電磁場與電磁波發(fā)展史

電磁場與電磁波發(fā)展史電磁場與電磁波發(fā)展史這學期，我們學習了《電磁場與電磁波》這門課程，課程雖已結(jié)束，但在學習過程中獲得的知識卻會讓我們每個人受益終身。每一門學科都有一個發(fā)展完善的過程，我將用自己查閱到的資料與自己的理解簡單介紹一下電磁場與電磁波的發(fā)展史。電磁學是研究電磁現(xiàn)象的規(guī)律的學科，其中，在電磁學里，電磁場（elect--romagneticfield）是一種由帶電物體產(chǎn)生的一種物理場；電磁波（electromagneticwave）（又稱電磁輻射）是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面，有效的傳遞能量和動量。關(guān)于電磁現(xiàn)象的觀察記錄，可以追溯到公元前6世紀希臘學者泰勒斯（Thales），他觀察到用布摩擦過的琥珀能吸引輕微物體，英文中“電”的語源就來自希臘文“琥珀”一詞。在我國，最早是在公元前4到3世紀戰(zhàn)國時期《韓非子》中關(guān)于司南（一種用天然磁石做成的指向工具）和《呂氏春秋》中有關(guān)“慈石召鐵”的記載。由此可見，電磁現(xiàn)象很早就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。然而真正對電磁現(xiàn)象的系統(tǒng)研究則要等到十六世紀以后，并且靜電學的研究要晚于靜磁學，這是由于難以找到一個能產(chǎn)生穩(wěn)定靜電場的方法，這種情況一直持續(xù)到1660年摩擦起電機被發(fā)明出來。十八世紀以前，人們一直采用這類摩擦起電機來產(chǎn)生研究靜電場，代表人物如本杰明富蘭克林。人們在這一時期主要了解到了靜電力的同性相斥、異性相吸的特性、靜電感應(yīng)現(xiàn)象以及電荷守恒原理。后來，人們曾將靜電力與在當時已享有盛譽的萬有引力定律做類比，發(fā)現(xiàn)彼此在理論和實驗上都有很多相似之處，包括實驗觀測到帶電球殼內(nèi)部的球體不會帶電，這和有質(zhì)量的球殼內(nèi)部物體不會受到引力作用（由牛頓在理論上證明，是平方反比力的一個特征）的情形類似。其間蘇格蘭物理學家約翰羅比遜（1759年）和英國物理學家亨利卡文迪什（1773年）等人都進行過實驗驗證了靜電力的平方反比律，然而他們的實驗卻遲遲不為人知。法國物理學家夏爾奧古斯丁庫侖于1784年至1785年間進行了他著名的扭秤實驗，其實驗的主要目的就是為了證實靜電力的平方反比律，因為他認為“假說的前一部分無需證明”，也就是說他已經(jīng)先驗性地認為靜電力必然和萬有引力類似，和電荷電量成正比。扭秤的基本構(gòu)造為：一根水平懸于細金屬絲的輕導線兩端分別置有一個帶電小球A和一個與之平衡的物體P，而在實驗中在小球A的附近放置同樣大小的帶電小球B，兩者的靜電力會在輕導線上產(chǎn)生扭矩，從而使輕桿轉(zhuǎn)動。通過校正懸絲上的旋鈕可以將小球調(diào)回原先位置，則此時懸絲上的扭矩等于靜電力產(chǎn)生的力矩。如此，兩者之間的靜電力可以通過測量這個扭矩、偏轉(zhuǎn)角度和導線長度來求得。庫侖的結(jié)論為：對同樣材料的金屬導線而言，扭矩的大小正比于偏轉(zhuǎn)角度，導線橫截面直徑的四次方，且反比于導線的長度—夏爾奧古斯丁庫侖，《金屬導線扭矩和彈性的理論和實驗研究》庫侖在其后的幾年間也研究了磁偶極子之間的作用力，他也得出了磁力也具有平方反比律的結(jié)論。不過，他并未認識到靜電力和靜磁力之間有何內(nèi)在聯(lián)系，而且他一直將電力和磁力吸引和排斥的原因歸結(jié)于假想的電流體和磁流體——具有正和負區(qū)別的，類似于“熱質(zhì)”一般的無質(zhì)量物質(zhì)。靜電力的平方反比律確定后，很多后續(xù)工作都是同萬有引力做類比從而順理成章的結(jié)果。