1、第三章 电磁理论的建立 l电磁现象的早期认识电磁现象的早期认识l富兰克林对雷电现象的研究富兰克林对雷电现象的研究l库仑定律的发现库仑定律的发现 l电流的发现电流的发现l电流的磁效应电流的磁效应 l电磁感应的发现电磁感应的发现l麦克斯韦电磁场理论的建立麦克斯韦电磁场理论的建立 l电磁波的发现电磁波的发现一 电磁现象的早期认识l 1.中国 西周(公元前1100-公元前771)青铜铭文就记载有“电”字和“雷”字。先秦:“阴阳相薄，感而为雷，激而为霆。霆，电也。”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。l 2.英国人吉尔伯特（1544-1623）论磁l 曾为英国伊丽莎白一世的御医，
2、1600年发表论磁石，总结了前人的经验，记载了大量实验。l 3.1663年，盖里克发明摩擦起电机。l 4.1720年，格雷研究了电的传导现象。l 5.1733年，杜非分别了两种电：松脂电和玻璃电。l 6.1745年，荷兰人马森布洛克发现了莱顿瓶，为贮存电荷找到了一个方法。二 富兰克林对雷电现象的研究富兰克林对雷电现象的研究l1.富兰克林(1706-1790):美国人l在全家17个孩子中排行15，其父是小手工业者，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，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”。l从苍天那里取得了雷电，从暴君那里取得了民权。杜尔格（法）l
3、 2.费城实验l 富兰克林40岁时，观看了电学实验，从而对电有了兴趣。其中有一个想法，天上的电和地电是统一的吗?l 1752年7月，一个电闪雷鸣的上午，他将一个风筝放到空中，风筝下有一根铁丝，铁丝下栓一根麻绳，麻绳的下一端拴丝线，绳线接触处栓了一把钥匙。l 铜钥匙可以给莱顿瓶充电，与摩擦电性质完全相同。现象:麻绳上的纤维向四周自立，犹如“怒发冲冠”富兰克林的工作，揭开了雷电的奥秘，统一了“天电”和“地电”，震惊了科学界。l小插曲：l为了验证“地电”与“天电”的相同处，富兰克林想到雷可以击死动物，于是他就实验用“地电”去击杀火鸡，结果被电打昏了。苏醒后，却不介意地说：“我本想用电杀死一只火鸡，结
4、果差点电死了一个傻瓜。”l然而，风险是的确存在的。1753年，俄国的里赫曼在做大气电实验时不幸中电身亡，为科学献身。l 3.发明避雷针:l 富兰克林并不满足，将他的发现转化为了新的发明。避雷针诞生了。l 4.科学兴趣广泛l 命名了正电，负电，发现了电荷守恒定律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。l 写出了电学的实验和研究的著作。l 5.富兰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。l 1733 年，杜菲(duFay，16981739)经过实验区分出两种电荷，他分别称之为松脂电（即负电）和玻璃电（即正电），并由此总结出静电作用的基
5、本特性：同性相斥，异性相吸。l 莱顿瓶的发明使电现象得到更深入的研究，这是克莱斯特(Kleist，17001748)和马森布洛克(Musschenbrock，16921761)在17451746年分别独立作出的。l 富兰克林(BenjaminFranklin，17061790)进一步对放电现象进行研究。他发现了尖端放电，发明了避雷针，研究了雷电现象，从莱顿瓶的研究中，提出了电荷守恒原理。1747 年富兰克林用电流体假说阐述了这一思想。l 接下来是康顿(John Canton)在1754 年用电流体假说解释了静电感应现象。至此，静电学三条基本原理：静电力基本特性、电荷守恒和静电感应原理都已经建立
