生活中的物理2——电磁学的发展 巴蜀选修课程

1、电磁学的发展目录2.1 电磁现象的早期研究2.2 电磁学的建立2.3 电磁感应现象的发现与研究2.4 电磁场理论的建立22.1 电磁现象的早期研究 2.1.1 静电学的发展 我国东汉时期，王充在论衡一书中提到顿牟掇芥等问题，也是说摩擦过的琥珀能吸引轻小物体。 公元前7世纪，古希腊哲学家泰勒斯已经发现用毛织物摩擦过的琥珀能吸引某些轻小物体。Electricity（电）这个字的起源就来自希腊文的“琥珀”(elec tron)。 31600年吉尔伯特与 首先对电和磁现象进行系统实验研究的是英国的威廉吉尔伯特 。 英国伊丽莎白女王的御医、英国皇家科学院物理学家。 主要在电学和磁力学方面有很大贡献。 吉

2、尔伯特的工作是实验和学术知识结合的典范。4威廉吉尔伯特（William Gilbert，15441603） 他认识到电力和磁力是性质不同的两种力。 他第一个将琥珀和毛皮摩擦后吸引轻小物体的性质叫做“电”。5盖利克和起电机 盖利克 起电机 最早的静电起电机出现在17世纪，O.von.盖利克利用摇柄使一个硫磺球（后改用玻璃球）迅速旋转，用人手（或皮革）与之摩擦起电。 到19世纪，这种摩擦起电机为感应起电机所取代。618世纪电的研究电流趣闻第一个让电荷奔跑的人斯蒂芬格雷 1729年，斯蒂芬.格雷在研究琥珀的电效应是否可传递给其他物体时发现导体和绝缘体的区别： 金属可导电，丝绸不导电。7 斯蒂芬斯蒂芬

3、格雷格雷（Stephen Gray） 最重要的贡献时发现了电的传导现象 格雷还做过一个有趣的实验：把一个小孩用几根粗丝绳水平吊起来，用摩擦过的带电玻璃管接触小孩的胳臂，孩子的手和身体便能吸引羽毛和铜屑。这表明，人也是导体。 8正负电荷的发现 1734年法国人迪费（Charles-Francois du Fay，16961739）迪费根据大量的实验事实断定电有两种： 一种是与琥珀带的电性质相同，叫做“琥珀电”； 一种是与玻璃带的电性质相同，叫做“玻璃电”。9 带相同电的物体互相排斥；带不同电的物体彼此吸引102.1.2 电线与流动的电荷 1、莱顿瓶的发明 1746年，荷兰莱顿大学的物理学教授马森

4、布罗克（Pieter von Musschenbrock, 16921761） 发明了能保存电的莱顿瓶。11马森布罗克有趣的实验12富兰克林与费城实验 在 1752 年 7 月的一个雷雨天富兰克林做了著名的费城实验： 风筝上安上一根尖细的铁丝，用来捕捉电，并用麻绳与这铁丝相连，麻绳的末端拴一把铜钥匙，钥匙塞在莱顿瓶中间 13 14富兰克林（富兰克林（Benjamin Franklin，17061790年）年） 是是18世纪美国的实业家、科学家、社会活动世纪美国的实业家、科学家、社会活动家、思想家和外交家，家、思想家和外交家，美国美国独立宣言独立宣言和美国宪法的起草人之一。和美国宪法的起草人之一

5、。正负电的命名 1747年，富兰克林首先以正电荷、负电荷的名称来区分两种电荷。 他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电，物体失去电而不足的部分叫做带负电。这种命名方法一直延续至今。15电荷守恒定律 1747年他根据实验提出：在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素；电跟流体一样，摩擦的作用可以使它从一个物体转移到另一个物体，但不能创造； 任何孤立物体的电总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒定律。16意义正、负电的提出，为定量研究电现象提供了基础，使人们第一次可以用数学来表示带电现象，其重要性是显而易见的。172.1.3 伏打与伏打电堆 1、伽伐尼电流的发现 1780年，意大利

6、的解剖学家伽伐尼偶然观察到与金属相接触的蛙腿发生抽动。182、伏打电堆 1800年3月20日，他制造了第一个能产生持续电流的化学电池。19其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体，叫做伏打电堆。这是第一个能人为产生稳定、持续电流的装置，为电流现象的研究提供了物质基础化学电源发明 1800年卡莱尔和尼科尔森用低压电流分解水； 同年里特成功地从水的电解中搜集了两种气体，并从硫酸铜溶液中电解出金属铜； 1807年，戴维利用庞大的电池组先后电解得到钾、钠、钙、镁等金属；20 1811年他用2000个电池组成的电池组制成了碳极电弧； 从19世纪50年代起它成为灯塔、剧院

