1、第四章第四章 电与磁电与磁自然科学基础知识目录目录 第一节电与磁的现象 第二节库仑定律 第三节欧姆定律和安培定律 第四节电磁感应现象和麦克斯韦的电磁理论 第五节无线电波本章导读本章导读 人类对电、磁现象的认识、研究以至利用，经历了相当长的历史时期。开始人们对电、磁的认识发展得十分缓慢，在较长的时期内仅仅停留在观察电作用、磁作用的现象方面。真正对电磁现象的研究自16世纪开始，然而其研究方法也很原始；对电磁的近代科学方法研究直到18世纪才开始。目标透视目标透视 1.了解两种电荷的吸引和排斥。2.掌握库仑定律、欧姆定律、安培定律。3.熟悉法拉第电磁感应现象。4.了解麦克斯韦的电磁理论。5.了解无线电
2、技术的发展。第一节第一节 电与磁的现象电与磁的现象 一、吉尔伯特对磁和电的研究 在古代，人们就已经知道了一些电现象和磁现象。有些经过摩擦的物体，如用丝绸摩擦过的玻璃棒、用毛皮摩擦过的胶木棒，能吸引轻小物体(如纸屑、灯草屑等)。当物体具有这种吸引轻小物体(如纸屑、灯草屑等)的性质时，我们就说它带了电，或有了电荷。人们对类似的电磁现象虽有不少的知识记载，但多数属于定性的观察和认识。真正对这些现象进行比较系统的研究，是到欧洲文艺复兴时期才开始的，第一批系统的科学研究工作是被称为“磁学之父”的英国人威廉吉尔伯特进行的。吉尔伯特在40岁左右时，对磁和电产生了浓厚的兴趣，花费了18年或更长的时间进行了关于
3、磁和电的研究，于1600年出版了他的巨著论磁，开创了电磁学研究的新纪元。他系统地观察了电和磁现象，并经过反复实验，得出了一些经验性的结论。他指出：(1)只有磁性物体才具有磁的吸引和斥力。(2)磁体恒有南北两极；同名极相斥，异名极相吸；不能找到单独的磁极。(3)铁制物品在磁体的影响下会磁化。这是在英国诞生的第一部重要的物理学著作，它曾引起了同时代许多科学家的重视。伽利略在他的对话一书中称吉尔伯特的著作“伟大到令人妒忌”，开普勒也曾在他的新天文学中多次提到并赞扬了吉尔伯特的工作。吉尔伯特把电和磁加以比较，发现它们有以下几个方面的深刻差异：(1)磁性质是磁体本身具备的一种性质，而电性质是需要通过摩擦
4、来激发的。(2)磁石只对可以磁化的物质有力的作用，而带电体可以吸引任何轻小的物体。(3)磁体之间的作用不受中间的纸片、亚麻布等物体的影响；当带电体浸在水中时，电力的作用消失，而磁体浸在水中磁力不会消失。(4)磁力是一种定向力，而电力是一种移动力。吉尔伯特还制作了第一只实验用的验电器。他用一根极细的金属棒，中心固定在支座上，可以自由转动，由于金属棒极轻，因此当摩擦后的带电物体靠近它时，金属棒会被吸引而向带电体转来。由此可以以金属棒是否转动探测物体是否带电。二、两种电荷的发现二、两种电荷的发现 1663年，盖利克制造的第一台能产生大量电荷的摩擦起电机。它是用一只带有转动轴的硫黄球放在一个支架上制成
5、的，起电时一手使硫黄球转动，一手放在硫黄球上与转动的球发生摩擦，结果人体和硫黄都带上了电。盖利克就是使用他发明的起电机发现了摩擦产生的电可以通过一根金属杆传给其他物体。同时还发现带电体能吸引轻小物体，对轻小物体也有排斥作用，从而纠正了吉尔伯特的观点。约在1720年，英国的斯蒂芬格雷重新发现了电沿某些物体传播的事实，并引入了导体这一概念。他还发现不是任何物体都具有传播电的性质。于是，他把物质分为两类：一类是非电性物体(导体)；另一类是电性物体(非导体)。1729年，格雷还发现了电荷分布在导体表面的事实。1733年，杜菲发现绝缘的金属也可以通过摩擦的方法起电，他认为所有的物体都可以摩擦起电。为了对