1813年法國數(shù)學家、物理學家西莫恩德尼泊松指出拉普拉斯方程也適用于靜電場，從而提出泊松方程；其他例子還包括靜電場的格林函數(shù)（喬治格林，1828年）和高斯定理（卡爾高斯，1839年）。意大利物理學家亞歷山德羅伏打1800年發(fā)明了伏打電堆、伏打電池，伏打電堆和電池的發(fā)明為研究穩(wěn)恒電流創(chuàng)造了條件。庫侖發(fā)現(xiàn)了磁力和電力一樣遵守平方反比律，但他沒有進一步推測兩者的內(nèi)在聯(lián)系，然而人們在自然界中觀察到的電流的磁現(xiàn)象（如富蘭克林在1751年發(fā)現(xiàn)放電能將鋼針磁化）促使著人們不斷地探索這種聯(lián)系。首先發(fā)現(xiàn)這種聯(lián)系的人是丹麥物理學家奧斯特，他本著這種信念進行了一系列有關(guān)的實驗，最終于1820年發(fā)現(xiàn)接通電流的導線能對附近的磁針產(chǎn)生作用力，這種磁效應(yīng)是沿著圍繞導線的螺旋方向分布的。在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后，法國物理學家讓-巴蒂斯特畢奧和費利克斯薩伐爾進一步詳細研究了載流直導線對周圍磁針的作用力，并確定其磁力大小正比于電流強度，反比于距離，方向垂直于距離連線，這一規(guī)律被歸納為著名的畢奧-薩伐爾定律。1826年，安培從斯托克斯定理推導得到了著名的安培環(huán)路定理，證明了磁場沿包圍產(chǎn)生其電流的閉合路徑的曲線積分等于其電流密度，這一定理成為了麥克斯韋方程組的基本方程之一。安培的工作揭示了電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，將電磁學研究真正數(shù)學化，成為物理學中又一大理論體系——電動力學的基礎(chǔ)。麥克斯韋稱安培的工作是“科學史上最輝煌的成就之一”，后人稱安培為“電學中的牛頓”。邁克爾法拉第（MichaelFaraday，1791-1867),英國著名物理學家、化學家。在化學、電化學、電磁學等領(lǐng)域都做出過杰出貢獻。他家境貧寒，未受過系統(tǒng)的正規(guī)教育，但卻在眾多領(lǐng)域中作出驚人成就，堪稱刻苦勤奮、探索真理、不計個人名利的典范。從1824年起，法拉第進行了一系列相關(guān)實驗試圖尋找導體中的感應(yīng)電流，然而始終未獲成功。直到1831年8月29日，法拉第在軟鐵環(huán)兩側(cè)分別繞兩個線圈，其一為閉合回路，在導線下端附近平行放置一磁針，另一與電池組相連，接開關(guān)，形成有電源的閉合回路。實驗發(fā)現(xiàn)，合上開關(guān)，磁針偏轉(zhuǎn)；切斷開關(guān)，磁針反向偏轉(zhuǎn)，這表明在無電池組的線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電流。法拉第立即意識到，這是一種非恒定的暫態(tài)效應(yīng)。緊接著他做了幾十個實驗，把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情形概括為5類：變化的電流，變化的磁場，運動的恒定電流，運動的磁鐵，在磁場中運動的導體，并把這些現(xiàn)象正式定名為電磁感應(yīng)。進而，法拉第發(fā)現(xiàn)，在相同條件下不同金屬導體回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流與導體的導電能力成正意義。法拉第另一個重要的貢獻是創(chuàng)立了力線和場的概念，力線實際是否認了超距作用的存在，這些思想成為了麥克斯韋電磁場理論的基礎(chǔ)。愛因斯坦稱其為“物理學中引入了新的、革命性的觀念，它們打開了一條通往新的哲學觀點的道路”。