7、等场所使用的强烈光电源， 直到70年代才逐渐被爱迪生发明的白炽灯所代替。此外伏打电池也促进了电镀的发展，电镀是1839年由西门子等人发明的。212.2 电磁学的建立 电磁感应现象的发现，对科学技术的发展意义重大。 它揭示了电与磁相互联系和转变的又一重要性质，推动了电磁学理论的的发展。 在应用方面，为大规模地利用电能开辟了广阔的道路22闪电可以使罗盘的磁针旋转奥斯特实验 在1820年4月发现电流的磁效应：当电流通过导线时，引起导线近旁的磁针偏转。23丹麦物理学丹麦物理学家奥斯特家奥斯特(Hans Christian Oersted，17771851)通电导线周围和永磁体周围一样都存在磁场。通电导

8、线周围和永磁体周围一样都存在磁场。同年7月21日以关于磁针上电冲突作用的实验为题发表了他的发现。 这篇短短的论文使欧洲物理学界产生了极大震动，导致了大批实验成果的出现，由此开辟了物理学的新领域电磁学。为了纪念他，国际上从1934年起命名磁场强度的单位为奥斯特，简称“奥”。24 1820年，毕奥（J. B.Biot， 17741862）和萨伐尔（Felix Savart，17911841）关于长直载流导线对磁极作用力的实验。2502sin4LIdlBdBr安培定律v1820年7月，安培关于载流螺线管与磁铁等效性的实验；l安培从电流与电流之间的相互作用进行探讨。l他把磁性归结为电流之间的相互作用，

9、26安培安培(Ampre，17751836)是法国物理学家、是法国物理学家、数学家数学家安培研究电流相互作用的仪器安培研究电流相互作用的仪器 1827年，安培将他的电磁现象的研究综合在电动力学现象的数学理论一书中 ，这是电磁学史上一部重要的经典论著，对以后电磁学的发展起了深远的影响。为了纪念安培在电学上的杰出贡献，电流的单位安培是以他的姓氏命名的。272.3 电磁感应的发现28 2.3.1 1831年 法拉第发现了电磁感应定律 1821年9月他发现通电的导线能绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型。 1831年发现了电磁感应定律。

10、法拉第法拉第(Michael Faraday 1791-1867)是英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家法拉第对电磁学的贡献不仅是发现了电磁感应，他还发现了光磁效应（也叫法拉第效应）、电解定律和物质的抗磁性。他在大量实验的基础上创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。 法拉第的实验大体上可以归为两类：n一类实验是磁铁与线圈有相对运动时，线圈中产生了电流；n另一类实验是当一个线圈中电流发生变化时，在它附近的其他线圈中也产生了电流。法拉第将这些现象与静电感应类比，把这些现象正式定名为电磁感应。29法拉第根据大量实验事实总结出了如下定律： 电路中感应电动势的大小，跟穿过

11、这一闭合电路的磁通变化率成正比。 感应电动势用 表示，即 （负号反映感应电动势的方向与磁通量变化的关系）这就是法拉第电磁感应定律。30法拉第电磁感应定律的重要意义： 一方面，依据电磁感应的原理，人们制造出了发电机，电能的大规模生产和远距离输送成为可能； 另一方面，电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。 人类社会从此迈进了电气化时代。311832年亨利发现自感现象 1829年，亨利改进电磁铁，他用绝缘导线密绕在铁芯上，制成了能提起近一吨重物的强电磁铁。 同年，亨利在用实验证明不同长度的导线对电磁铁的提举力的影响时，发现了电流的自感现象：断开通有电流的长导线可以产生明亮

12、的火花。 1832年，他在发表的论文中宣布发现了自感现象。32亨利（Joseph Henry，1797.12.171878.5.13） 美国物理学家1833年 楞茨定律法拉第只是定性地用文字表述了电磁感应现象。1833年楞茨（Lenz）进一步发现楞茨定律，说明感应电流的方向。1845年才由纽曼（F.E.Neumann，17981895）以定律的形式提出电磁感应的定量规律。33楞次（楞次（Heinrich Friedrich Emil Lenz）是俄国物理学家是俄国物理学家和和物理学家物理学家它所产生的磁场方向与引起感应的原磁场它所产生的磁场方向与引起感应的原磁场的变化方向相反的变化方向相反法拉

