經(jīng)典電磁理論的建立重點

1、經(jīng)典電磁理論的建立在古代，人們對靜電和靜磁現(xiàn)象已分別有一些認識，但從這門學科的發(fā)展來看，直到 十八世紀末十九世紀初，電和磁之間的聯(lián)系才被揭露出來，并逐步發(fā)展成為一門新的學科 電磁學。電磁學的發(fā)展之所以比較晚，主要是由于電磁學的研究需要借助于更為精密的 儀器和更精確的實驗方法，而這些條件只有生產(chǎn)發(fā)展到一定水平之后才能具備。首先對于電和磁現(xiàn)象進行系統(tǒng)地實驗研究的是英國的威廉吉爾伯特。他通過一系列 的實驗認識到電力和磁力是性質(zhì)不同的兩種力。例如，磁力只對天然磁石起作用， 而電力能作用于許多材料。他第一個將琥珀與毛皮摩擦后吸引輕小物體的性質(zhì)叫做“電”。吉爾伯特這種關于電和磁在本質(zhì)上不同的觀點，給后來的

2、電磁學的發(fā)展留下了深刻的影響，直至十九世紀初，許多科學家都把這兩種現(xiàn)象看作是毫無聯(lián)系的。吉爾伯特之后的整個十七世紀，對電和磁的研究進展不大。到了十八世紀四十年代，起電裝置的改善和大氣現(xiàn)象的研究，引起了物理學家的極大 興趣。1745年荷蘭萊頓大學的馬森布羅克(16921761)和德國的克萊斯德 (17001748)各自發(fā)明了 “蓄電”的最早器具一一萊頓瓶。1752年7月，美國的富蘭克林進行了一次震動世界的吸取天電的風箏實驗，從而使人們認識到天空 的閃電和地面上的萊頓瓶放電現(xiàn)象是一致的。富蘭克林還提出了電荷守恒的思想 和電的“單流質(zhì)”說，他認為一個物體所帶的電流質(zhì)是一個常量，如果流質(zhì)在一 個物體比

3、常量多，就帶負電，比常量少就帶正電。他在風箏實驗的基礎上，發(fā)明 了 “避雷針”。由于他在電學方面做出了杰出貢獻，而被譽為近代電學的奠基人。我們知道，牛頓在發(fā)現(xiàn)萬有引力的過程中，曾用數(shù)學方法證明過，如果引力隨著引力 中心距離的平方反比減少，一個均勻球殼對其內(nèi)部的物體就沒有引力的作用。1775年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)將一小塊軟木塊懸于帶電的金屬罐內(nèi)并不受到電力的作用。他的朋友普里斯特列(17331804)根據(jù)這個實驗和牛頓對萬有引力定律的數(shù)學證明推想 電的作用力也遵守平方反比定律。1771年，英國物理學家卡文迪許也用類似的 實驗和推理的方法對電力相互作用的規(guī)律進行了研究，他從實驗得到電力與距離的n律。庫侖

4、定律的發(fā)現(xiàn)為靜電學奠定了理論基礎。通過西蒙泊松 (17811840)、 高斯(17771855)和喬治格林(17931841)等人的工作，確定了處理靜電場和 靜磁場的數(shù)學方法。十八世紀末，1780年意大利的醫(yī)生和動物學教授伽伐尼(17371798)在解剖 青蛙時，發(fā)現(xiàn)了電流，這是電學發(fā)展史上的一個轉(zhuǎn)折點。在伽伐尼發(fā)現(xiàn)的基礎上， 伏打于1800年制成伏打“電堆”，得到了比較強的電流，從而使人的認識由靜 電進入動電，由瞬時電流發(fā)展到恒定電流，為進一步研究電流運動的規(guī)律和電運 動與其他運動形式的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了條件。電池的出現(xiàn)立即引起了化學家的注意。 1807 年，英國化學家戴維在電解水時發(fā) 現(xiàn)生成

