电磁学的发展及启示

1、电磁学的发展及启示,材料科学与工程学院 赵辉 2014年6月,“自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理学的公理基础换句话说，就是我们关于实在结构的概念最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁学方面的工作所引起的。” 爱因斯坦,电磁学之中国古代,在东方，中国人民早在公元前2500年前后就已经具有天然的磁石知识。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。 据吕氏春秋一书记载，中国在公元前1000年前后就已经有的指南针，他们在古代就已经用磁针来辨别方向了。 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。,电磁学之西方国家,在17世纪前，大多数是观

2、察和零碎的知识，到17世纪后才有一些系统的研究，而定量的研究则更晚。 18世纪中叶以后，磁力和电力的平方反比定律相继发现，静电学和静磁场开始沿牛顿力学的发展登上科学的舞台。 18世纪末，随着电堆的发明，人们有可能人为地产生和控制电流。 19世纪，电流的磁效应、化学效应、热效应相继的发现，其规律得到了定量的表述，电学和磁学得到了和谐统一的发展，建立了统一的电磁理论，并证实了电磁波的存在。,1600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。 吉尔伯特的工作是实验和学术知识结合的典范。

3、,5,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”。,6,1600年吉尔伯特与,吉尔伯特还认真研究了摩擦琥珀吸引羽毛的现象，指出这种现象不仅存在于琥珀上，而且存在于硫磺，毛皮，陶瓷，火漆，纸，丝绸，金属，橡胶等是摩擦起电物质系列。,当时主要的研究方法就是思考，而吉尔伯特主张真正的研究应该以实验为基础，他提出这种主张并付诸实践，在这点上，可以说吉尔伯特是近代科学研究方法的开创者。,启示：,1660年，盖里克（1602-1668）发明摩擦起电机。 1705年豪克斯比（1666-171

4、3）用空心玻璃球代替硫磺球，发现效果一样。 1720年，格雷（1675-1736）研究了电的传导现象，发现导体和绝缘体的区别。随后，他又发现了导体的静电感应现象。,1773年杜菲（1698-1739）经过实验区分出两种电荷，他分别为松脂电（负电）和玻璃电（正电），并总结出静电作用的基本特性：同性相斥，异性相吸。 莱顿瓶的发明使电现象得到更深入的研究，这是克莱斯特和马森布落克在1745-1746年分别做出。,电这个神奇的精灵总是一闪而逝，与对它好奇，并热心研究它的人捉迷藏，但它还是没有逃过人类智慧终于有一天，人们在莱顿瓶里捉住了它,富兰克林对雷电现象的研究,富兰克林(1706-1790): 富兰

5、克林是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。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，和几个青年创办了“共读社”，后来成为科学家和政治家。自己写的墓志铭:“印刷工富兰克林”。,从苍天那里取得了雷电，从暴君那里取得了民权。 杜尔格（法）,富兰克林的主要贡献,费城实验 发明避雷针:富兰克林将他的发现转化为了新的发明。避雷针诞生了。 科学兴趣广泛:命名了正电，负电，发现了电荷守恒定律，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。,伏打电堆,1800年3月20日，伏打（17451827年)（意大利物理学家）制造了

6、第一个能产生持续电流的化学电池。,13,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,伏打的成就受到各界普遍赞赏，科学界用他的姓氏命名电势，电势差（电压）的单位，为“伏特”（就是伏打，音译演变的），简称“伏”。,化学电源的发展,1800年卡莱尔和尼科尔森用低压电流分解水； 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；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、剧院等场所使用的强烈光电源， 直到70年代才逐渐被爱

7、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。,14,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。,15,丹麦物理学家奥斯特 (Hans Christian Oersted，17771851),通电导线周围和永磁体周围一样都存在磁场。,安培定律,1820年7月，安培关于载流螺线管与磁铁等效性的实验； 安培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，,安培(Ampre，17751836)是法国物理学家、数学家,安培研究电流相互作用的仪器,即两个电流元之间的作用力跟它们之间距离的

8、平方成反比，这就是著名的安培定律。,电磁感应的发现,17,1831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 1831年发现了电磁感应定律。,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,法拉第的实验大体上可以归为两类： 一类实验是磁铁与线圈有相对运动时，线圈中产生了电流； 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。,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

9、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。 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。,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。,20,楞次（Heinrich Friedrich Emi

10、l Lenz）是俄国物理学家和地球物理学家，,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,电磁场理论的建立,1865年麦克斯韦建立电磁场理论： 1856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。 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。 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。,麦克斯韦电磁场理论,麦克斯韦认为变化的磁场在其周围的空间激发涡旋电场；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。,通过数

11、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、磁和光现象统一在了起来。,1886 赫兹的电磁波实验,1886年10月，德国物理学家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。 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。 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

12、的电磁理论的正确性。,23,赫兹(H. R. Hertz, 18571894)- 德国物理学家,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。,24,赫兹电磁波实验的意义,赫兹的电磁波实验装置,用来检测电磁波的有缺口金属环状线圈,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。 1837年惠斯通和莫尔斯分别独立发明了电报机，莫尔斯还发明了一套电码，利用他所制造的电报机可通过在移动的纸条上打上点和划来传递信息。 1861年贝尔发明了电话，作为收话机，它仍用于现代，而其发话机则被爱迪生的发明的碳发话机以及休士的发明的传声器所改进。,25,1895年，意