06-电磁学的建立

1、1,电磁学的建立和发展,电磁现象的早期研究 电磁学的建立 电磁感应现象的发现与研究 电磁场理论的建立,2,一 电磁现象的早期研究,在古代，人们对静电和静磁现象已分别有一些认识。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”(electron)。 我国东汉时期，王充在论衡一书中提到摩擦过的琥珀能吸引轻小物体。指南针是我国四大发明之一，我国在北宋初就知道利用人工磁化方法制成指南针，当时还发现磁偏角、磁倾角等问题。,3,(一) 吉尔伯特与 （15441603）,1600年，他发表了论磁、磁体和地球作为一个

2、巨大的磁体，简称磁石论，使磁学从经验转变为科学。书中也记载了电学方面的研究。,“小地球”实验：指出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。 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”。 他认识到电力和磁力是性质不同的两种力。 制作了第一只验电器,4,1646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;琥珀电和玻璃电； 并明确表述了“同性相斥，异性相吸”的规律。,（二）莱顿瓶的发现,1745年普鲁士（德国的前身

3、）的一位副主教克莱斯特在实验中利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时，受到猛烈的一击，他由此发现了放电现象。,1746年，荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克在克莱斯特发现的启发下发明了收集电荷的“莱顿瓶”。,5,莱顿瓶的发明，使物理学家们第一次有办法存储大量电荷，并对其性质进行研究。,法国人诺莱特在巴黎进行的莱顿瓶表演（法国国王路易十五及皇室成员现场观看）,6,（三） 两种电流质假说的提出与争论,富兰克林的单元电液理论：认为两物体带电是电液迁移的结果，他提出了正电和负电的概念，他认为缺少电液，就是带负电，可以用“”号表示；带超过正常情况的电液就带正电，用“ + ”号表示

4、。正、负电可互相抵消。,杜菲的“双流说”：认为存在两种流质，可以通过摩擦的方式把它们分开，使两个物体带异种流质而相互吸引，当它们结合时，又彼此中和。,富兰克林的理论足以解释当时人们已知的绝大部分静电现象。现在我们知道，所谓的电液是不存在的，比较容易迁移的是带负电的载体电子，用电液迁移来解释电现象并不科学。尽管这样，正、负电的概念和电荷守恒的观念是至今仍然有效的科学观念，是富兰克林对电学的一大贡献。,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。,7,（四）富兰克林及其电荷守恒定律,富兰克林还认为摩擦只能使电液从一个物体转移到另一个物体上

5、，即“电不是摩擦玻璃管而产生的，而只是从摩擦者转移到了玻璃管，摩擦者失去的电与玻璃管获得的电严格相同”。即在任一绝缘体系中电的总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒原理。,富兰克林的另一项重大贡献是统一了天电和地电（风筝实验）；发明了避雷针。,富兰克林（17061790年）是18世纪美国的实业家、科学家、社会活动家、思想家和外交家，美国独立宣言和美国宪法的起草人之一。,你热爱生命吗？那么别浪费时间，因为时间是组成生命的材料。,8,2 电磁学的建立,（一）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；

6、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。,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。 普利斯特利在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。”,9,3. 罗比逊实验 1769年，英国爱丁堡大学的约翰.罗宾森设计了一个杠杆装置，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

7、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.,4. 库仑的引力实验,库仑像,库仑（17361806年）是法国工程师和物理学家。青少年时期，库仑受过良好的教育。离开学校后，库仑当过军事工程队的工程师，对材料的性质、物体上应力和应变的计算十分在行。,10,1781年库仑研究了摩擦定律，研究了丝线和金属丝的扭转，确立了弹性扭转的定律。根据这些成果，1784年库仑制成了测量力的仪器-扭秤。1785年，他借助扭秤在实验上确立了静电学基本定律即库仑定律。同年，他题为电力定律的论文中介绍了他的实验装置，测试经过和实验结果。,库仑扭

8、秤,11,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。,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。,12,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

9、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。,库仑定律,万有引力定律,13,卡文迪什关于电的平方反比关系的研究： 半球实验：,5.卡文迪什的工作,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 .,在均匀带电球内任取点P，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，于是 f1/f2=dS2/dS1=r22/r12,14,卡文迪什（1731-

10、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。,卡文迪什像,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。”,15,1.伽伐尼电流的发现,1780年，意大

11、利科学家伽伐尼（Luigi Galvani, 17371798) 偶然发现，当解剖刀无意中触及到铁案板上的已被解剖的青蛙的腿上时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验，又观察到同样的现象。,他认为这是一种生物电现象，并于1791年发表了题为关于电对肌肉运动的作用的论文。,(二) 由静电到动电电流的发现,16,1791年意大利物理学家亚历山德罗 伏打(17451827)得知伽伐尼的这一发现，也作了一系列实验，并提出问题：肌肉接触两种不同金属时，所产生的电流是由肌肉引起的还是由金属引起的？,伏打发表论文总结了自己的实验，认为金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏打并把这种电流命名

