自然科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)課件第四章-電與磁

1、第四章 電與磁自然科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)目錄第一節(jié)電與磁的現(xiàn)象第二節(jié)庫侖定律第三節(jié)歐姆定律和安培定律第四節(jié)電磁感應(yīng)現(xiàn)象和麥克斯韋的電磁理論第五節(jié)無線電波本章導(dǎo)讀人類對(duì)電、磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)、研究以至利用，經(jīng)歷了相當(dāng)長的歷史時(shí)期。開始人們對(duì)電、磁的認(rèn)識(shí)發(fā)展得十分緩慢，在較長的時(shí)期內(nèi)僅僅停留在觀察電作用、磁作用的現(xiàn)象方面。真正對(duì)電磁現(xiàn)象的研究自16世紀(jì)開始，然而其研究方法也很原始；對(duì)電磁的近代科學(xué)方法研究直到18世紀(jì)才開始。目標(biāo)透視1.了解兩種電荷的吸引和排斥。2.掌握庫侖定律、歐姆定律、安培定律。3.熟悉法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象。4.了解麥克斯韋的電磁理論。5.了解無線電技術(shù)的發(fā)展。第一節(jié) 電與磁的現(xiàn)象一、吉爾伯特對(duì)

2、磁和電的研究在古代，人們就已經(jīng)知道了一些電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象。有些經(jīng)過摩擦的物體，如用絲綢摩擦過的玻璃棒、用毛皮摩擦過的膠木棒，能吸引輕小物體(如紙屑、燈草屑等)。當(dāng)物體具有這種吸引輕小物體(如紙屑、燈草屑等)的性質(zhì)時(shí)，我們就說它帶了電，或有了電荷。人們對(duì)類似的電磁現(xiàn)象雖有不少的知識(shí)記載，但多數(shù)屬于定性的觀察和認(rèn)識(shí)。真正對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究，是到歐洲文藝復(fù)興時(shí)期才開始的，第一批系統(tǒng)的科學(xué)研究工作是被稱為“磁學(xué)之父”的英國人威廉吉爾伯特進(jìn)行的。吉爾伯特在40歲左右時(shí)，對(duì)磁和電產(chǎn)生了濃厚的興趣，花費(fèi)了18年或更長的時(shí)間進(jìn)行了關(guān)于磁和電的研究，于1600年出版了他的巨著論磁，開創(chuàng)了電磁學(xué)研究的新紀(jì)

3、元。他系統(tǒng)地觀察了電和磁現(xiàn)象，并經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出了一些經(jīng)驗(yàn)性的結(jié)論。他指出：(1)只有磁性物體才具有磁的吸引和斥力。(2)磁體恒有南北兩極；同名極相斥，異名極相吸；不能找到單獨(dú)的磁極。(3)鐵制物品在磁體的影響下會(huì)磁化。這是在英國誕生的第一部重要的物理學(xué)著作，它曾引起了同時(shí)代許多科學(xué)家的重視。伽利略在他的對(duì)話一書中稱吉爾伯特的著作“偉大到令人妒忌”，開普勒也曾在他的新天文學(xué)中多次提到并贊揚(yáng)了吉爾伯特的工作。吉爾伯特把電和磁加以比較，發(fā)現(xiàn)它們有以下幾個(gè)方面的深刻差異：(1)磁性質(zhì)是磁體本身具備的一種性質(zhì)，而電性質(zhì)是需要通過摩擦來激發(fā)的。(2)磁石只對(duì)可以磁化的物質(zhì)有力的作用，而帶電體可以吸引任

4、何輕小的物體。(3)磁體之間的作用不受中間的紙片、亞麻布等物體的影響；當(dāng)帶電體浸在水中時(shí)，電力的作用消失，而磁體浸在水中磁力不會(huì)消失。(4)磁力是一種定向力，而電力是一種移動(dòng)力。吉爾伯特還制作了第一只實(shí)驗(yàn)用的驗(yàn)電器。他用一根極細(xì)的金屬棒，中心固定在支座上，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，由于金屬棒極輕，因此當(dāng)摩擦后的帶電物體靠近它時(shí)，金屬棒會(huì)被吸引而向帶電體轉(zhuǎn)來。由此可以以金屬棒是否轉(zhuǎn)動(dòng)探測物體是否帶電。二、兩種電荷的發(fā)現(xiàn)1663年，蓋利克制造的第一臺(tái)能產(chǎn)生大量電荷的摩擦起電機(jī)。它是用一只帶有轉(zhuǎn)動(dòng)軸的硫黃球放在一個(gè)支架上制成的，起電時(shí)一手使硫黃球轉(zhuǎn)動(dòng)，一手放在硫黃球上與轉(zhuǎn)動(dòng)的球發(fā)生摩擦，結(jié)果人體和硫黃都帶上了電