6、，对电的认识有了初步的成果。然而，如果不建立定量的规律，电的知识还不能形成一门严密的科学。三 库仑定律的发现库仑定律的发现l1 类比法的成功类比法的成功l 1）普利斯特利）普利斯特利(1733-1804):德国人，氧气的发现者。化德国人，氧气的发现者。化学家。学家。l 2）富兰克林的空罐实验）富兰克林的空罐实验l 用丝线将一小块软木悬挂在带电金属罐外的附近，软木受用丝线将一小块软木悬挂在带电金属罐外的附近，软木受到吸引。但把它悬挂在罐内时，不论在罐内何处，它都不到吸引。但把它悬挂在罐内时，不论在罐内何处，它都不受电力。受电力。l 当富兰克林写信将这一现象告之普利斯特利后，普氏想当富兰克林写信将
7、这一现象告之普利斯特利后，普氏想到到:1687年牛顿曾证明年牛顿曾证明:万有引力若服从平方反比定律，则万有引力若服从平方反比定律，则均匀的物质球壳对壳内物体应无作用。均匀的物质球壳对壳内物体应无作用。l 普利斯特利将空罐实验与牛顿推理类比，联想到电力也表普利斯特利将空罐实验与牛顿推理类比，联想到电力也表现了这种特性，所以也应遵从平方反比定律。现了这种特性，所以也应遵从平方反比定律。不过，普利斯特利的结论并没有得到科学界的普遍重视，因为他并没有特别明确地进行论证，仍然停留在猜测的阶段，一直拖了18 年，才由库仑正式提出。2 库仑的引力实验库仑的引力实验 l 1.库仑(1736-1806):法国人
8、，当过法国部队的技术军官，后被选为法国科学院院士。l 2.库仑的扭秤实验l 金属丝的扭力正比于扭转角，将扭丝悬挂起来，可以测万分之一格令的小力，1785年库仑据此制成电秤，以测定电力。l 3.库仑定律l 4.库仑定律的建立使电磁学进入了定量的研究，使电磁学真正成为一门科学，数学的引入，使这门科学更锦上添花。221rqqKf 2210rmmGf 如果不是与万有引力进行类比，单靠实验具体数据的积累，严格的库仑定律的形式将很难得到。由此我们可以看到类比在科学研究中的作用。3卡文迪许卡文迪许(1731-1810)l 英国人，万有引力的验证人。他比欧姆更早发现欧姆定律，比库仑用扭秤测电力早11年，是“弦
9、丝挂，火漆封”派的带头人。l 牛顿的思想在卡文迪什和另一位英国科学家米切尔的活动中得到了体现。米切尔是天文学家，也对牛顿的力学感兴趣。米切尔推断磁力平方反比定律的结论可以说是牛顿长程力思想的胜利，把引力和磁力归于同一形式，促使人们更积极地去思考电力的规律性。l 米切尔和卡文迪什都是英国剑桥大学的成员，在他们中间有深厚的l 友谊和共同的信念。米切尔得知库仑发明扭秤后，曾建议卡文迪什用类似的方法测试万有引力。这项工作使卡文迪什后来成了第一位直接测定引力常数的实验者。正是由于米切尔的鼓励，卡文迪什做了同心球的实验。l但是卡文迪什的同心球实验结果和他自己的许多看法，却没有公开发表。直到19 世纪中叶，
10、开尔文（即W.汤姆生）发现卡文迪什的手稿中有圆盘和同半径的圆球所带电荷的正确比值，才注意到这些手稿的价值，经他催促，才于1879 年由麦克斯韦整理发表。卡文迪什的许多重要发现竟埋藏了一百年之久。l对此，麦克斯韦写道：“这些关于数学和电学实验的手稿近20 捆，”其中“物体上电荷（分布）的实验，卡文迪什早就写好了详细的叙述，并且费了很大气力书写得十分工整（就象要拿出去发表的样子），而且所有这些工作在1774 年以前就已完成，但卡文迪什（并不急于发表）仍是兢兢业业地继续做电学实验，直到1810 年去世时，手稿仍在他自己身边。”l卡文迪什出生于贵族家庭，家产厚禄，他都没有兴趣，一心倾注在科学研究之中。