12、为“金属的”或“接触的”电流。这种电流称为“伽伐尼电流”。,2. 伏打的“金属接触说”和伏打电堆,1794年，伏打只利用金属来做实验，发现电流的产生、持续和生命组织无关；一切作用都是由于金属接触了某种潮湿的物体或接触水本身引起的。,伏打,他比较了各种金属：+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。,17,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。,1800年3月20日，伏打宣布了一个重要的发现，这就是著名的“伏打电池”。他用更多的铜片（最好是银片）

13、，每一片都和一块锡片（最好是锌片）接触，并且用水层或盐水、碱水等，或是浸透这些液体的纸壳或皮革把组合体分隔，制成了可以产生电流的“电堆”电池。,18,3.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

14、、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。,19,4. 欧姆定律的建立,欧姆研究电路的实验装置,欧姆(17891854) 1789年3月16日出生在南德意志巴伐利亚的爱尔朗根。1805年考入爱尔朗根大学，但只读了三个学期就被父亲送到了瑞士农村。欧姆的父亲认为农村的清新空气和纯朴的社会关系，将会更有利于欧姆潜心学习。欧姆一边自学，一边担任中学教师和家庭教师。 1811年，欧姆再度进入爱尔朗根大学，并于同年月10月获得了博士学位。,他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力“电张力”。,20,当时科学界存在的问题： (1

15、)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)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。,(2) 欧姆创造性的将奥斯特关于电流的磁效应和库仑扭秤法结合起来，巧妙设计了电流扭力天平。,1926年，欧姆先后发表了两篇论文：论金属导电定律的测定和由伽伐尼电力产生的电现象的理论。Xa(bx) 1927年，欧姆又出版了动电电路的数学研究。S=E,21,（三） 电流磁效应和安培定律,1. 奥斯特的发现,丹麦物理学家奥斯特，1777年8月14日生于丹麦朗格兰德岛一

16、个药剂师家庭1806年任哥本哈根大学物理学教授，1821年被选为英国皇家学会会员，1823年被选为法国科学院院士，后来任丹麦皇家科学协会会长,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？”,1819年冬，奥斯特在备课中分析了前人在电流方向上寻找磁效应都未成功的事实，想到磁效应可能像电流通过导线产生热和光那样是向四周散射的，即是一种横向力，而不是纵向的。,1820年7月21日发表了题为关于磁针上的电流碰撞的实验的论文。,22,实验中总结出:,电流的作用存在于载流导线周围,沿螺旋方向垂直于导线； 电流对磁针的作用可穿过各种不同的介质,作用的强弱决定于介质，也

17、决定于导线到磁针的距离和电流的强弱； 铜和其他一些材料做的针不受电流作用； 通电的环形导体相当于一个磁针，具有两个磁极等等。,奥斯特发现的电流磁效应，是科学史上的重大发现它立即引起了那些懂得它的重要性和价值的人们的注意。在这一重大发现之后，一系列的新发现接连出现。,23,2. 安陪定律的建立,毕奥和萨伐尔更仔细地研究了直线载流导线对磁针的作用，确定这个作用力正比于电流强度，反比于电流与磁极的距离，力的方向垂直于这一距离。,安培(17751836)则从电流与电流之间的相互作用进行探讨，他把磁性归结为电流之间的相互作用。他设计了四个极其精巧的实验，并在实验的基础上进行数学推导，得到普遍的电动力公式

18、，为电动力学奠定了基础。,强度相等方向相反的电流之间的作用力大 小相等方向相反。 电流元及其磁作用均具有矢量性。 作用在电流元上的力方向与电流元垂直。 载流导线的长度和距离增加相同倍数时相互作用不变。,研究电流相互作用的仪器,24,1820年12月4日推出了反映电流间的相互作用的安培定律。,安培最初发表的公式如下：,安培定律目前的表达式为：,安培认定电流元之间的相互作用力是电磁现象的核心，电流元相当于力学中的质点，它们之间存在超距作用。,25,1821年1月提出了分子电流假说：“磁性物质内存在无数分子电流，认为每个分子形成的圆形电流就相当于一根小磁针。安培把磁和电流联系起来，从本质上认识了磁和

19、电的统一。,1827年，安培在其发表的电动力学理论总结了已知的电磁现象，得到了磁场的安培环路定理等。安培把牛顿力学引入电学，创立了电动力学，被麦克斯韦誉为“电学中的牛顿”。,26,三. 电磁感应现象的发现与研究,电磁感应现象的发现是电磁学发展史中又一重大的里程碑。对电磁感应现象的研究使人们对电与磁的关系有了更深刻的认识，使电磁学理论更趋于完善。,（一） 法拉第电磁感应现象的发现,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。接着经过无数次实验的失败，终于在1831年发现了电磁感应定律。这一划时代的伟大发现

