電磁場理論建立

1、電磁場理論的建立目錄：電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究定量研究的開始電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁場理論的建立與檢驗電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究一、古代記載的電、磁現(xiàn)象磁現(xiàn)象：中國公元前至前三世紀(jì)，管子一書中有磁石和磁石引鐵的記載。韓非子記載司南。呂氏春秋記載磁石召鐵。漢初劉安的淮南子覽冥篇中有“若以磁石至能連鐵也，而取其引瓦，則難矣”的記載。東漢王充的論衡亂龍篇中有”琥珀攝芥，磁石引針”的記載。電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究一、古代記載的電、磁現(xiàn)象磁現(xiàn)象：外國l約公元前6世紀(jì)，希臘學(xué)者泰勒斯技術(shù)磁石吸鐵和摩擦后的琥珀吸引輕小物

2、體現(xiàn)象。l系統(tǒng)研究磁現(xiàn)象始于17世紀(jì)，1600年英伊麗莎白一世的御醫(yī)吉爾伯特發(fā)表了論磁、磁體和地球作為一個巨大的磁體電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究吉爾伯特的研究：l他做了許多電和磁的實驗，其中最有名的是所謂“小地球”實驗。 l他發(fā)現(xiàn)不僅摩擦過的琥珀有吸引輕小物體的性質(zhì)，而且一系列其他物體如金剛石、水晶、硫磺、明礬等也有這種性質(zhì)，他把這種性質(zhì)稱為電性，他是第一個用“電力”、“電吸引”、“磁極”等術(shù)語的人。 電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究吉爾伯特把電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)它們具有以下幾個截然不同的性質(zhì)： 1.磁性是磁體本身具有的，而電性是需要用摩擦的方法產(chǎn)生

3、； 2.磁性有兩種吸引和排斥，而電性僅僅有吸引（吉爾伯特不知道有排斥）；3.磁石只對可以磁化的物質(zhì)才有力的作用，而帶電體可以吸引任何輕小物體； 4.磁體之間的作用不受中間的紙片、亞麻布等物體的影響，而帶電體之間的作用要受到中間這些物質(zhì)的影響。當(dāng)帶電體浸在水中，電力的作用可以消失，而磁體的磁力在水中不會消失； 5.磁力是一種定向力，而電力是一種移動力。電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究一、古代記載的電、磁現(xiàn)象電現(xiàn)象：中國l西晉張華：“令人梳頭，脫著衣時，隨梳、解結(jié)有光者，亦有咤聲。”l王充論衡雷虛篇：“云雨至則雷電擊?！眑淮南子墜形訓(xùn)：“陰陽相搏為雷，激揚為電?！眑劉基：“雷者，天

4、氣之郁而激而發(fā)也。陽氣困于陰，必迫，迫極而迸，迸而聲為雷，光為電?！眑漢書西域記：“矛端生火?！眑晉代搜神記：“戟鋒皆有火光，遙望如懸燭?！彪姮F(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究一、古代記載的電、磁現(xiàn)象電現(xiàn)象：外國“電”是從希臘字“琥珀”演化而來。在公元約585年，古希臘哲學(xué)家泰勒斯記載：把琥珀的這種靠摩擦激發(fā)的能夠吸引小物體的性質(zhì)叫做“電”。電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究二、物體導(dǎo)電性和兩種電荷的發(fā)現(xiàn) l1663年德國人格里凱發(fā)明了第一臺能產(chǎn)生大量電荷的摩擦起電機。l英國人格雷（公元16701736）在1729年研究了導(dǎo)電現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)摩擦過的玻璃管上所帶的電荷可以傳

5、遞到木塞上。 l法國人杜菲（公元16981739）對格雷的實驗有極大興趣，他作了許多電學(xué)實驗。1733年他發(fā)現(xiàn)絕緣的金屬可以摩擦起電。電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究三、電荷的貯存與大氣電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)l荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué)教授穆欣布羅克（公元16921761）于1746年做了實驗 ，得出結(jié)論：把電荷投放在玻璃瓶內(nèi)可以把電保存下來。 l后來另一位法國電學(xué)家諾萊特就把這個蓄電的瓶子稱為萊頓瓶。 l萊頓瓶的發(fā)明，為科學(xué)界提供了一種貯電的有效方法。電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究富蘭克林（公元1706一1790）l同年，倫敦一位物理學(xué)家考林森通過郵寄向美國費城的本杰明富蘭