11、早年攻化学和热学，发现氢氧化合成水。他后来做的电学实验有：电阻测量，比欧姆早几十年得到欧姆定律；研究电容的性质和介质的介电常数，引出了电位的概念；他发现金属的温度越高，导电能力越弱，等等。他的同心球实验比库仑用扭秤测电力的实验早11 年，而且结果比库仑精确。l 米切尔和卡文迪什是在牛顿的自然哲学的鼓舞下坚持工作的。他们证实了磁力和电力这些长程力跟引力具有同一类型的规律后，并不认为达到了最终目标，还力图探求牛顿提出的短程力。卡文迪什在他未发表的手稿中多处涉及动力学、热学和气体动力学，都是围绕着这个中心，只是没有明确地表达出来。米切尔则把自己对短程力的普遍想法向普利斯特利透露过，在普利斯特利的著作
12、1772 年发表的光学史一书中记述了米切尔的思想。四 电流的发现l1 伽伐尼的研究伽伐尼的研究(1737-1798):意大利人，解剖学教授。l1780年他与学生解剖青蛙，发现电火花会使蛙腿抽搐，后来他又发现当用铜钩倒挂蛙腿，再用铁梁横挑，蛙腿也会痉挛。l1791年发表了论文论肌肉运动中的电力。l发现电流的第一人，但认为是一种动物电。“我们想到用不导电或不大导电的其它物体，如由玻璃、橡皮、树脂、石或木等物质制成的，但都是干的东西来试。结果都不发生这样的现象，既看不到肌肉的紧缩，也看不到肌肉的运动。这当然激起了我们的惊奇，并使我们以为动物本身就有电。我们认为这种看法是正确的，因为我们的假定是，在紧
13、缩现象发生时，有一种很细的神经流体从神经流到肌肉中去，就象莱顿瓶中的电流一样。”伽伐尼的著作发表以后，欧洲各国对动物电形成了研究热潮，很多人投入到这项实验之中。2 伏打（伏打（1737-1798）的）的“金属接触说金属接触说”l1.伏打l意大利帕维大学教授，否定了伽伐尼动物说。他认为，电来自两种不同金属的接触，青蛙只不过是起了验电器的作用。l为了阐明自己的观点，他比较了各种金属，并把它们排成表，只要将其中两种金属接触，就可以产生接触电势差。l2.伏打电池第一个直流电源1800 年，伏打把锌片和铜片夹在用盐水浸湿的纸片中，重复地叠成一堆，形成了很强的电源，这就是著名的伏打电堆。把锌片和铜片插入盐
14、水或稀酸杯中，也可以形成电源，叫做伏打电池。由此他得到了拿破仑授予的一枚金质奖章。并成为法国科学院的院士。今天电学中的一个重要单位伏特，就是为了纪念他。l3.意义l电池的发明，提供了产生恒定电流的电源，使电学从静电走向动电，为人们研究电流的各种效应提供了条件。从此电学进入了飞速发展时期。3 欧姆定律欧姆定律(1787-1854)l欧姆，德国人，家境贫困，中断大学学业后当了中学老师。后被慕尼黑大学任命为教授。l将付里叶在热学中提出的热流、热阻，类比电学中的电流、电阻，温度差类比电势差，通过实验验证，在1826年发现了欧姆定律，由此与电流相关的物理量可以测定和推出。l人们为纪念他，将电阻的单位定为
15、“欧姆”。欧姆下了很大功夫进行实验研究。开始欧姆所用电源是伏打电堆，由于这种电源不稳定，给欧姆的实验带来很大困难。1821 年塞贝克（T.J.Seebeck）发明温差电偶。波根道夫（J.C.Poggendorff）建议欧姆采用温差电偶做电源，这才得到稳定的电源。欧姆定律的建立在电学发展史中有重要意义。但是当时欧姆的研究成果并没有得到德国科学界的重视。直到1841 年，英国皇家学会才肯定欧姆的功绩，那一年，欧姆获得了英国皇家学会的科普利奖。五 电流的磁效应l自吉尔伯特开始以来的二百多年，电和磁一直是毫无关系的两门学科，围绕电与磁寻找自然现象之间的联系，成为一种潮流。l1820年，奥斯特发现了电流