5、。蓋利克就是使用他發(fā)明的起電機(jī)發(fā)現(xiàn)了摩擦產(chǎn)生的電可以通過一根金屬桿傳給其他物體。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)帶電體能吸引輕小物體，對(duì)輕小物體也有排斥作用，從而糾正了吉爾伯特的觀點(diǎn)。約在1720年，英國的斯蒂芬格雷重新發(fā)現(xiàn)了電沿某些物體傳播的事實(shí)，并引入了導(dǎo)體這一概念。他還發(fā)現(xiàn)不是任何物體都具有傳播電的性質(zhì)。于是，他把物質(zhì)分為兩類：一類是非電性物體(導(dǎo)體)；另一類是電性物體(非導(dǎo)體)。1729年，格雷還發(fā)現(xiàn)了電荷分布在導(dǎo)體表面的事實(shí)。1733年，杜菲發(fā)現(xiàn)絕緣的金屬也可以通過摩擦的方法起電，他認(rèn)為所有的物體都可以摩擦起電。為了對(duì)電現(xiàn)象作深入的研究，杜菲對(duì)吉爾伯特首先制作的驗(yàn)電器作了改進(jìn)，他將金屬棒用金箔代替，用它對(duì)

6、摩擦后帶電的玻璃棒及琥珀做檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩者產(chǎn)生的電是不同的。他總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，有兩種實(shí)質(zhì)不同的電：一種電是在玻璃、寶石、毛皮和其他物質(zhì)上出現(xiàn)，稱為“玻璃電”；另一種電表現(xiàn)在琥珀、蟲漆、絲等物上，稱為“樹脂電”。兩種電的特殊標(biāo)志是同種電互相排斥，而異種電互相吸引。不帶電的物體可以從另一帶電物體獲得電性，兩者所帶電性是相同的。三、“天電”與“地電”的統(tǒng)一18世紀(jì)中葉，起電裝置的改善和大氣電現(xiàn)象的研究，吸引了許多物理學(xué)家的興趣。（一）萊頓瓶的發(fā)現(xiàn)人們?cè)陔姮F(xiàn)象的研究中常常遇到這樣的問題，好不容易獲得的電荷，往往會(huì)在空氣中逐漸地消失，于是就非常想尋找一種貯電儀器?！叭R頓瓶”就是在人們的這種迫切愿望下發(fā)明

7、出來的，這也是電學(xué)發(fā)展史上重要的一步。1745年，德國物理學(xué)家克萊斯特有一次用導(dǎo)線將摩擦所起的電引向裝有鐵釘?shù)牟Ａ俊．?dāng)他后來用手觸及鐵釘時(shí)，受到猛烈的一擊。幾個(gè)月后在荷蘭萊頓大學(xué)，物理學(xué)家穆欣布羅克也提出了類似的發(fā)現(xiàn)。他在一次試圖用起電機(jī)使玻璃瓶內(nèi)的水帶電時(shí)，也受到了猛烈的電擊。并由此得出結(jié)論：把帶電體放在玻璃瓶內(nèi)，可以把電保存下來。但當(dāng)時(shí)還搞不清楚起保存電作用的究竟是瓶子還是瓶內(nèi)的水，人們把這樣可以蓄電的瓶子稱為“萊頓瓶”，這就是最初的電容器。后來，萊頓瓶實(shí)驗(yàn)被人們重復(fù)進(jìn)行著并逐步完善，如將瓶內(nèi)放鹽水，瓶內(nèi)外貼錫箔，以至于發(fā)展成為各種形式的電容器，使之在物理學(xué)和電子技術(shù)方面得到了廣泛的應(yīng)用

8、。萊頓瓶的發(fā)現(xiàn)為科學(xué)界提供了一種貯電的有效方法，一方面為進(jìn)一步研究電現(xiàn)象提供了條件，另一方面對(duì)電知識(shí)的傳播也起到了重要的促進(jìn)作用。（二）“天電”和“地電”萊頓瓶的發(fā)展及其放電現(xiàn)象為研究大氣電現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。1746年，倫敦有一位名叫考林森的人，通過郵寄向遠(yuǎn)在美國費(fèi)城的朋友本杰明富蘭克林贈(zèng)送了一只萊頓瓶，并在信中向他介紹了使用方法。這樣，用萊頓瓶進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)很快就傳到了北美。富蘭克林是美國18世紀(jì)名列華盛頓之后的最著名的人物，他的才華不僅在政治和外交方面，而且在電的研究中也充分顯露出來。富蘭克林對(duì)收到來自倫敦的萊頓瓶以及它所帶來的電學(xué)知識(shí)極感興趣，他利用萊頓瓶做了一系列的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，1747

9、年發(fā)表了關(guān)于萊頓瓶功效分析的文章。在實(shí)驗(yàn)中，證明了異種電荷可以相消，他得出正電荷和負(fù)電荷沒有什么本質(zhì)差異，認(rèn)為當(dāng)一個(gè)物體有了過剩的“電火”就帶正電，“電火”不足就帶負(fù)電。富蘭克林創(chuàng)造的“正電”和“負(fù)電”的術(shù)語為定量研究電現(xiàn)象提供了一個(gè)基礎(chǔ)。同時(shí)，他的理論包含了正確的思想，即電荷既不能創(chuàng)生也不能消滅，這就是通常所說的電荷守恒原理。富蘭克林的理論能夠解釋當(dāng)時(shí)人們已知的絕大多數(shù)靜電現(xiàn)象。富蘭克林對(duì)大氣中的雷和閃電也進(jìn)行了研究，統(tǒng)一了“地電”和“天電”。1749年初夏，富蘭克林進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，閃電與萊頓瓶實(shí)驗(yàn)發(fā)生的電火花有許多相似之處，兩者都是瞬時(shí)的，并且產(chǎn)生相似的光和聲；它們都能使物體著火