6、电现象作深入的研究，杜菲对吉尔伯特首先制作的验电器作了改进，他将金属棒用金箔代替，用它对摩擦后带电的玻璃棒及琥珀做检验，发现两者产生的电是不同的。他总结实验结果指出，有两种实质不同的电：一种电是在玻璃、宝石、毛皮和其他物质上出现，称为“玻璃电”；另一种电表现在琥珀、虫漆、丝等物上，称为“树脂电”。两种电的特殊标志是同种电互相排斥，而异种电互相吸引。不带电的物体可以从另一带电物体获得电性，两者所带电性是相同的。三、三、“天电天电”与与“地电地电”的统一的统一 18世纪中叶，起电装置的改善和大气电现象的研究，吸引了许多物理学家的兴趣。（一）莱顿瓶的发现 人们在电现象的研究中常常遇到这样的问题，好不
7、容易获得的电荷，往往会在空气中逐渐地消失，于是就非常想寻找一种贮电仪器。“莱顿瓶”就是在人们的这种迫切愿望下发明出来的，这也是电学发展史上重要的一步。1745年，德国物理学家克莱斯特有一次用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他后来用手触及铁钉时，受到猛烈的一击。几个月后在荷兰莱顿大学，物理学家穆欣布罗克也提出了类似的发现。他在一次试图用起电机使玻璃瓶内的水带电时，也受到了猛烈的电击。并由此得出结论：把带电体放在玻璃瓶内，可以把电保存下来。但当时还搞不清楚起保存电作用的究竟是瓶子还是瓶内的水，人们把这样可以蓄电的瓶子称为“莱顿瓶”，这就是最初的电容器。后来，莱顿瓶实验被人们重复进行着并逐
8、步完善，如将瓶内放盐水，瓶内外贴锡箔，以至于发展成为各种形式的电容器，使之在物理学和电子技术方面得到了广泛的应用。莱顿瓶的发现为科学界提供了一种贮电的有效方法，一方面为进一步研究电现象提供了条件，另一方面对电知识的传播也起到了重要的促进作用。（二）（二）“天电天电”和和“地电地电”莱顿瓶的发展及其放电现象为研究大气电现象奠定了基础。1746年，伦敦有一位名叫考林森的人，通过邮寄向远在美国费城的朋友本杰明富兰克林赠送了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法。这样，用莱顿瓶进行电学实验的知识很快就传到了北美。富兰克林是美国18世纪名列华盛顿之后的最著名的人物，他的才华不仅在政治和外交方面，而且在电
9、的研究中也充分显露出来。富兰克林对收到来自伦敦的莱顿瓶以及它所带来的电学知识极感兴趣，他利用莱顿瓶做了一系列的电学实验，1747年发表了关于莱顿瓶功效分析的文章。在实验中，证明了异种电荷可以相消，他得出正电荷和负电荷没有什么本质差异，认为当一个物体有了过剩的“电火”就带正电，“电火”不足就带负电。富兰克林创造的“正电”和“负电”的术语为定量研究电现象提供了一个基础。同时，他的理论包含了正确的思想，即电荷既不能创生也不能消灭，这就是通常所说的电荷守恒原理。富兰克林的理论能够解释当时人们已知的绝大多数静电现象。富兰克林对大气中的雷和闪电也进行了研究，统一了“地电”和“天电”。1749年初夏，富兰克
10、林进行了一系列实验之后发现，闪电与莱顿瓶实验发生的电火花有许多相似之处，两者都是瞬时的，并且产生相似的光和声；它们都能使物体着火，都能熔解金属；它们都能流过导体，特别是金属，并且都集中在物体的尖端；都含有硫黄气味；都能破坏磁性或使磁体的极性倒转过来；又都能杀死生物等。为了进一步研究闪电，他建议以尖端作用引下闪电。于是在1752年7月，富兰克林进行了物理学史上著名的费城实验。在一个雷电交加的天气里，费城郊外一间四面无墙的小木棚下，富兰克林与他的儿子一起以大无畏的献身精神将一只用丝绸制成的大风筝放上了天空。风筝顶端安装了一根尖细的铁丝，用来引天电。风筝的拉线是一根粗糙的麻绳，雨打湿后就相当于一根导