16、的磁效应，建立了电与磁的联系。1 发现电流磁效应发现电流磁效应 l1）电力与磁力都遵守平方反比定律，说明它们有类似的规律。1751年，富兰克林发现缝纫针过电后磁化了。但规律究竟在哪里？l2）奥斯特(1777-1851)丹麦人:发现电流磁效应的第一人。l“在观察的领域内，机遇只偏爱那种有准备的头脑。”巴斯德l 奥斯特寻找电与磁的关系的想法酝酿已久:l 1803年:“我们将把整个宇宙容纳在一个体系中。”他认为“自然力之统一”。l 1812年:“我们应该检验的是，究竟电是否以其最隐蔽的方式对磁体有类似的作用。”l 1818-1819年，与奥共事的人说:“奥斯特经常在寻找这两种大自然力之间的关系。”l
17、 机会来了，1820年4月，奥斯特在一次讲课中，发现磁针在通电导线的作用下动了一下!这才恍然大悟，原来以前总把电流的磁力想象为纵向，实际应为横向。l 奥斯特紧抓不放，经过反复实验，查明了电流具有磁效应。1820年7月21日，发表了电流对磁针的作用的实验，引起了学术界的轰动。l3）意义l第一个解释出了电与磁之间的内在联系。l为电报和电机的发明开辟了道路。l为电磁场理论的发展奠定了基础。2 安培和安培定律安培和安培定律 l1）安培(1775-1836):法国科学家。l安培在法国长大时，正是法国社会变革时期，他几乎没受过正规教育，只好以他父亲和百科全书做老师。个人遭遇不好，家庭几经磨难。即使这样，也
18、没有动摇安培对科学的追求。1827年发表了名著从实验导出的关于电动力学现象的数学理论。人们为纪念他，将电流强度的单位定义为“安培”。l2）两篇论文l阿拉果在1820年9月11日在法国科学院演示了奥斯特的实验，引起了安培的兴趣。安培夜以继日地工作一周之后，于9月18日发现了电流间也存在着相互作用力，在1820年12月4日，又提出了著名的安培定律：2sinsinsinddryxkl 3）经验l 安培在总结他的经验时，这样写到：“从对实施的观察开始，尽可能地改变伴随事件，并佐以精确的测量，以便导出完全基于试验的一般规律，再从这些规律导出这些力的数学表达式这就是牛顿所遵循的路线。”l 安培的电流元之间
19、作用力的又一个平方反比规律的发现，是人们对大自然力之间的内在联系又有了一个新的认识。安培的工作，为以后电动力学的研究和发展，开拓了一个新的基础。六 电磁感应的发现l1 法拉第法拉第(1791-1867):英国物理学家。l 法拉第是一个穷铁匠的儿子，兄妹10人。小学没毕业就失学，当了装订工。但失学不失志，经常阅读书报。当了戴维助手。1821年受任为皇家研究所试验室主任。l 1821年，开始电磁学的研究，总共工作四十年。l 写出了电学的实验研究。l 一生谢绝了许多奖赏。l“在物理学的全部历史中最全能的实验物理学家却是一个仅受过初等教育的人。他，就是法拉第。”萨莫斯（美）2 法拉第的主要贡献法拉第的
20、主要贡献l1）电磁感应的发现:l一贯追求科学真理，相信自然力的统一。l1831年8月29日，法拉第终于取得了突破性进展。变磁激发了电。l一个月后，法拉第向英国皇家学会报告，产生感应电流的情况可以分为5类。l1833年，楞茨发现楞茨定律，判断感应电流的方向。法拉第在整理电磁学文献时，为了判断各种学说的真伪，亲自做了许多实验，其中包括奥斯特和安培的实验。在实验过程中他发现了一个新现象：如果在载流导线附近只有磁铁的一个极，磁铁就会围绕导线旋转：反之，如果在磁极周围有载流导线，这导线也会绕磁极旋转，这就是电磁旋转现象。与此同时，法拉第对安培的“分子电流”理论提出不同看法。法拉第的电磁旋转器l 2）力线
21、的提出者l 为了解释电磁现象，必须找到一种直观表示的方法。法拉第从大量的实验中想象出描写电磁作用的力线，经数学家证明了其概念的正确，他为场的理论建立作出贡献。l 汤姆逊说:“我想电场和磁场的许多性质，借助力线就可以最简单而富有暗示地表示出来。”l 3）其他l 法拉第对光的磁化、电流的化学现象和反磁性的发现等都有自己独到的见解。法拉第从广泛的实验研究中构想出描绘电磁作用的“力线”图象。他认为电荷和磁极周围的空间充满了力线，靠力线（包括电力线和磁力线）将电荷（或磁极）联系在一起。力线就象是从电荷（或磁极）发出、又落到电荷（或磁极）的一根根皮筋一样，具有在长度方向力图收缩，在侧向力图扩张的趋势。他以