10、，都能熔解金屬；它們都能流過導(dǎo)體，特別是金屬，并且都集中在物體的尖端；都含有硫黃氣味；都能破壞磁性或使磁體的極性倒轉(zhuǎn)過來；又都能殺死生物等。為了進(jìn)一步研究閃電，他建議以尖端作用引下閃電。于是在1752年7月，富蘭克林進(jìn)行了物理學(xué)史上著名的費(fèi)城實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)雷電交加的天氣里，費(fèi)城郊外一間四面無墻的小木棚下，富蘭克林與他的兒子一起以大無畏的獻(xiàn)身精神將一只用絲綢制成的大風(fēng)箏放上了天空。風(fēng)箏頂端安裝了一根尖細(xì)的鐵絲，用來引天電。風(fēng)箏的拉線是一根粗糙的麻繩，雨打濕后就相當(dāng)于一根導(dǎo)線，繩子的末端接上一根絲綢帶充當(dāng)絕緣體，絲綢帶的一端拉在富蘭克林手中，在麻繩和絲綢帶的接頭處，拴上了一把金屬鑰匙并塞在萊頓瓶里，

11、準(zhǔn)備用天電給萊頓瓶充電。隨著一道道長長的閃電，富蘭克林發(fā)現(xiàn)麻繩上松散的纖維絲紛紛向四周豎起，當(dāng)他用指關(guān)節(jié)靠近鑰匙時(shí)，火花則向其手上飛來，同時(shí)覺得身體發(fā)麻。他認(rèn)定“天電”終于被捉下來了。富蘭克林隨后利用萊頓瓶充的“天電”，進(jìn)行了各種電學(xué)實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)“天電”具有和“地電”同樣的性質(zhì)，從而證明了“天電”與“地電”的一致性。富蘭克林統(tǒng)一“天電”和“地電”實(shí)驗(yàn)的成功，使得科學(xué)界大為震驚，大大激發(fā)了人們對(duì)電現(xiàn)象研究的興趣。但是這一實(shí)驗(yàn)也驚動(dòng)了教會(huì)，他們斥責(zé)富蘭克林冒犯神權(quán)，是對(duì)上帝和雷公的大逆不道。富蘭克林全然不顧教會(huì)的反對(duì)和威脅，仍堅(jiān)持研究，提出了用避雷針保護(hù)建筑物的建議，于1754年制造出世界上第一個(gè)

12、避雷針。這是人類應(yīng)用電學(xué)研究為自身服務(wù)的第一個(gè)著名的實(shí)例，它促進(jìn)了整個(gè)電學(xué)研究的發(fā)展。第二節(jié) 庫侖定律一、平方反比關(guān)系的提出18世紀(jì)中葉以后，人們?cè)谝阎N電荷相斥、異種電荷相吸的基礎(chǔ)上，開始對(duì)電荷之間相互作用的定量規(guī)律進(jìn)行研究。這種研究如果純粹從理論上去猜測顯然是行不通的，必須要對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行理論上的分析。1750年前后，德國柏林科學(xué)院院士埃皮諾斯在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)現(xiàn)象：第一個(gè)現(xiàn)象是當(dāng)發(fā)生相互作用的電荷之間的距離縮短時(shí)，兩者之間的吸引力和排斥力便增加；第二個(gè)現(xiàn)象為當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體移近一個(gè)帶電荷而不與它接觸時(shí)，該導(dǎo)體的遠(yuǎn)端會(huì)獲得與帶電體相同種類的電荷，其近端則獲得與帶電體相反種類的電荷，這就是靜電

13、感應(yīng)現(xiàn)象。1766年，富蘭克林寫信給他的德國朋友普利斯特利，介紹了他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)放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(qǐng)普利斯特利給予驗(yàn)證。1766年12月21日，普利斯特利從一系列實(shí)驗(yàn)中證明：當(dāng)中空的金屬容器帶電時(shí)，除了靠近開口的地方外，金屬容器內(nèi)表面上沒有任何電荷，它對(duì)空腔內(nèi)部的電荷沒有作用力。在這以前牛頓已經(jīng)證明：如果引力是隨著到引力中心的距離平方而減弱的話，中空的球狀體對(duì)于空腔內(nèi)部的物體就沒有引力作用。根據(jù)這樣的類比，普利斯特利猜測電的作用力也遵守平方反比定律。這是一個(gè)大膽的推理假設(shè)，普利斯特利本人沒有加以證明，但這為后來的物理學(xué)家提供了一個(gè)研究方向。1769年，英國愛