11、线，绳子的末端接上一根丝绸带充当绝缘体，丝绸带的一端拉在富兰克林手中，在麻绳和丝绸带的接头处，拴上了一把金属钥匙并塞在莱顿瓶里，准备用天电给莱顿瓶充电。随着一道道长长的闪电，富兰克林发现麻绳上松散的纤维丝纷纷向四周竖起，当他用指关节靠近钥匙时，火花则向其手上飞来，同时觉得身体发麻。他认定“天电”终于被捉下来了。富兰克林随后利用莱顿瓶充的“天电”，进行了各种电学实验，并发现“天电”具有和“地电”同样的性质，从而证明了“天电”与“地电”的一致性。富兰克林统一“天电”和“地电”实验的成功，使得科学界大为震惊，大大激发了人们对电现象研究的兴趣。但是这一实验也惊动了教会，他们斥责富兰克林冒犯神权，是对上
12、帝和雷公的大逆不道。富兰克林全然不顾教会的反对和威胁，仍坚持研究，提出了用避雷针保护建筑物的建议，于1754年制造出世界上第一个避雷针。这是人类应用电学研究为自身服务的第一个著名的实例，它促进了整个电学研究的发展。第二节第二节 库仑定律库仑定律 一、平方反比关系的提出 18世纪中叶以后，人们在已知同种电荷相斥、异种电荷相吸的基础上，开始对电荷之间相互作用的定量规律进行研究。这种研究如果纯粹从理论上去猜测显然是行不通的，必须要对实验的结果进行理论上的分析。1750年前后，德国柏林科学院院士埃皮诺斯在实验中发现了两个现象：第一个现象是当发生相互作用的电荷之间的距离缩短时，两者之间的吸引力和排斥力便
13、增加；第二个现象为当一个导体移近一个带电荷而不与它接触时，该导体的远端会获得与带电体相同种类的电荷，其近端则获得与带电体相反种类的电荷，这就是静电感应现象。1766年，富兰克林写信给他的德国朋友普利斯特利，介绍了他在实验中发现放在金属杯中的软木球完全不受金属杯电性的影响的现象。他请普利斯特利给予验证。1766年12月21日，普利斯特利从一系列实验中证明：当中空的金属容器带电时，除了靠近开口的地方外，金属容器内表面上没有任何电荷，它对空腔内部的电荷没有作用力。在这以前牛顿已经证明：如果引力是随着到引力中心的距离平方而减弱的话，中空的球状体对于空腔内部的物体就没有引力作用。根据这样的类比，普利斯特
14、利猜测电的作用力也遵守平方反比定律。这是一个大胆的推理假设，普利斯特利本人没有加以证明，但这为后来的物理学家提供了一个研究方向。1769年，英国爱丁堡大学的约翰罗宾森用直接的实验推测了反平方关系。他确定了同种电荷的斥力反比于电荷间距的206次幂，异种电荷的吸引力反比于电荷间距的2次幂。由此他推测到正确的关系应反比于距离的2次幂，即是反平方的。富兰克林的电荷守恒定律及普利斯特利电荷吸引定律和罗宾森的推测把电学的研究推动上升到了精确科学的地位，开始了近代电磁理论的研究。正是在这个基础上，才有可能建立库仑定律。二、库仑定律的建立二、库仑定律的建立（一）卡文迪许的贡献 卡文迪许是第一个成功地测量出万有
15、引力的人，在化学和电学方面也是一个开拓者，曾被物理学家毕奥称为“最富有的学者，最有学问的富翁”。18世纪70年代，卡文迪许曾独自做过许多静电实验。1773年，他做了电荷只分布在金属球表面上的实验，实验结果发现，内球不带电，电荷全部分布在外球壳的外表面上。卡文迪许同时从这个实验的分析中得出了反平方的结论，但他的重大成果都没有及时发表。直到19世纪中叶，英国物理学家威廉汤姆逊勋爵才在卡文迪许的手稿中发现了一些极珍贵的资料。这些资料表明卡文迪许确实对电学的发展作出了巨大贡献。直到1879年英国物理学家麦克斯韦才整理、注释出版了这些手稿。（二）库仑的实验（二）库仑的实验 早在1777年，法国物理学家查
16、理库仑就对毛发和金属线的扭转问题进行了深入的研究。1779年，他研究了摩擦力，得到了后来以他的名字命名的摩擦定律。1785年，库仑在研究改进当时船用的支架式罗盘时，认为解决这个问题的关键在于减少指针和支架间的摩擦力，提出了用头发丝或丝线悬挂磁针的方法。同一年，他又利用自己有关扭力方面的知识，自行设计、制作了一台精度较高的扭秤，并用它来测定电荷之间的相互作用力。库仑用扭秤多次测定了这些等量同种电荷间的排斥力，得到了两个电荷间斥力的大小与它的距离的平方成反比，与它们所带电量的乘积成正比的结论。关于异种电荷之间的引力，用扭秤来测量时遇到了困难，因为金属丝扭转的回复力矩仅与角度的一次方成比例，这就不能