6、克林贈送了一只萊頓瓶，并在信中向他介紹了使用方法。l富蘭克林原來是費城的印刷商，他通過書本和科學(xué)上的來往獲得了豐富知識，他利用萊頓瓶做出的第一項重要工作，是根據(jù)萊頓瓶內(nèi)外兩種電荷的相消性，在杜菲的“玻璃電”和“樹脂電”的基礎(chǔ)上提出正電和負(fù)電的概念。l富蘭克林所做的第二項重要工作是：統(tǒng)一了天電和地電。電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的早期研究統(tǒng)一天電與地電實驗：1752年7月，一個電閃雷鳴的上午，他將一個風(fēng)箏放到空中，風(fēng)箏下有一根鐵絲，鐵絲下栓一根麻繩，麻繩的下一端栓絲線，繩線接觸處栓一把銅鑰匙。銅鑰匙可以給萊頓瓶充電，與摩擦起電性質(zhì)完全相同?，F(xiàn)象：麻繩上的纖維向四周自立，猶如“怒發(fā)沖冠”

7、影響：驗證了天電與地電是統(tǒng)一的定量研究的開始定量研究的開始一、反平方定律的提出l1750年前后，彼得堡科學(xué)院院士埃皮努斯在實驗中發(fā)現(xiàn)；當(dāng)發(fā)生相互作用的電荷之間的距離縮短時，兩者之間的吸引力和排斥力便增加。l1766年富蘭克林寫信給他在德國的一位朋友普利斯特利（公元1733一1804），介紹了他在實驗中發(fā)現(xiàn)在金屬杯中的軟木球完全不受金屬杯電性的影響的現(xiàn)象。他請普利斯特利給予驗證。 l1769年，英國愛丁堡大學(xué)的約翰羅比森直接用實驗推測到了平方反比律。但是，這個發(fā)現(xiàn)很晚之后才發(fā)表出來。l英國科學(xué)家卡文迪許在1772年做了一個電學(xué)實驗，他用一個金屬球殼使之帶電，發(fā)現(xiàn)電荷全部分布在球殼的外表面，球腔中

8、任何一點都沒有電的作用。定量研究的開始定量研究的開始二、庫倫定律的建立l法國物理學(xué)家?guī)靵觯ü?7361806），起先致力于扭轉(zhuǎn)和摩擦方面的研究。由于發(fā)表了有關(guān)扭力的論文，于1781年當(dāng)選為國家科學(xué)院院士。他從事研究毛發(fā)和金屬絲的扭轉(zhuǎn)彈性。1784年法國科學(xué)院發(fā)出船用羅盤最優(yōu)結(jié)構(gòu)的懸獎?wù)魑?，庫侖轉(zhuǎn)而研究電力和磁力問題。l1785年庫侖自制了一臺精巧的扭秤，作了電的斥力實驗，建立了著名的庫侖定律：兩電荷之間的作用力與其距離的平方成反比，和兩者所帶電量的乘積成正比。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)一、伽伐尼電流的發(fā)現(xiàn) l意大利生理學(xué)家伽伐尼（ 公元17371798），1780年在解剖青蛙時偶然發(fā)現(xiàn)了“

9、動物電”。有一次伽伐尼將剝?nèi)テさ那嗤芊旁诮饘侔迳?，他的一位助手把解剖刀的刀尖碰到青蛙腿上的神?jīng)，蛙腿發(fā)生了劇烈的痙攣。另一位助手發(fā)現(xiàn)不遠(yuǎn)地方的起電機上發(fā)生了一個火花。伽伐尼知道后，立即重做了這個實驗，觀察到同樣的現(xiàn)象。l總結(jié)出，動物體內(nèi)存在著一種特殊的電液，金屬只是起著傳導(dǎo)的作用，這種電液后來被稱為動物電或伽伐尼電。 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)二、電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn) l丹麥物理學(xué)家奧斯特（公元17771851）首次發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)，揭開了電和磁兩種現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，從此開始了電磁學(xué)的真正研究。 l1820年4月在一次關(guān)于電和磁的講課快結(jié)束時，他抱著試試看的心情做了實驗，在一根根細(xì)的鉑絲導(dǎo)線的下面放