14、丁堡大學(xué)的約翰羅賓森用直接的實(shí)驗(yàn)推測了反平方關(guān)系。他確定了同種電荷的斥力反比于電荷間距的206次冪，異種電荷的吸引力反比于電荷間距的2次冪。由此他推測到正確的關(guān)系應(yīng)反比于距離的2次冪，即是反平方的。富蘭克林的電荷守恒定律及普利斯特利電荷吸引定律和羅賓森的推測把電學(xué)的研究推動(dòng)上升到了精確科學(xué)的地位，開始了近代電磁理論的研究。正是在這個(gè)基礎(chǔ)上，才有可能建立庫侖定律。二、庫侖定律的建立（一）卡文迪許的貢獻(xiàn)卡文迪許是第一個(gè)成功地測量出萬有引力的人，在化學(xué)和電學(xué)方面也是一個(gè)開拓者，曾被物理學(xué)家畢奧稱為“最富有的學(xué)者，最有學(xué)問的富翁”。18世紀(jì)70年代，卡文迪許曾獨(dú)自做過許多靜電實(shí)驗(yàn)。1773年，他做了電

15、荷只分布在金屬球表面上的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)球不帶電，電荷全部分布在外球殼的外表面上。卡文迪許同時(shí)從這個(gè)實(shí)驗(yàn)的分析中得出了反平方的結(jié)論，但他的重大成果都沒有及時(shí)發(fā)表。直到19世紀(jì)中葉，英國物理學(xué)家威廉湯姆遜勛爵才在卡文迪許的手稿中發(fā)現(xiàn)了一些極珍貴的資料。這些資料表明卡文迪許確實(shí)對(duì)電學(xué)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。直到1879年英國物理學(xué)家麥克斯韋才整理、注釋出版了這些手稿。（二）庫侖的實(shí)驗(yàn)早在1777年，法國物理學(xué)家查理庫侖就對(duì)毛發(fā)和金屬線的扭轉(zhuǎn)問題進(jìn)行了深入的研究。1779年，他研究了摩擦力，得到了后來以他的名字命名的摩擦定律。1785年，庫侖在研究改進(jìn)當(dāng)時(shí)船用的支架式羅盤時(shí)，認(rèn)為解決這個(gè)問題的關(guān)

16、鍵在于減少指針和支架間的摩擦力，提出了用頭發(fā)絲或絲線懸掛磁針的方法。同一年，他又利用自己有關(guān)扭力方面的知識(shí)，自行設(shè)計(jì)、制作了一臺(tái)精度較高的扭秤，并用它來測定電荷之間的相互作用力。庫侖用扭秤多次測定了這些等量同種電荷間的排斥力，得到了兩個(gè)電荷間斥力的大小與它的距離的平方成反比，與它們所帶電量的乘積成正比的結(jié)論。關(guān)于異種電荷之間的引力，用扭秤來測量時(shí)遇到了困難，因?yàn)榻饘俳z扭轉(zhuǎn)的回復(fù)力矩僅與角度的一次方成比例，這就不能保持扭秤穩(wěn)定。庫侖為此費(fèi)了不少心思，后來他把電的吸力和地球?qū)ξ矬w的引力加以類比，從單擺受地球引力而擺動(dòng)的事實(shí)得到啟發(fā)，即單擺的振動(dòng)周期與物體離地心的距離成正比。庫侖認(rèn)為異種電荷之間的引

17、力如果也遵循平方反比關(guān)系，就可用與單擺相類似的方法來測定。為此，他設(shè)計(jì)了一種“電擺”實(shí)驗(yàn)，庫侖通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并排除了漏電的影響而得出結(jié)論：電的吸引力和電的排斥力一樣，都遵守平方反比定律，從而完整地得出了庫侖定律，即F=kQ1Q2r2其中k=9109牛米2庫2。按上式求出的作用力，如果為正，表示兩電荷相斥；反之，如果為負(fù)，則表示兩電荷相吸。庫侖定律的建立，使電磁學(xué)進(jìn)入定量的研究，從而使電磁學(xué)真正成為一門科學(xué)，并為數(shù)學(xué)引入電磁學(xué)打開了道路，為繼續(xù)發(fā)展電動(dòng)力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。庫侖定律是電磁學(xué)中的一個(gè)基本定律，它是電磁理論的基礎(chǔ)，如果不成立，電磁學(xué)就完全是另一種模樣了。由于庫侖定律的地位太重要，所以電荷間

18、的作用力是不是絕對(duì)的平方反比關(guān)系，這個(gè)課題一直為歷代物理學(xué)家所高度重視。平方反比律的驗(yàn)證迄今仍未停止，而且隨著實(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)步、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，這種驗(yàn)證越做越精確。第三節(jié) 歐姆定律和安培定律一、伏打電堆伏打是電學(xué)方面勤奮的實(shí)驗(yàn)家。早年他曾經(jīng)對(duì)已有的驗(yàn)電器進(jìn)行改造，制成了一種能測定微量電荷的驗(yàn)電器。1775年，他又利用靜電感應(yīng)原理發(fā)明了起電盤。根據(jù)電的相關(guān)知識(shí)，伏打用一些小杯，杯中盛有鹽水，把一些一端是銅、一端是鋅的金屬條彎成“兀”形，讓銅端浸入一只杯中，鋅端浸入另一只杯中，再用導(dǎo)線將銅端和鋅端連接起來，就有電流產(chǎn)生，這就是世界第一個(gè)電源伏打電池。為了制成具有更高電壓的電池，他又不斷地進(jìn)行改進(jìn)。后