17、保持扭秤稳定。库仑为此费了不少心思，后来他把电的吸力和地球对物体的引力加以类比，从单摆受地球引力而摆动的事实得到启发，即单摆的振动周期与物体离地心的距离成正比。库仑认为异种电荷之间的引力如果也遵循平方反比关系，就可用与单摆相类似的方法来测定。为此，他设计了一种“电摆”实验，库仑通过这个实验，并排除了漏电的影响而得出结论：电的吸引力和电的排斥力一样，都遵守平方反比定律，从而完整地得出了库仑定律，即F=kQ1Q2r2其中k=9109牛米2库2。按上式求出的作用力，如果为正，表示两电荷相斥；反之，如果为负，则表示两电荷相吸。库仑定律的建立，使电磁学进入定量的研究，从而使电磁学真正成为一门科学，并为数
18、学引入电磁学打开了道路，为继续发展电动力学奠定了基础。库仑定律是电磁学中的一个基本定律，它是电磁理论的基础，如果不成立，电磁学就完全是另一种模样了。由于库仑定律的地位太重要，所以电荷间的作用力是不是绝对的平方反比关系，这个课题一直为历代物理学家所高度重视。平方反比律的验证迄今仍未停止，而且随着实验手段的进步、实验技术的成熟，这种验证越做越精确。第三节第三节 欧姆定律和安培定律欧姆定律和安培定律 一、伏打电堆 伏打是电学方面勤奋的实验家。早年他曾经对已有的验电器进行改造，制成了一种能测定微量电荷的验电器。1775年，他又利用静电感应原理发明了起电盘。根据电的相关知识，伏打用一些小杯，杯中盛有盐水
19、，把一些一端是铜、一端是锌的金属条弯成“兀”形，让铜端浸入一只杯中，锌端浸入另一只杯中，再用导线将铜端和锌端连接起来，就有电流产生，这就是世界第一个电源伏打电池。为了制成具有更高电压的电池，他又不断地进行改进。后来，伏打用稀酸代替盐水，用浸过稀酸液的圆形厚纸片代替盛盐水的杯，并用铜、锌等金属制成片状的圆形电极，再将浸过稀酸液的厚纸片放在铜片和锌片之间，最后把许多这样的装置一一叠置起来，制成了著名的伏打电堆。伏打电堆的发明，为人们获得比较稳定的持续电流提供了一个方法，使电学从对静电的研究进入到对动电的研究导致了电化学、电磁联系等一系列重大的科学发现。同时，在此过程中，电池本身也得到了完善，出现了
20、蓄电池和其他更为有效的直流电机。二、欧姆定律二、欧姆定律在伏打电堆发明之后，人们就开始了对导线中电流规律进行了大量的实验研究。1826年，德国物理学家欧姆在研究导线中电流所遵从的规律时，发现了后来以他的名字命名的重要定律欧姆定律。欧姆最先通过实验研究了电流跟电压、电阻的关系，并得出结论：导体中的电流跟加在导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比，这就是欧姆定律。如果用I表示通过导体的电流，用U表示加在导体两端的电压，用R表示导体的电阻，欧姆定律可表示为I=UR 式中电压的单位是伏特（V），电流的单位是安培（A），电阻的单位是欧姆，简称欧（）。由于我们研究的是电路中某一部分导体上的规律，所以上述
21、定律也叫做部分电路的欧姆定律。实验证明，欧姆定律适用于金属和电解液导电的情况，对于气体导电的情况则不适用。三、电流磁效应的发现三、电流磁效应的发现 早在17世纪初，吉尔伯特在系统地研究电现象和磁现象时，就仔细地对比了电和磁的性质，并断言电和磁是两种截然不同的现象，没有什么一致性。18世纪，有的自然哲学家根据雷闪所产生的一些奇怪现象，猜测电和磁之间有某种形式的联系。1731年7月，威克菲尔德的一位小商人描述了雷闪使他的一个箱子的刀、叉、钢针磁化的现象。1751年，富兰克林设想并实现了用莱顿瓶放电的办法使焊条磁化，但是磁化作用是否直接由电流引起却无从而知。富兰克林发现的莱顿瓶放电能磁化钢针的现象对