10、一個用玻璃罩罩著的小磁針，用伽伐尼電池將鉑絲通電，他發(fā)現(xiàn)磁針偏轉(zhuǎn)，這現(xiàn)象雖然未引起聽講人的注意，卻使他非常激動！l此后奧斯特花了三個月的時間，連續(xù)作了六十多個有關(guān)實驗，終于在1820年7月發(fā)表了題為電的沖突對磁針的作用的一些實驗的論文，向科學(xué)界宣布了“電流的磁效應(yīng)”。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)三、安培定律與分子電流假說 法國物理學(xué)家安培（公元17751836）出生于里昂附近一個商人家庭。少年時代就表現(xiàn)出驚人的記憶力和非凡的數(shù)學(xué)才能，完全靠自學(xué)而獲得自然科學(xué)、哲學(xué)、歷史和文學(xué)等方面的豐富知識。1799年開始一邊擔(dān)任教學(xué)工作一邊對數(shù)學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，1808年擔(dān)任法國帝國大學(xué)總督學(xué)，1809年成

11、為巴黎工藝大學(xué)數(shù)學(xué)教授，1814年成為法國科學(xué)院院土，1824年擔(dān)任法蘭西學(xué)院實驗物理學(xué)教授，1827年被選為英國皇家學(xué)會會員。由于他在電學(xué)上的杰出成就，人們用他的名字來命名電流強度的單位。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)安培在聽了阿拉果的介紹以后，第二天重復(fù)了奧斯特的實驗，并加以發(fā)展。實驗進(jìn)展非常迅速，在短短的二十天內(nèi)，取得了一系列重大成果，寫成三篇論文，在9月18日、9月25日和10月9日的科學(xué)院會議上，連續(xù)報告了他的重大發(fā)現(xiàn)。安培重復(fù)作了電流對磁針作用的實驗，從中發(fā)現(xiàn)磁針轉(zhuǎn)動的方向與電流方向的關(guān)系服從右手定則，后人稱它為安培右手定則。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)l 安培在假設(shè)了兩個電流元之間

12、的相互作用力沿著它們的連線和上述四個實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了兩個電流元之間的作用力正比于它們的長度和電流強度，而與它們之間距離的平方成反比的公式，即提出了著名的安培定律。l他進(jìn)一步去尋找電磁現(xiàn)象的本質(zhì)原因，在1821年1月，提出了著名的分子電流假說，認(rèn)為每個分子的圓形電流形成一個小磁體，當(dāng)它們在外磁場的作用下呈規(guī)則排列時，就使物體呈現(xiàn)出宏觀磁性。 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)l在安培提出電流元相互作用之前，法國科學(xué)家畢奧和沙伐爾于10月30日，在法國科學(xué)院的會議上報告了，載流長直導(dǎo)線對磁極的作用正比于電流強度，反比于它們之間距離的實驗成果，后來法國數(shù)學(xué)家拉普拉斯應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，幫助他們把實驗結(jié)果提

13、到理論的高度，得出了畢奧沙伐爾拉普拉斯定律。l安培總結(jié)了當(dāng)時有關(guān)動電研究的成果，于1822年發(fā)表了電動力學(xué)的觀察匯編，1827年發(fā)表了電動力學(xué)原理概論，為以后建立電動力學(xué)系統(tǒng)理論作出了奠基性的貢獻(xiàn)。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)四、歐姆定律的確立 德國物理學(xué)家歐姆（公元1787一1854），出生于鎖匠家庭，1805年進(jìn)人埃爾蘭根大學(xué)學(xué)習(xí)，1811年取得哲學(xué)博士學(xué)位。他一邊擔(dān)任中學(xué)教師一邊進(jìn)行科學(xué)研究。1833年被聘為紐倫堡理工學(xué)院物理教授，1841年英國皇家學(xué)會授予他柯普利獎?wù)拢?849年他被聘為慕尼黑大學(xué)教授，終生未婚。后來人們?yōu)榱思o(jì)念他，以他的名字命名電阻單位。 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