22、丰富的想象力阐述电磁作用的本质。法拉第研究了电介质对电力作用的影响，认识到这一影响表明电力不可能是超距作用，而是通过电介质状态的变化；即使没有电介质，空间也会产生某种变化，布满了力线。后来，法拉第又进一步研究了磁介质，解释了顺磁性和反磁性。电磁感应现象则解释为磁铁周围存在某种“电应力状态”（electro-tonic state），当导线在其附近运动时，受到应力作用而有电荷作定向运动；回路中产生电动势则是由于穿过回路的磁力线数目发生了变化。法拉第的力线思想实际上就是场的观念，这是近距理论的核心内容。3 法拉第的研究思路法拉第的研究思路l 1）对自然力的统一性可转化性坚信不移。l“我早已持有一种
23、见解，它几乎达到深信不移的程度，而且我想这也是其他许多自然科学爱好者的见解，即物质之力所表现出来的各种形式具有普遍的起源。”l 2）.对电磁波的朦胧预见:“磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动。”l 3）研究特色l 法拉第通过力线和场，将电场和磁场的重要性质表现出来了。l 麦克斯韦:“在数学家看到相互超具吸引力的中心的时候，法拉第则用他特有的思维的眼睛看到穿过全空间的力线。”l 4）法拉第思想方法的一些局限性：将一切归结于“力”等。4 对法拉第的高度评价对法拉第的高度评价l 一生最大的发现，是发现了法拉第。戴维l 我们把法拉第首先看作是科学家中最有成效最高尚的典型。l 麦克斯韦l 铁匠
24、的儿子法拉第，在青年时代的早期，作过装订工人的学徒，临死时是所有科学学会的会员，是那时物理学家公认的领袖。l 斯托列托夫l 当法拉第在演示他的电磁感应现象时，一位贵妇曾问道：“您的电流计指针动一下有什么意义呢？”法拉第回答道：“夫人，当一个婴孩诞生的时候，您会想到他将会完成何等事业吗？”l 法拉第如此至爱的这个“婴儿”，的确有着惊人之举。1867年西门子根据这一原理创造了发电机，从此人类有了“电”，它至今仍为我们带来光明和幸福。当我们在尽情享受电灯、电视、电影这一切现代文明的时候，我们怎能不感谢这位铁匠的儿子呢？七 麦克斯韦电磁场理论的建立麦克斯韦电磁场理论的建立l 从出生地来说他属于爱丁堡，
25、从功绩上来说他属于全世界。l 普朗克l 1 麦克斯韦麦克斯韦(1831-1879)简介简介l 英国物理学家、数学家。11月13日出生时，是法拉第发现电磁感应后2个多月。15岁在“爱丁堡皇家学报”发表论文，1854年从剑桥大学毕业，卡文迪什试验室首任主任。l 虽然只活了49 岁，但他却写了100多篇有价值的论文。l 麦克斯韦是一位可以与牛顿、爱因斯坦相提并论的科学家。2 建立电磁场理论的工作建立电磁场理论的工作l“把数学分析和实验研究联合使用所得到的物理知识，比之一个单纯实验人员或单纯的数学家能具有的知识更坚实，有益和巩固。”麦克斯韦l 1）1856 年，麦克斯韦发表了论法拉第力线一文，受到法拉
26、第的赞赏。法拉第说：“我惊讶地看到，这个主题居然处理得如此之好”，麦克斯韦在文中认为法拉第将磁现象归结为力和场的观点，是一种更合适的科学语言。文中采用了类比法，将流线的数学表达式应用到静电理论中。l 2）1860年，70岁的法拉第和30岁的年轻人麦克斯韦见面了，建立电磁理论的共同心愿超越了年龄的鸿沟，法拉第对麦克斯韦说:“你不要停留在用数学来解释我的观点上，而应该突破它。”l 1861年，麦克斯韦写了论物理力线，提出:l 一个关于力线的机械模型，即电磁以太模型。l 创造性地提出位移电流和涡旋电场的两大重要假设。l 提出光波就是电磁波的理论：“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电