5、的氫氣和氧氣體積之比為 2：1。1834年法拉第發(fā)現(xiàn)了以他的名字命名的 兩個電解定律，為電化學的創(chuàng)立奠定了基礎。自古以來，電和磁一直被認為是兩種彼此無關的現(xiàn)象。富蘭克林雖然在 1751 年就己 發(fā)現(xiàn)萊頓瓶放電可以使鐵磁化或退磁的現(xiàn)象， 也曾有過閃電改變磁針的磁性強度 和使小刀變成磁體的報導， 但卻沒有人對電和磁之間的聯(lián)系作過系統(tǒng)的研究。 德 國自然哲學家謝林（17751845）認為世界上各種運動形式之間具有統(tǒng)一性，光、 電、磁、化學力等都是相互聯(lián)系的，是同一事物的不同側(cè)面。丹麥的奧斯特在謝 林的這種思想的指導下，經(jīng)過長期的研究于 1820年發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應。奧斯 特的發(fā)現(xiàn)初步揭開了電與磁的內(nèi)

6、在聯(lián)系，為電磁學的迅速發(fā)展揭開了新的一頁。 奧斯特的發(fā)現(xiàn)一公布， 安培等人立即從事這方面的研究， 很快就得到了確定電流 磁效應的安培定則和電流之間相互作用力的定量規(guī)律， 即安培定律和畢奧薩伐 爾拉普拉斯定律。 “電動力學”這個名詞也是安培首先提出來的。安培還以分 子電流的假說解釋了物體的磁性。 1 826年，德國物理學家歐姆利用電流的磁效 應來量度電流強度，引入電阻的概念，得到了歐姆定律。電可以轉(zhuǎn)化為磁，那么磁是否也可以轉(zhuǎn)化為電呢？進一步揭示電和磁之間辯證關系的 最重要的研究是法拉第作出的。他以現(xiàn)象間存在著普遍聯(lián)系的觀點為指導，于1822 年提出了“把磁轉(zhuǎn)化為電”的研究課題，他經(jīng)過了十年堅持不

7、懈的努力，在 1831 年 從實驗中發(fā)現(xiàn)變化的磁場可以產(chǎn)生感生電流， 從而得到電磁感應定律。 接著楞次 受到了法拉第、安培等人的啟發(fā)，并作了一系列的實驗，于 1833年底得到了確 定感生電流方向的楞次定律。電磁感應的發(fā)現(xiàn)，是科學史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一， 它揭示了自然界中的機械運動、 磁運動、 電運動并不是獨立的， 而是普遍地聯(lián)系 著的，是可以相互轉(zhuǎn)化的。 這一發(fā)現(xiàn)在理論上為電磁場理論的誕生作好了最重要 的準備；在實踐上為電動機、 發(fā)電機的發(fā)明制造奠定了基礎， 打開了通向電氣時 代的大門。十九世紀六十年代，麥克斯韋于 1855 年到 1865 年間，總結(jié)了前人的成果，特 別是總結(jié)了從庫侖到安培、

8、法拉第等人的電磁學的全部成果， 并在前人工作的基 礎上提出了 “位移電流” 、 “渦漩電場” 等概念。他認為不僅傳導電流產(chǎn)生磁場， 在空間變化的電場也會產(chǎn)生磁場， 而變化的磁場不僅在導線中感生出電流， 在無 導體的空間也會產(chǎn)生感生電場， 這樣就得到了變化的電場產(chǎn)生磁場， 變化的磁場 產(chǎn)生電場的結(jié)論。 麥克斯韋以他的高度的抽象力和卓越的數(shù)學才華， 于 1864年， 把紛繁復雜的電磁現(xiàn)象和電磁運動的一系列基本規(guī)律用四個偏微分組方程加以 概括，建立了電動力學的基本運動方程麥克斯韋方程組。 麥克斯韋電磁理論 方程的建立，是從牛頓的引力場到愛因斯坦的相對論這段時期中物理學史上最重 大的理論成就。 通過這些方程可以看出， 自然界中由于電磁場的相互作用而存在 著電磁波，從而揭示了電、磁、光現(xiàn)象的統(tǒng)一性，完成了經(jīng)典物理學的第三次大 綜合。電磁波存在的預言，直到 1 887年，才由德國人赫茲用實驗予以證實。他