14、五、法拉第與電磁感應(yīng)現(xiàn)象 、“衰減”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) l1824年阿拉果用一條磁針作成單擺，讓它在靜止的金屬盆上面按一定頻率擺動，發(fā)現(xiàn)它的運動像受到阻礙作用一樣很快衰減下來。1825年讓上述實驗裝置中的金屬盆轉(zhuǎn)動，發(fā)現(xiàn)磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，甚至?xí)鬟B續(xù)轉(zhuǎn)動。l1825年塞貝克用一塊磁鐵做成單擺，放在金屬附近擺動，他發(fā)現(xiàn)單擺擺動的振幅衰減要比附近沒有金屬時快得多。 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)五、法拉第與電磁感應(yīng)現(xiàn)象 、法拉第及其主導(dǎo)思想 英國實驗物理學(xué)家法拉第（公元17911867），出生于倫敦附近的一個鐵匠家庭，因為家庭貧窮，小學(xué)沒有畢業(yè)就到倫敦一家書店當(dāng)裝訂書的學(xué)徒，利用書店的有利條件，爭取空余時間努

15、力學(xué)習(xí)，他從閱讀科學(xué)書籍中獲得了豐富的知識，尤其是大英百科全書和化學(xué)漫談這兩本書使他收益不淺。l 1820年奧斯特實驗對法拉第影響很大，從此他開始了電磁方面的研究，他工作了四十年，在電磁學(xué)方面的實驗研究成果，全部匯總在他的巨著電學(xué)的實驗研究中，此書共三十篇分為三卷分別于1839、1844、1855年出版，此外，法拉第還寫了極為詳細(xì)的日記共8冊，其中如實地記錄了他的研究設(shè)想、計劃、成果和實驗經(jīng)過，記錄了他的成功經(jīng)驗和失敗的教訓(xùn)。l 由于法拉第在研究工作上的成就，于1821年被推選為皇家學(xué)院實驗室主任；1824年被選為皇家學(xué)會的會員；1825年任皇家研究院院長；1846年榮獲倫福德獎?wù)潞突始覄渍隆?/p>

16、人們?yōu)榱思o(jì)念他，以他的名字命名了電容的單位。l 十九世紀(jì)初，歐洲哲學(xué)家提出“自然力”之統(tǒng)一的思想。這種思想對法拉第影響很深，使法拉第形成了對物理力的統(tǒng)一性、不可破滅性和可轉(zhuǎn)移性的觀念電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)l從1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象到1851年確立電磁感應(yīng)定律，歷經(jīng)20年。 l德國物理學(xué)家楞茨（公元18041865）要在獲悉法拉第的發(fā)現(xiàn)之后，重作了許多實驗，于1832年發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電動勢與線圈的直經(jīng)，繞組導(dǎo)線的直徑和材料都沒關(guān)系。1833年提出了確定感生電流方向的法則，即“楞茨定律”。這個定律是電磁感應(yīng)符合能量轉(zhuǎn)換和守恒定律的具體表現(xiàn)。 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的

17、發(fā)現(xiàn)六、力線與場的概念 l法拉第不相信超距作用的觀點，為了對電、磁現(xiàn)象作出正確的解釋，他提出了場的概念和力線的圖象。 l他用電力線和磁力線來形象地表示電場和磁場的物理圖象。力線上任一點的切線方向就是場強的方向，力線密的地方，場強就強；力線疏的地方，場強就弱。場源不變時，力線圖也不變，場源變化時。力線也發(fā)生變化。 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)法拉第關(guān)于場的概念和力線的圖象，為以后麥克斯韋從數(shù)學(xué)上建立電磁場理論奠定了基礎(chǔ)。JJ湯姆遜對法拉第的力線評價很高，他說：“在法拉第的許多貢獻(xiàn)中，最偉大的一個就是力線概念了。我想電場和磁場的許多性質(zhì)，借助它就可以最簡單而且富有暗示性地表示出來”。自從法拉第建立