19、來，伏打用稀酸代替鹽水，用浸過稀酸液的圓形厚紙片代替盛鹽水的杯，并用銅、鋅等金屬制成片狀的圓形電極，再將浸過稀酸液的厚紙片放在銅片和鋅片之間，最后把許多這樣的裝置一一疊置起來，制成了著名的伏打電堆。伏打電堆的發(fā)明，為人們獲得比較穩(wěn)定的持續(xù)電流提供了一個(gè)方法，使電學(xué)從對(duì)靜電的研究進(jìn)入到對(duì)動(dòng)電的研究導(dǎo)致了電化學(xué)、電磁聯(lián)系等一系列重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，在此過程中，電池本身也得到了完善，出現(xiàn)了蓄電池和其他更為有效的直流電機(jī)。二、歐姆定律在伏打電堆發(fā)明之后，人們就開始了對(duì)導(dǎo)線中電流規(guī)律進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。1826年，德國物理學(xué)家歐姆在研究導(dǎo)線中電流所遵從的規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)了后來以他的名字命名的重要定律歐姆

20、定律。歐姆最先通過實(shí)驗(yàn)研究了電流跟電壓、電阻的關(guān)系，并得出結(jié)論：導(dǎo)體中的電流跟加在導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟導(dǎo)體的電阻成反比，這就是歐姆定律。如果用I表示通過導(dǎo)體的電流，用U表示加在導(dǎo)體兩端的電壓，用R表示導(dǎo)體的電阻，歐姆定律可表示為I=UR式中電壓的單位是伏特（V），電流的單位是安培（A），電阻的單位是歐姆，簡稱歐（）。由于我們研究的是電路中某一部分導(dǎo)體上的規(guī)律，所以上述定律也叫做部分電路的歐姆定律。實(shí)驗(yàn)證明，歐姆定律適用于金屬和電解液導(dǎo)電的情況，對(duì)于氣體導(dǎo)電的情況則不適用。 三、電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)早在17世紀(jì)初，吉爾伯特在系統(tǒng)地研究電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象時(shí)，就仔細(xì)地對(duì)比了電和磁的性質(zhì)，并斷言電和磁是兩

21、種截然不同的現(xiàn)象，沒有什么一致性。18世紀(jì)，有的自然哲學(xué)家根據(jù)雷閃所產(chǎn)生的一些奇怪現(xiàn)象，猜測電和磁之間有某種形式的聯(lián)系。1731年7月，威克菲爾德的一位小商人描述了雷閃使他的一個(gè)箱子的刀、叉、鋼針磁化的現(xiàn)象。1751年，富蘭克林設(shè)想并實(shí)現(xiàn)了用萊頓瓶放電的辦法使焊條磁化，但是磁化作用是否直接由電流引起卻無從而知。富蘭克林發(fā)現(xiàn)的萊頓瓶放電能磁化鋼針的現(xiàn)象對(duì)奧斯特的啟發(fā)很大。他認(rèn)識(shí)到電向磁的轉(zhuǎn)化不是不可能的，關(guān)鍵是要找出電和磁轉(zhuǎn)化的具體條件。1820年4月某一天的晚上，奧斯特在講課快結(jié)束時(shí)，突然來了“靈感”，想把導(dǎo)線與磁針平行放置試一試。于是他把導(dǎo)線和磁針都沿地磁子午線方向放置好，并毫不猶豫地接上電

22、源，果然發(fā)現(xiàn)了電流附近的小磁針向垂直于導(dǎo)線的方向偏轉(zhuǎn)。開始，他懷疑是不是因電流使導(dǎo)線變熱而產(chǎn)生的空氣對(duì)流對(duì)磁針有影響。為了檢驗(yàn)這一點(diǎn)，他把一塊硬紙板放在導(dǎo)線和磁針之間，用以阻擋氣流，結(jié)果磁針依然偏轉(zhuǎn)。然后，他又把伏打電堆的電極調(diào)換了一下，當(dāng)導(dǎo)線中電流方向相反時(shí)，磁針的轉(zhuǎn)向也相反。這就使奧斯特確信電流和磁針之間存在相互作用力。為了進(jìn)一步弄清楚電流對(duì)磁針的作用，奧斯特花了3個(gè)月的時(shí)間，做了60多個(gè)實(shí)驗(yàn)，終于證明電流只能對(duì)磁性材料產(chǎn)生作用和電流所產(chǎn)生的磁力作用的橫向性質(zhì)。1820年7月，奧斯特發(fā)表了關(guān)于磁針上電流碰撞的實(shí)驗(yàn)的論文，這篇極其簡潔的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，向科學(xué)界宣告了“電流磁效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)與確立。奧斯