27、磁振动。”将电、磁、光理论进行了一次伟大的综合。l 3）1865年，发表了电磁场的动力学理，用场的观点总结了电磁理论，构建了全新的理论框架。l 4）1873年，麦克斯韦出版了电磁学通论一书，进一步将电磁学实验规律和定理定律，综合概括在一个方程组中，以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内在的完美对称。电磁学通论是人类第一个有关经典场论的不朽之作。l 1874年，麦克斯韦任卡文迪什实验室首任主任，1879年11月3 日，49岁逝世。l 临终之际，他仍坚信自己的预言电磁波理论，一定会插上翅膀飞向全球。3 麦克斯韦成功的基本要素麦克斯韦成功的基本要素l 1）寻找不同现象之间的联系，对电光磁建立了统一的理
28、论解释。l 2）在科学发现中重视科学方法的应用。l 麦克斯韦曾写道：“为了采用某种物理知识而获得物理思想，我们应当了解物理相似性的存在。利用这种类似，可以用其中之一，说明其中之二。”l 3）想象力丰富，大胆猜测假设。l 科学家也需要幻想，幻想不只是文学家的事。郭沫若l 4）知识底蕴丰厚。l 5）对理论完美和谐的不懈追求。l 麦克斯韦认为：自然界是和谐的，一种反映自然规律的理论，如果框架上不完善，不和谐，也就意味着要进一步改进和探索。4 意义l经典电磁理论的确立，成为人类改造自然，提高生产力的有力杠杆。据载，科技利用程度较高的生产率比之单纯手工业生产率在1770年为4：1，而在电气工业出现后这个
29、比例为108：1。电磁学理论的成功，说明了科技是第一生产力。8电磁波的发现l 尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性并和一切经验相符合，但它只能逐渐地被物理学家接受。l 劳厄l 1 赫兹赫兹(1857-1894):德国物理学家l 1878 年是基尔霍夫和亥姆霍兹的学生。l 1880年获博士学位。l 1885年发现电磁波，89年到波恩大学任教。l 1894年因血中毒而去世。2 电磁波的发现电磁波的发现 l 麦克斯韦电磁论发表后，由于理论难懂，无实验验证，并未受到重视。l 1886年，赫兹作成电磁波检验器并宣布“电磁感应是以波动形式在空气中传播的。”l 赫兹在1888年证明了电磁波的存在。这样由法拉第开
30、创，麦克斯韦建立，赫兹验证的电磁场理论向全世界宣告了它的胜利。l 插曲：比赫兹实验早七年，一位叫戴维的人也接收到了电磁波信号，他随即向英国皇家协会会长G斯托克斯汇报，但斯托克斯认为这只是普通的电磁感应现象，戴维过于迷信权威，对于这一天赐良机未与重视，使发现被埋没了。3 成果成果l无线电报(1901)广播(1906)电话(1916)传真(1923)电视(1929)微波(1933)雷达(1935)卫星通讯电子计算机因特网等都与电磁波理论相关。l*发明家爱迪生（1827-1931）:l 1.爱动脑筋l 由于爱提一些问题，老师不喜欢他，只上三个月就退学了，由母亲教他。但爱迪生自强不息，方法得当，一生在专利局的发明就有1328项，平均15天就有一项发明问世。l 比如，他常想声音能使细针颤动，反过来针的颤动能否变成声音？正是采用正确的逆向思维的方法，在1877年12月6日，爱迪生发明了留声机。l 1879 年10月研制出电灯，另外蓄电池，电影等都是爱迪生发明的。l2.1929年10月21日，爱迪生由美国总统亲自搀扶，参加要会，厅内各个角落的电灯大放光明，爱迪生说:“我这一生行将结束，我的人生哲学是工作，我要大胆揭示大自然的奥秘，并以此为人类造福。”