18、了場的概念和力線的圖象以后，超距作用的觀點逐漸衰敗，而新型的近距作用的觀點日益強化和完善。電磁場理論的建立與檢驗電磁場理論的建立與檢驗一、麥克斯韋l英國理論物理學(xué)家麥克斯韋（公元18311879），1831年11月13日生于蘇格蘭的愛丁堡。他的父親是一個知識淵博的律師，使麥克斯韋從小受到良好的教育，在中學(xué)學(xué)習(xí)期間，麥克斯韋在數(shù)學(xué)和詩歌兩門課程的成績特優(yōu)秀。14歲時就在愛丁堡皇家學(xué)會會刊上發(fā)表了一篇關(guān)于二次曲線作圖問題的論文。第一次顯露出他出眾的才華，1847年麥克斯韋進(jìn)入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理、1850年轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)，成為著名數(shù)學(xué)家霍普金斯的研究生。電磁場理論的建立與檢驗電磁場理論的建立與檢

19、驗l1854年以第二名的畢業(yè)成績獲得史密斯獎金，畢業(yè)后麥克斯韋就開始了電磁學(xué)的研究。1856年在馬瑞斯凱學(xué)院任自然哲學(xué)教授，1860年到倫敦皇家學(xué)院任自然哲學(xué)和天文學(xué)教授，這期間他有機會拜訪同一學(xué)院工作的法拉第，他信服法拉第的物理思想。1865年麥克斯韋辭去教授職務(wù)，專心總結(jié)關(guān)于電磁學(xué)的研究成果，完成了電磁場理論的經(jīng)典巨著論電和磁并于1873年出版。l1871年麥克斯韋被聘為劍橋大學(xué)物理實驗室主任，負(fù)責(zé)籌建卡文迪許實驗室，1874年被任命為第一任主任。1879年11月5日，麥克斯韋因得癌癥而病故。l麥克斯韋雖然只活了49歲，但他卻寫了許多篇論文，在物理學(xué)方面他的主要貢獻(xiàn)是電磁場理論和光的電磁學(xué)

20、說。人們?yōu)榱思o(jì)念他，把磁通量的單位命名為“麥克斯韋”。電磁場理論的建立與檢驗電磁場理論的建立與檢驗二、電磁場理論的建立l麥克斯韋系統(tǒng)地研究了前人關(guān)于電磁學(xué)的實驗成果和理論成就，以他非凡的數(shù)學(xué)才能，嚴(yán)密的邏輯推理，建立了完整的電磁場理論。他共發(fā)表了四篇關(guān)于電磁場理論的論文，從這四篇文章中，可以看出麥克斯韋對電磁場理論的建立不是一蹴而成的，而是不斷探索，不斷深入研究才取得最后的成功。 l1855年，麥克斯韋發(fā)表了論法拉第的力線的第一篇論文，麥克斯韋運用類比的方法，把電磁學(xué)與流體力學(xué)作比較，他把正負(fù)電荷比作流體的源和溝、電力線比作流管、電場比作流速等。從而麥克斯韋用數(shù)學(xué)重新概括了歐姆定律等六條基本定律。電磁場理論的建立與檢驗電磁場理論的建立與檢驗l1862年，麥克斯韋發(fā)表了論物理的力線的第二篇論文。提出“位移電流”的假說。 l1865年，麥克斯韋發(fā)表了電磁場動力學(xué)的第三篇論文，他用場論的觀點對電磁理論進(jìn)行了總結(jié)，他認(rèn)為電磁相互作用，僅與距離有關(guān)而且依賴于相對速度，因此應(yīng)該從帶電體和磁體周圍的媒質(zhì)中發(fā)生的過程來考慮問題，而不以超距作用為出發(fā)點，從而提出了電磁場理論。 電磁場理論的建立與檢驗電磁場理論的建立與檢驗l麥克斯韋為了對電磁現(xiàn)象能夠