20、，使人类掌握了电磁运动相互转变以及机械能和电能相互转变的方法，成为现代发电机、电动机、变压器技术的基础。,27,法拉第对各项试验作了总结，向英国皇家学会报告说：产生感应电流的情况可以分为五类：1变化中的电流；2变化中的磁场；3运动的稳恒电流；4运动中的磁铁；5在磁场中运动的导体。,法拉第只是定性地用文字表述了电磁感应现象。1833年楞茨发现了楞茨定律，说明了感应电流的方向: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。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。,（二） 楞次定律的发现,28,(三) 亨利及自感现象的发现,1829

21、年，美国物理学家亨利在改进电磁铁的过程中，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的火花。 1832年，他在发表的论文中宣布发现了自感现象。 1835年1月，亨利向美国哲学会介绍了他的研究结果，他用14个实验定性地确定了各种形状导体的电感的相对大小。他还发现了变压器工作的基本定律。,亨利（Joseph Henry，17971878） 1797年12月17日生于美国纽约州奥尔贝尼市。1822年毕业于奥尔贝尼学院，1826年被聘为奥尔贝尼学院物理学教授。1867年任美国科学院第一任院长。1878年5月13日在华盛顿逝世。,29,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

22、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，建立了电场法、磁场的概念，否定了超距作用观点。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。,法拉第(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。 1824年1月当选皇家学会会员，1825年2月任皇家研究所实验室主任，1833-1862任皇家研究所化学教授。1846年荣获伦福德奖章和皇家勋章。1867年8月25日逝世。,（四） 法拉第及其电学实验研究,3

23、0,31,法拉第论文汇集在三卷本的名为电学实验研究的巨著中。这部由三千多节组成的巨著真实而详细地记录了他一生中成功的和失败的16041个实验，凝聚了他的实验研究成果和对物理学的深刻见解。,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。1851年他在论文论磁力线中指出：“无论导线是垂直还是倾斜地切过磁力线，也无论它是沿着某一方向或沿着另一方向，这根导线都能把它所切割过的力线中的力汇集在一起”，因此“形成电流的力应该正比于切割磁力线的数量”。,法拉第认识到电力不可能是超距作用；即使没有电介质，空间也会产生某种变化，布满了力线。进一步研究了磁介质，解释了顺磁性和反磁性。电磁感应现象则解释

24、为磁铁周围存在某种“电应力状态”，当导线在其附近运动时，受到应力作用而有电荷作定向运动；回路中产生电动势则是由于穿过回路的磁力线数目发生了变化。,32,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。,1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理。1850年转入剑桥大学三一学院数学系学习，1854年以第二名的成绩获史密斯奖学金，毕业留校任职两年。 1856年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授。1860年到伦敦国

25、王学院任自然哲学和天文学教授。1861年选为伦敦皇家学会会员。1865年春辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著论电和磁并于1873年出版，1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪许实验物理学教授，负责筹建著名的卡文迪许实验室，1874年建成后担任该实验室的首任主任。 1879年11月5日因患癌症在剑桥逝世，年仅48岁。,四 电磁场理论的建立,（一）麦克斯韦生平,33,Maxwell全面总结了电磁学研究的成果,并在此基础上提出了“涡旋电场”和“位移电流”假说，建立了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、磁现象的内在联系及统一性

26、，完成了物理学的又一次大综合。,1856年，麦克斯韦发表了题为论法拉第力线论文中，他发展了W. 汤姆逊的类比方法，用不可压缩的流体的流线类比于法拉第的力线，把流线的数学表达式用到静电理论中。,（二） 麦克斯韦电磁场理论,1861年，写了第二篇论文题为论物理力线。内容分四个部分，分别载于1861年和1862年的哲学杂志上。他的“目的是研究介质中的应力和运动的某些状态的力学效果，并将它们与观察到的电磁现象加以比较，从而为了解力线的实质作准备。”,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，全面地论述了电磁场理论。在这篇论文中，麦克斯韦提出了电磁场的普遍方程组，共20个方

27、程，包括20个变量。,34,35,直到1890年，赫兹才给出简化的对称形式，整个方程组只包括四个矢量方程，一直沿用至今。,36,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。”,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。,37,（三） 赫兹的电磁波实验,1879年麦克斯韦逝世，同年德国柏林科学院悬赏征求对麦克斯韦所预言的电磁波的实验验证。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闪过，认为这可能是电磁共振。由此开始直到1888年，赫兹持续进行了有关电磁波特性的多方面实验。,赫兹(H. R. Hertz, 18571894)-德国物理学家，生于汉堡。早在少年时代就被光学和力学实验所吸引。十九岁入德累斯顿工学院学工程，由于对自然科学的爱好，次年转入柏林大学，在物理学教