22、奥斯特的启发很大。他认识到电向磁的转化不是不可能的，关键是要找出电和磁转化的具体条件。1820年4月某一天的晚上，奥斯特在讲课快结束时，突然来了“灵感”，想把导线与磁针平行放置试一试。于是他把导线和磁针都沿地磁子午线方向放置好，并毫不犹豫地接上电源，果然发现了电流附近的小磁针向垂直于导线的方向偏转。开始，他怀疑是不是因电流使导线变热而产生的空气对流对磁针有影响。为了检验这一点，他把一块硬纸板放在导线和磁针之间，用以阻挡气流，结果磁针依然偏转。然后，他又把伏打电堆的电极调换了一下，当导线中电流方向相反时，磁针的转向也相反。这就使奥斯特确信电流和磁针之间存在相互作用力。为了进一步弄清楚电流对磁针的
23、作用，奥斯特花了3个月的时间，做了60多个实验，终于证明电流只能对磁性材料产生作用和电流所产生的磁力作用的横向性质。1820年7月，奥斯特发表了关于磁针上电流碰撞的实验的论文，这篇极其简洁的实验报告，向科学界宣告了“电流磁效应”的发现与确立。奥斯特的伟大发现，揭示了长期以来认为不同性质的电现象和磁现象之间的联系，开创了把电学和磁学联系起来的“电磁学”。法拉第后来在评价这一发现时说，“它猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明。”人们为了纪念这位博学多才的科学家，从1834年起用奥斯特的名字命名了磁场强度的单位。四、安培定律四、安培定律 奥斯特的发现，极大地震动了当时欧洲
24、的学术界。1820年8月，正在瑞士旅行的法国物理学家阿拉果听到奥斯特发现电流的磁效应的消息后，立即敏锐地感到这一成果的重要性，迅速于1820年9月初从瑞士赶回法国，向法国科学院作了报告，引起了法国科学界的巨大反响。因为长期以来，法国的物理学家们都信奉库仑曾经提倡的信条，认为电和磁是不可能发生相互作用的两种现象。而奥斯特的这一发现，确实使他们得到了猛醒。尤其是当时在科学上极其敏感、最能接受他人成果的法国物理学家安培对此作了更为异乎寻常的反应。安培在听到阿拉果的介绍后，随即就重复了奥斯特的实验并加以发展，并于9月18日向法国科学院报告了第一篇论文，阐述了他重复做的电流对磁针作用的实验，并提出了圆形
25、电流产生磁性的可能性；还报告了他从实验中发现的磁针转动方向和电流之间的关系。这被后人称为安培定律。安培定律，也叫右手螺旋定律，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定律。通电直导线中的安培定则（安培定律一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向；通电螺线管中的安培定则（安培定律二）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。第四节第四节 电磁感应现象和麦克斯韦的电磁理论电磁感应现象和麦克斯韦的电磁理论 一、电磁感应现象的发现 自1820年奥斯特公布了他发明电流磁效应消息后，迅即传播到欧洲各国，促进
26、了各国科学的发展。法拉第通过反复的实验和思考，特别是仔细地考察了奥斯特实验，终于认识到，通电导线在磁场作用下不可能发生“自转”。假如使磁体固定，则通电导线可能会绕磁体“公转”；假如导线固定，则磁体可能会绕导线转动。这样，他制作了“电磁旋转器”。这比奥斯特更进一步的发现，极大地鼓舞了法拉第对电和磁作深入一步研究的热情。法拉第在实现了电流使磁体转动后，联系到磁铁可以使铁块感应带磁，静电可以使导体感应带电，电流能产生磁现象。在进行了反复分析后，1822年，他又提出了“把磁变成电”这一崭新的研究课题。1831年9月24日，法拉第在两条磁棒的N、S极中间放上一绕有线圈的铁棒，将线圈与电流计连接，他发现当