13、第的力线思想 法拉第从广泛的实验研究中构想出描绘电磁作用的“力线”图象。 他认为电荷和磁极周围的空间充满了力线，靠力线（包括电力线和磁力线）将电荷（或磁极）联系在一起。34 法拉第是电磁场理论的奠基人，他首先提出了磁力线、电力线的概念，在电磁感应、电化学、静电感应的研究中进一步深化和发展了力线思想，并第一次提出场的思想，建立了电场、磁场的概念。 爱因斯坦曾指出，场的思想是法拉第最富有创造性的思想，是自牛顿以来最重要的发现。 麦克斯韦正是继承和发展了法拉第的场的思想，为之找到了完美的数学表示形式从而建立了电磁场理论。351847年汤姆生的类比思想 1847年，W.汤姆生进一步研究了电磁现象与弹性

14、现象的相似性，在题为论电力、磁力和伽伐尼力的力学表征一文中，以不可压缩流体的流线连续性为基础，论述了电磁现象和流体力学现象的共性。 W.汤姆生运用类比方法，把法拉第的力线思想转变为定量的表述，为麦克斯韦的工作提供了十分有益的经验。362.4 电磁场理论的建立 2.4.1 1865年麦克斯韦建立电磁场理论 麦克斯韦(James Clerk Maxwell，18311879)，英国物理学家，经典电磁理论的奠基人1831年8月31日出生于爱丁堡。自幼聪颖，15岁就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文，已显露出出众的才华。37“把数学分析和实验研究联合使用所得到的物理知识，比之一

15、个单纯实验人员或单纯的数学家能具有的知识更坚实，有益和巩固。”-麦克斯韦 麦克斯韦电磁场理论v1856年，麦克斯韦发表了第一篇关于电磁理论的论文，题为：论法拉第力线。在这篇论文中，他发展了W.汤姆生的类比方法。v用麦克斯韦通过类比，明确了两类不同的概念，一类相当于流体中的力，E和H就是；另一类相当于流体的流量，D和B属于这一类。v麦克斯韦进一步讨论了这两类量的性质。流量遵从连续性方程，可以沿曲面积分，而力则应沿线段积分。38 1865年，麦克斯韦发表了关于电磁场理论的第三篇论文：电磁场的动力学理论，用场的观点总结了电磁理论，构建了全新的理论框架。39麦克斯韦认为变化的磁场在其周围的空间激发涡旋

16、电场；变化的电场引起媒质电位移的变化，电位移的变化与电流一样在周围的空间激发涡旋磁场。 麦克斯韦明确地用数学公式把它们表示出来，从而得到了电磁场的普遍方程组麦克斯韦方程组。 通过对这个方程组的数学运算，麦克斯韦预言了电磁波的存在，电磁波的传播速度同光速一样。而光不过是波长在某一范围的电磁波，从而把电、磁和光现象统一了起来。40 麦克斯韦在电磁理论方面的工作可以和牛顿在力学理论方面的工作相媲美。 对麦克斯韦的功绩，爱因斯坦作了很高的评价。 他在纪念麦克斯韦的文集中写道：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的”。“这样一

17、次伟大的变革是同法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字永远联在一起的。这次革命的最大部分出自麦克斯韦。”412.4.2 1886 赫兹的电磁波实验 1886年10月，赫兹用放电线圈做火花放电实验，偶然发现近旁未闭合的绝缘导电线圈中有电火花跳过，便敏锐地想到这可能是电磁共振。 此开始直到1888年，赫兹集中力量持续进行了有关电磁波特性的多方面实验42 赫兹赫兹(H. R. Hertz, 18571894)-德国物理学家德国物理学家1887年11月5日，赫兹在寄给亥姆霍兹一篇题为论在绝缘体中电过程引起的感应现象的论文中， 总结了这个重要发现。43赫兹的电磁波实验装置赫兹的电磁波实验装置用来检测电磁波的用来检测电磁波的有缺口有缺口金属环状线圈金属环状线圈 接着，赫兹还通过实验确认了电磁波是横波，具有与光类似的特性，如反射、折射、衍射等，并且实验了两列电磁波的干涉，同时证实了在直线传播时，电磁波的传播速度与光速相同，从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。44 1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。452.4 电磁学对通信技术发展的作用 电流磁效应的发现打开了电应用的新领域。 1825年斯特金发明电磁铁，为电的广泛应用创造了条件。 1837年惠斯通和莫尔斯分别独立发明了电报机