23、特的偉大發(fā)現(xiàn)，揭示了長期以來認(rèn)為不同性質(zhì)的電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，開創(chuàng)了把電學(xué)和磁學(xué)聯(lián)系起來的“電磁學(xué)”。法拉第后來在評(píng)價(jià)這一發(fā)現(xiàn)時(shí)說，“它猛然打開了一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的大門，那里過去是一片漆黑，如今充滿了光明。”人們?yōu)榱思o(jì)念這位博學(xué)多才的科學(xué)家，從1834年起用奧斯特的名字命名了磁場強(qiáng)度的單位。四、安培定律奧斯特的發(fā)現(xiàn)，極大地震動(dòng)了當(dāng)時(shí)歐洲的學(xué)術(shù)界。1820年8月，正在瑞士旅行的法國物理學(xué)家阿拉果聽到奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)的消息后，立即敏銳地感到這一成果的重要性，迅速于1820年9月初從瑞士趕回法國，向法國科學(xué)院作了報(bào)告，引起了法國科學(xué)界的巨大反響。因?yàn)殚L期以來，法國的物理學(xué)家們都信奉庫侖曾經(jīng)提

24、倡的信條，認(rèn)為電和磁是不可能發(fā)生相互作用的兩種現(xiàn)象。而奧斯特的這一發(fā)現(xiàn)，確實(shí)使他們得到了猛醒。尤其是當(dāng)時(shí)在科學(xué)上極其敏感、最能接受他人成果的法國物理學(xué)家安培對(duì)此作了更為異乎尋常的反應(yīng)。安培在聽到阿拉果的介紹后，隨即就重復(fù)了奧斯特的實(shí)驗(yàn)并加以發(fā)展，并于9月18日向法國科學(xué)院報(bào)告了第一篇論文，闡述了他重復(fù)做的電流對(duì)磁針作用的實(shí)驗(yàn)，并提出了圓形電流產(chǎn)生磁性的可能性；還報(bào)告了他從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的磁針轉(zhuǎn)動(dòng)方向和電流之間的關(guān)系。這被后人稱為安培定律。安培定律，也叫右手螺旋定律，是表示電流和電流激發(fā)磁場的磁感線方向間關(guān)系的定律。通電直導(dǎo)線中的安培定則（安培定律一）：用右手握住通電直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流的方向，

25、那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向；通電螺線管中的安培定則（安培定律二）：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。第四節(jié) 電磁感應(yīng)現(xiàn)象和麥克斯韋的電磁理論一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)自1820年奧斯特公布了他發(fā)明電流磁效應(yīng)消息后，迅即傳播到歐洲各國，促進(jìn)了各國科學(xué)的發(fā)展。法拉第通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和思考，特別是仔細(xì)地考察了奧斯特實(shí)驗(yàn)，終于認(rèn)識(shí)到，通電導(dǎo)線在磁場作用下不可能發(fā)生“自轉(zhuǎn)”。假如使磁體固定，則通電導(dǎo)線可能會(huì)繞磁體“公轉(zhuǎn)”；假如導(dǎo)線固定，則磁體可能會(huì)繞導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，他制作了“電磁旋轉(zhuǎn)器”。這比奧斯特更進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)，極大地鼓舞了法拉第對(duì)電和磁作深入

26、一步研究的熱情。法拉第在實(shí)現(xiàn)了電流使磁體轉(zhuǎn)動(dòng)后，聯(lián)系到磁鐵可以使鐵塊感應(yīng)帶磁，靜電可以使導(dǎo)體感應(yīng)帶電，電流能產(chǎn)生磁現(xiàn)象。在進(jìn)行了反復(fù)分析后，1822年，他又提出了“把磁變成電”這一嶄新的研究課題。1831年9月24日，法拉第在兩條磁棒的N、S極中間放上一繞有線圈的鐵棒，將線圈與電流計(jì)連接，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵棒離開或進(jìn)入磁棒兩極的瞬間，電流計(jì)的指針就會(huì)偏轉(zhuǎn)。4個(gè)星期后，他又用一個(gè)電流計(jì)接通線圈，將一永久磁棒迅速插入或抽出線圈時(shí)，發(fā)現(xiàn)電流計(jì)的指針也偏轉(zhuǎn)。法拉第一共做了幾十個(gè)類似的實(shí)驗(yàn)，最終認(rèn)識(shí)到了感應(yīng)現(xiàn)象的暫態(tài)性，提出了無論是導(dǎo)線中的電流還是磁場，只有變化時(shí)才能在另一靜止的導(dǎo)線中感應(yīng)出電流來，并概括地總結(jié)

27、了可以產(chǎn)生感應(yīng)電流的五種情況：變化著的電流；變化著的磁場；運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流；運(yùn)動(dòng)的磁鐵；在磁場中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體。同時(shí)，他正確地指出了感應(yīng)電流與原電流變化有關(guān)，而不是與原電流本身有關(guān)。法拉第將此與導(dǎo)體上的感應(yīng)電荷作了類比，把上述現(xiàn)象定名為“電磁感應(yīng)”。由此，法拉第作出了電磁感應(yīng)現(xiàn)象這一劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)。閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)現(xiàn)象，其本質(zhì)是閉合電路中磁通量的變化。由電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對(duì)其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場之間的聯(lián)系，對(duì)麥克斯韋電磁場理

