的电磁理论。它表 明“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播 的一种电磁振动” 。从而将光、电、磁理论统一起来。 完成了物理学发展史上的第二次理论大综合。 麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论 的 建 立 四.意义 1.经典电磁理论的确立，完成了物理学理 论的第二次大综合， 2.掀起了第二次工业革命，进一步说明了 科学技术是第一生产力。 电磁波的发现 8.电磁波的发现 尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性并 和一切经验相符合，但它只能逐渐地被物理学 家接受。 劳厄 一. 赫兹（1857-1894） 二. 电磁波的发现 三. 成果 电磁

35、波的发现 一.赫兹（1857-1894）：德国物理学家 赫 兹 像 1878 年是基尔霍夫和 亥姆霍兹的学生 1880年获博士学位。 1885年发现电磁波， 1889年到波恩大学任教。 1894年因血中毒而去世。 电磁波的发现 二.电磁波的发现 麦克斯韦电磁论发表后，由于理论难懂，无实验 验证，在相当长的一段时间里并未受到重视和普遍承认。 1879年，柏林科学院设立了有奖征文，要求证明以下三 个假设：如果位移电流存在，必定会产生磁效应；变化 的磁力必定会使绝缘体介质产生位移电流；在空气或真空 中，上述两个假设同样成立。这次征文成为赫兹进行电磁波 实验的先导。 1885年，赫兹利用一个具有初级和次级两个绕组的振荡 线圈进行实验，偶然发现：当初级线圈中输入一个脉冲电流 时，次级绕组两端的狭缝中间便产生电火花，赫兹立刻想 到，这可能是一种电磁共振现象。既然初级线圈的振荡电流 能够激起次级线圈的电火花，那么它就能在邻近介质中产生 振荡的位移电流，这个位移电流又会反过来影响次级绕组的 电火花发生的强弱变化。 1886年，赫兹设计了一种直线型开放振荡器（下图），留 有间隙的环状导线C作为感应器，放在直线振荡器AB附近， 当将脉冲电流输入AB并在间隙产生火花时，在C的间