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學中最重大的發(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，對其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場之間的聯(lián)系。牛頓曾經(jīng)說過：“如果我比別人看得遠些，那是因為我站在巨人們的肩上。”我在欽佩牛頓謙虛的同時，也不得不佩服這句話的精辟。在科學研究中，任何偉大的成果都不可能是在一朝一夕之間就研究出來的，這必須要經(jīng)過很多科學家的研究成果的積累。電磁學發(fā)展到法拉第時代時已經(jīng)比較完善，但還存在缺陷。在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的那一年，英國物理學家、數(shù)學家詹姆斯克拉克麥克斯韋出生，他因創(chuàng)立電磁場理論而成為十九世紀最偉大的物理學家，他對電磁理論的貢獻是里程碑式的。麥克斯韋于1856年發(fā)表了他的第一篇論文《論法拉弟的力線》，在這篇文章中，他試圖用數(shù)學語言精確地表述法拉弟的力線概念，他采用數(shù)學推論與物理類比相結(jié)合的方法，以假想流體的力學模型去模擬電磁現(xiàn)象。他說：“借助于這種類比，我試圖以一種方便的和易于處理的形式為研究電現(xiàn)象提供必要的數(shù)學觀念”他的目標是想據(jù)此統(tǒng)一已知的電磁學定律。麥克斯韋為達到此目的，他運用了“建立力學模型——引出基本公式——進行數(shù)學引伸推導”的解決科學問題的思路和方法。麥克斯韋在完成了統(tǒng)一已知電磁學定律的第一階段工作后，又投入到第二階段工作中。他于1862年發(fā)表了具有決定意義的論文《論物理學的力線》。麥克斯韋在這篇著作中，突破了法拉弟的電磁觀念，創(chuàng)造性地提出了自己理論的核心部分——位移電流的概念。在這一工作中，他一方面結(jié)合數(shù)學推論以邏輯手段揭示了舊電磁理論的內(nèi)在矛盾，另一方面則構(gòu)造了一個與以前的流體力學模型不同的、新的電磁以大模型。1864年，麥克斯韋又發(fā)表了第三篇著名的論文《電磁場的動力理論》。在這篇論文中，麥克斯韋舍棄了他原來提出的力學模型而完全轉(zhuǎn)向場論的觀點，并明確論述了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的統(tǒng)一性，奠定了光的電磁理論的基礎(chǔ)。1868年，麥克斯韋發(fā)表了一篇論文《關(guān)于光的電磁理論》，明確地創(chuàng)立了光的電磁學說。他說：“光也是電磁波的一種，光是一種能看得見的電磁波?！边@樣，麥克斯韋就把原來相互獨立的電、磁和光都統(tǒng)一起來了，成為十九世紀物理學上實現(xiàn)的一次重大理論綜合。1873年麥克斯韋出版電磁理論的經(jīng)典著作《論電和磁》在這部著作中，麥克斯韋對電磁理論作了全面系統(tǒng)和嚴密的論述，并從數(shù)學上證明了方程組解的唯一性，從而表明這個方程組是能夠精確地反映電磁場的客觀運動規(guī)律的完整理論?？茖W史上，牛頓把天上和地上的運動規(guī)律統(tǒng)一起來，是實現(xiàn)第一次大綜合，麥克斯韋把電、光統(tǒng)一起來，是實現(xiàn)第二次大綜合，因此應(yīng)與牛頓齊名。下面就是我們在課上學到的麥克斯韋方程組：.麥克斯韋方程組的微分形式式中：p是自由電荷的體密度；是傳導電流密度；.麥克斯韋方程組的積分形式是位移電流密度。三個描述介質(zhì)性質(zhì)的方程式.對于各向同性介質(zhì)來說，有：=srs0二|jr|j0二o式