27、铁棒离开或进入磁棒两极的瞬间，电流计的指针就会偏转。4个星期后，他又用一个电流计接通线圈，将一永久磁棒迅速插入或抽出线圈时，发现电流计的指针也偏转。法拉第一共做了几十个类似的实验，最终认识到了感应现象的暂态性，提出了无论是导线中的电流还是磁场，只有变化时才能在另一静止的导线中感应出电流来，并概括地总结了可以产生感应电流的五种情况：变化着的电流；变化着的磁场；运动的稳恒电流；运动的磁铁；在磁场中运动的导体。同时，他正确地指出了感应电流与原电流变化有关，而不是与原电流本身有关。法拉第将此与导体上的感应电荷作了类比，把上述现象定名为“电磁感应”。由此，法拉第作出了电磁感应现象这一划时代的发现。闭合电
28、路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象，其本质是闭合电路中磁通量的变化。由电磁感应现象产生的电流叫做感应电流。电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化，对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系，对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。电磁感应现象在电工技术、电子技术及电磁测量等方面都有广泛的应用。二、场和力线概念的建立二、场和力线概念的建立 为了从理论上解释当时已知的电磁现象，特别是电磁相互作用力是怎样传递的问题，法拉第提出了一种与传统的超距作用观点完全相反的全新的物理概念和物理图像，这就是“场”和“力线
29、”。从牛顿开始，人们就认为万有引力、电荷间的相互作用力等这些不接触力，其作用都是瞬时的，不需要什么媒介来传递，即所谓超距作用。并且后来超距作用的观点在电学和磁学的研究中又得到了进一步的强化，如富兰克林、库仑、安培等这些对电磁学作过重大贡献的科学家对此都深信不疑。然而，法拉第却反对超距作用的观点，认为物质之间的电、磁力是需要由媒介传递的近距作用。他在大量的相互作用实验中发现电作用或磁作用跟带电体或磁体或电流之间的电介质有关，电介质不同，作用力就不一样。1831年11月24日，法拉第在向英国皇家学院宣读他发现电磁感应的论文时，开始使用“磁力线”这个词。他称磁力线是这样一些曲线：“它们能用铁屑描绘出
30、来，或者对于它们来说，一根小磁针将构成一条切线。”他是用磁力线和电致紧张状态这些概念来说明电磁感应规律的。法拉第在实验中大量地用铁屑显示磁力线，并把磁力线作为思考问题的工具。随着实验的进展，他对磁力线的概念和认识也逐步深入。1832年3月26日，他在日记中指出：与磁力线类似，在带电体之间有电力线。法拉第不仅引入了力线这一重要概念，而且提出了“磁场”这个词。他在日记中写道：“当封蜡或石棉或纸处在磁场中时，如果在(磁铁的电流)接通时圆柱体先是这样，它会被吸引到从一极指向另一极的那条磁力线上，或者如果它的振动使它离开，它会回到那条磁力线上并停止在那里。”在此后的论文中，他经常使用“磁场”和“场”这些
31、词，尽管当时他没对这些词下定义或作特别说明，但使用的意义是清楚的。法拉第不仅提出了场的物理概念，而且更深刻地提出了电磁作用传播的思想。法拉第的力线、场和传播等物理思想，对传统的科学观点是一个重大的突破，对于电磁学及整个物理学的发展都产生了极其深远的影响。三、麦克斯韦电磁理论的提出三、麦克斯韦电磁理论的提出 麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他全面地总结了电磁学研究的全部成果，并在此基础上提出了“感生电场”和“位移电流”的假说，建立了完整的电磁场理论体系。早在上大学的时候，麦克斯韦就迷恋于电磁现象的研究。在全部论述电磁现象的著作中，唯有法拉第的论著给他留下了最为深刻的印象。特别是