28、論的建立具有重大意義。電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工技術(shù)、電子技術(shù)及電磁測量等方面都有廣泛的應(yīng)用。二、場和力線概念的建立為了從理論上解釋當(dāng)時(shí)已知的電磁現(xiàn)象，特別是電磁相互作用力是怎樣傳遞的問題，法拉第提出了一種與傳統(tǒng)的超距作用觀點(diǎn)完全相反的全新的物理概念和物理圖像，這就是“場”和“力線”。從牛頓開始，人們就認(rèn)為萬有引力、電荷間的相互作用力等這些不接觸力，其作用都是瞬時(shí)的，不需要什么媒介來傳遞，即所謂超距作用。并且后來超距作用的觀點(diǎn)在電學(xué)和磁學(xué)的研究中又得到了進(jìn)一步的強(qiáng)化，如富蘭克林、庫侖、安培等這些對(duì)電磁學(xué)作過重大貢獻(xiàn)的科學(xué)家對(duì)此都深信不疑。然而，法拉第卻反對(duì)超距作用的觀點(diǎn)，認(rèn)為物質(zhì)之間的電、磁力是需要由

29、媒介傳遞的近距作用。他在大量的相互作用實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電作用或磁作用跟帶電體或磁體或電流之間的電介質(zhì)有關(guān)，電介質(zhì)不同，作用力就不一樣。1831年11月24日，法拉第在向英國皇家學(xué)院宣讀他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的論文時(shí)，開始使用“磁力線”這個(gè)詞。他稱磁力線是這樣一些曲線：“它們能用鐵屑描繪出來，或者對(duì)于它們來說，一根小磁針將構(gòu)成一條切線?！彼怯么帕€和電致緊張狀態(tài)這些概念來說明電磁感應(yīng)規(guī)律的。法拉第在實(shí)驗(yàn)中大量地用鐵屑顯示磁力線，并把磁力線作為思考問題的工具。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，他對(duì)磁力線的概念和認(rèn)識(shí)也逐步深入。1832年3月26日，他在日記中指出：與磁力線類似，在帶電體之間有電力線。法拉第不僅引入了力線這一重要

30、概念，而且提出了“磁場”這個(gè)詞。他在日記中寫道：“當(dāng)封蠟或石棉或紙?zhí)幵诖艌鲋袝r(shí)，如果在(磁鐵的電流)接通時(shí)圓柱體先是這樣，它會(huì)被吸引到從一極指向另一極的那條磁力線上，或者如果它的振動(dòng)使它離開，它會(huì)回到那條磁力線上并停止在那里。”在此后的論文中，他經(jīng)常使用“磁場”和“場”這些詞，盡管當(dāng)時(shí)他沒對(duì)這些詞下定義或作特別說明，但使用的意義是清楚的。法拉第不僅提出了場的物理概念，而且更深刻地提出了電磁作用傳播的思想。法拉第的力線、場和傳播等物理思想，對(duì)傳統(tǒng)的科學(xué)觀點(diǎn)是一個(gè)重大的突破，對(duì)于電磁學(xué)及整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展都產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。三、麥克斯韋電磁理論的提出麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學(xué)大成的偉大科學(xué)

31、家。他全面地總結(jié)了電磁學(xué)研究的全部成果，并在此基礎(chǔ)上提出了“感生電場”和“位移電流”的假說，建立了完整的電磁場理論體系。早在上大學(xué)的時(shí)候，麥克斯韋就迷戀于電磁現(xiàn)象的研究。在全部論述電磁現(xiàn)象的著作中，唯有法拉第的論著給他留下了最為深刻的印象。特別是他早就具有“不能接受即時(shí)傳播”的思想，所以很容易領(lǐng)悟到法拉第“力線”和“場”思想的寶貴價(jià)值，堅(jiān)信法拉第的新理論中包含著真理。于是，他抱著給法拉第的這些觀念提供“數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)”的愿望，決心把法拉第的天才思想以清晰準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)形式表示出來。1861年，麥克斯韋在此基礎(chǔ)上，對(duì)變化的磁場能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象進(jìn)行了深入的分析，敏銳地感覺到即使不存在導(dǎo)體回路，變化

32、的磁場通過媒質(zhì)也會(huì)在其周圍激發(fā)出一種場，并把它稱為感應(yīng)電場或渦旋電場，這是麥克斯韋為統(tǒng)一電磁理論作出的第一個(gè)重大假設(shè)。1861年12月10日，麥克斯韋在給威湯姆遜的信中對(duì)電磁理論又作出了另一個(gè)突破性的貢獻(xiàn)，提出了“位移電流”的概念。緊接著1862年，他發(fā)表了第二篇電磁論文論物理的力線，這里麥克斯韋采用的是力學(xué)的觀點(diǎn)，他設(shè)想兩個(gè)電荷之間的作用力是由媒質(zhì)所呈現(xiàn)的張力或運(yùn)動(dòng)造成的，這種張力或運(yùn)動(dòng)則是媒質(zhì)中存在的無數(shù)“分子渦旋”運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。但是分子渦流運(yùn)動(dòng)只是媒質(zhì)的一種力學(xué)運(yùn)動(dòng)，這顯然不是電磁場實(shí)際存在的各種聯(lián)系的真實(shí)反映。因此，麥克斯韋很快就認(rèn)識(shí)到，只用力學(xué)觀點(diǎn)去解釋這樣復(fù)雜的電磁現(xiàn)象是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