32、他早就具有“不能接受即时传播”的思想，所以很容易领悟到法拉第“力线”和“场”思想的宝贵价值，坚信法拉第的新理论中包含着真理。于是，他抱着给法拉第的这些观念提供“数学方法基础”的愿望，决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。1861年，麦克斯韦在此基础上，对变化的磁场能产生感应电动势的现象进行了深入的分析，敏锐地感觉到即使不存在导体回路，变化的磁场通过媒质也会在其周围激发出一种场，并把它称为感应电场或涡旋电场，这是麦克斯韦为统一电磁理论作出的第一个重大假设。1861年12月10日，麦克斯韦在给威汤姆逊的信中对电磁理论又作出了另一个突破性的贡献，提出了“位移电流”的概念。紧接着1862
33、年，他发表了第二篇电磁论文论物理的力线，这里麦克斯韦采用的是力学的观点，他设想两个电荷之间的作用力是由媒质所呈现的张力或运动造成的，这种张力或运动则是媒质中存在的无数“分子涡旋”运动的结果。但是分子涡流运动只是媒质的一种力学运动，这显然不是电磁场实际存在的各种联系的真实反映。因此，麦克斯韦很快就认识到，只用力学观点去解释这样复杂的电磁现象是远远不够的。位移电流的引入是麦克斯韦理论思维的一个第一流的创造，也是建立他的理论的一个关系性步骤。这使他可以把以前物理学家们所发现的导体中的电流产生围绕电流的磁力线，导体切割磁力线时在导体中产生感生电流的两个基本原理加以扩展，并且附加了另外两个原理：空间变化
34、的电场能产生磁场；空间变化的磁场能产生电场。于是展现在人们眼前的就是这样一幅崭新的物理图景：交变的电场产生交变的磁场，交变的磁场产生交变的电场。这两种相互联系、相互激发的过程使电场和磁场相互耦连成统一的电磁场。该电磁场并以横波的形式在空间传播形成电磁波。据此，麦克斯韦还推算出电波磁的传播速度等于光速。1868年，麦克斯韦又发表了一篇重要的短文关于光的电磁理论，明确地把光概括到电磁理论之中，这就是著名的光的电磁波学说。这样，麦克斯韦就把原来相互独立的电学、磁学和光学这三个重要的物理学研究领域结合起来，成为19世中叶物理学上实现的一个重大综合。1873年，麦克斯韦完成了他的名著电学和磁学通论。在这
35、部著作里，他把所有以前的电磁场理论都综合在一组方程式里，使电磁场理论这一完整的体系得到了全面、系统和严格的陈述。第五节第五节 无线电波无线电波 一、电磁波的实验证明 1870年以后，德国物理学家亥姆霍兹通过几年的研究，认识到证明电磁场理论的关键是需要证实“位移电流”的存在。1878年夏，他向学生们提出了一个物理竞赛的题目，要他们用实验的方法来验证麦克斯韦的理论。从那时候起，亥姆霍兹的学生赫兹就立志致力于这个课题的研究。1886年10月，赫兹在作放电实验时，偶然发现近旁一组线圈两端的狭缝间产生了电火花，他敏锐地想到这可能是电磁共振。于是，他开始集中力量进行验证麦克斯韦的电磁波是否存在的实验研究。
36、开始，赫兹设计了一种直线型开放振荡器，这种振荡器是在两根长为12英寸的铜棒一端各焊上一个金属球，另一端各安上一块边长16英寸方形锌板用以增加电容，两根铜棒放在同一直线上，两球之间留一间隙。他用这个装置于同年12月成功地显示了直线电流引起的电共振现象。1887年，赫兹在直线振荡器的基础上又设计出了“感应平衡器”，从而确证了麦克斯韦的“位移电流”的存在，赫兹总结了这个重要发现，并获得了柏林科学院奖。赫兹的重大贡献在于把放电回路中的平板电容器的两个极板拉开，使封闭的电磁振荡成为自由空间中的电磁波。那分开的两个极板，后来成为天线和地线。接着，赫兹又用类似的方法证实由感应圈发出的电磁波具有类似的特性，如
37、反射、折射、衍射、偏振等。同时证实了在直线传播时，电磁波的传播速度与光速有相同的数量级。从而证明了麦克斯韦光的电磁理论的正确性。赫兹于1888年1月将这些成果记载在论动电效应的传播速度一文中，证实了电磁波的存在。麦克斯韦在1873年所作出的电磁辐射压力的预言，也在1899年为俄国的列别捷夫所证实，两年后又为美国的尼科尔斯所证实。进一步的测定表明，电磁辐射可以有很宽的频率范围，其中包括热、可见光、无线电波、X射线等。这样就在更广阔的范围内发现了各种自然现象的统一性。二、无线电技术的产生与发展二、无线电技术的产生与发展 麦克斯韦关于电磁波的预言被赫兹从实验上加以证明以后，很快使人们受到启迪，既然电
38、磁波能越过空间，从发射器到接收器，那么能不能利用电磁场来传递信息呢?要把电磁波用于通信，至少还需要获得“持续不衰的电磁振荡”和“方便的电磁波检测器”两个条件。1890年，法国物理学家布兰利发现电磁振荡通过金属碎屑时，其电阻有显著变化。洛奇在1894年把“金屑检波器”用于实验室。俄国的波波夫在1888年重复了赫兹实验，第二年提出用于电磁波通信的可能性。1895年5月7日，波波夫采用火花振荡器和金屑检波器，在60米距离上实现了电磁波的发射和接收。1896年3月12日，他从彼得波大学化学系往距离250米的物理楼用莫斯码发送了第一份无线电报。意大利的马可尼也在同一年研制了类似的无线电报发射和接收装置。
39、至此，新技术的关键才得以突破。1898年，布劳恩发明了使用大电容和小阻尼的持续振荡电路，接着他建议用耦合线圈把火花放电回路和无线回路分开，并发明了几种天线。1901年，马可尼实现了从加拿大到英国的跨越大西洋的无线电通信。无线电技术开始突飞猛进。1909年，马可尼和布劳恩由于对无线电技术的贡献，分享了诺贝尔物理学奖。知识回顾知识回顾 英国的斯蒂芬格雷在1720年引入了导体这一概念。他还发现不是任何物体都具有传播电的性质。于是，他把物质分为两类：一类是非电性物体(导体)，另一类是电性物体(非导体)。1729年，格雷还发现了电荷分布在导体表面的事实。库仑设计了一种“电摆”实验，通过这个实验得出结论：
40、电的吸引力和电的排斥力一样，都遵守平方反比定律，从而完整地得出了库仑定律。1826年，德国物理学家欧姆在研究导线中电流所遵从的规律时，发现了后来以他的名字命名的重要定律欧姆定律。1820年7月，奥斯特发表了关于磁针上电流碰撞的实验的论文，这篇极其简洁的实验报告，向科学界宣告了“电流磁效应”的发现与确立。1820年9月18日，安培提出了圆形电流产生磁性的可能性；还报告了他从实验中发现的磁针转动方向和电流之间的关系。这就是被后人称之的安培右手定则。1831年11月24日，法拉第概括地总结了可以产生感应电流的五种情况：变化着的电流；变化着的磁场；运动的稳恒电流；运动的磁铁；在磁场中运动的导体。并正确
41、地指出了感应电流与原电流变化有关，而不是与原电流本身有关。法拉第将此与导体上的感应电荷作了类比，把上述现象定名为“电磁感应”。由此，法拉第作出了电磁感应现象这一划时代的发现。1873年，麦克斯韦完成了他的名著电学和磁学通论。在这部著作里，他把所有以前的电磁场理论都综合在一组方程式里，使电磁场理论这一完整的体系得到了全面、系统和严格的陈述。俄国的波波夫在1888年重复了赫兹实验，第二年提出用于电磁波通信的可能性。1895年5月7日，波波夫采用火花振荡器和金屑检波器，在60米距离上实现了电磁波的发射和接收。1901年，马可尼实现了从加拿大到英国的跨越大西洋的无线电通信。活动体验活动体验 1电力作用的平方反比定律是如何建立的?2伏打电堆是如何发明的?3舞台上的灯光可以从暗逐渐变亮，电风扇的转速可以由慢变快，这些现象如何用欧姆定律和安培定律来解释？4电流磁效应的发现有何重要意义?5简述法拉第对电磁学的贡献。6麦克斯韦建立电磁场理论的基本思考线索是什么?