33、位移電流的引入是麥克斯韋理論思維的一個(gè)第一流的創(chuàng)造，也是建立他的理論的一個(gè)關(guān)系性步驟。這使他可以把以前物理學(xué)家們所發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)體中的電流產(chǎn)生圍繞電流的磁力線，導(dǎo)體切割磁力線時(shí)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流的兩個(gè)基本原理加以擴(kuò)展，并且附加了另外兩個(gè)原理：空間變化的電場能產(chǎn)生磁場；空間變化的磁場能產(chǎn)生電場。于是展現(xiàn)在人們眼前的就是這樣一幅嶄新的物理圖景：交變的電場產(chǎn)生交變的磁場，交變的磁場產(chǎn)生交變的電場。這兩種相互聯(lián)系、相互激發(fā)的過程使電場和磁場相互耦連成統(tǒng)一的電磁場。該電磁場并以橫波的形式在空間傳播形成電磁波。據(jù)此，麥克斯韋還推算出電波磁的傳播速度等于光速。1868年，麥克斯韋又發(fā)表了一篇重要的短文關(guān)于光的電

34、磁理論，明確地把光概括到電磁理論之中，這就是著名的光的電磁波學(xué)說。這樣，麥克斯韋就把原來相互獨(dú)立的電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)這三個(gè)重要的物理學(xué)研究領(lǐng)域結(jié)合起來，成為19世中葉物理學(xué)上實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重大綜合。1873年，麥克斯韋完成了他的名著電學(xué)和磁學(xué)通論。在這部著作里，他把所有以前的電磁場理論都綜合在一組方程式里，使電磁場理論這一完整的體系得到了全面、系統(tǒng)和嚴(yán)格的陳述。第五節(jié) 無線電波一、電磁波的實(shí)驗(yàn)證明1870年以后，德國物理學(xué)家亥姆霍茲通過幾年的研究，認(rèn)識(shí)到證明電磁場理論的關(guān)鍵是需要證實(shí)“位移電流”的存在。1878年夏，他向?qū)W生們提出了一個(gè)物理競賽的題目，要他們用實(shí)驗(yàn)的方法來驗(yàn)證麥克斯韋的理論。從那時(shí)候

35、起，亥姆霍茲的學(xué)生赫茲就立志致力于這個(gè)課題的研究。1886年10月，赫茲在作放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)近旁一組線圈兩端的狹縫間產(chǎn)生了電火花，他敏銳地想到這可能是電磁共振。于是，他開始集中力量進(jìn)行驗(yàn)證麥克斯韋的電磁波是否存在的實(shí)驗(yàn)研究。開始，赫茲設(shè)計(jì)了一種直線型開放振蕩器，這種振蕩器是在兩根長為12英寸的銅棒一端各焊上一個(gè)金屬球，另一端各安上一塊邊長16英寸方形鋅板用以增加電容，兩根銅棒放在同一直線上，兩球之間留一間隙。他用這個(gè)裝置于同年12月成功地顯示了直線電流引起的電共振現(xiàn)象。1887年，赫茲在直線振蕩器的基礎(chǔ)上又設(shè)計(jì)出了“感應(yīng)平衡器”，從而確證了麥克斯韋的“位移電流”的存在，赫茲總結(jié)了這個(gè)重要發(fā)

36、現(xiàn)，并獲得了柏林科學(xué)院獎(jiǎng)。赫茲的重大貢獻(xiàn)在于把放電回路中的平板電容器的兩個(gè)極板拉開，使封閉的電磁振蕩成為自由空間中的電磁波。那分開的兩個(gè)極板，后來成為天線和地線。接著，赫茲又用類似的方法證實(shí)由感應(yīng)圈發(fā)出的電磁波具有類似的特性，如反射、折射、衍射、偏振等。同時(shí)證實(shí)了在直線傳播時(shí)，電磁波的傳播速度與光速有相同的數(shù)量級(jí)。從而證明了麥克斯韋光的電磁理論的正確性。赫茲于1888年1月將這些成果記載在論動(dòng)電效應(yīng)的傳播速度一文中，證實(shí)了電磁波的存在。麥克斯韋在1873年所作出的電磁輻射壓力的預(yù)言，也在1899年為俄國的列別捷夫所證實(shí)，兩年后又為美國的尼科爾斯所證實(shí)。進(jìn)一步的測定表明，電磁輻射可以有很寬的頻率范圍，其中包括熱、可見光、無線電波、X射線等。這樣就在更廣闊的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了各種自然現(xiàn)象的統(tǒng)一性。二、無線電技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展麥克斯韋關(guān)于電磁波的預(yù)言被赫茲從實(shí)驗(yàn)上加以證明以后，很快使人們受到啟迪，既然電磁波能越過空間，從發(fā)射器到接收器，那么能不能利用電磁場來傳遞信息呢?要把電磁波用于通信，至少還需要獲得“持續(xù)不衰的電磁振蕩”和“方便的電磁波檢測器”兩個(gè)條件。1890年，法國物理學(xué)家布蘭利發(fā)現(xiàn)電磁振蕩通過金屬碎屑時(shí)