生活中的物理2——電磁學(xué)的發(fā)展 巴蜀選修課程

1、電磁學(xué)的發(fā)展目錄2.1 電磁現(xiàn)象的早期研究2.2 電磁學(xué)的建立2.3 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與研究2.4 電磁場(chǎng)理論的建立22.1 電磁現(xiàn)象的早期研究 2.1.1 靜電學(xué)的發(fā)展 我國(guó)東漢時(shí)期，王充在論衡一書(shū)中提到頓牟掇芥等問(wèn)題，也是說(shuō)摩擦過(guò)的琥珀能吸引輕小物體。 公元前7世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家泰勒斯已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用毛織物摩擦過(guò)的琥珀能吸引某些輕小物體。Electricity（電）這個(gè)字的起源就來(lái)自希臘文的“琥珀”(elec tron)。 31600年吉爾伯特與 首先對(duì)電和磁現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的是英國(guó)的威廉吉爾伯特 。 英國(guó)伊麗莎白女王的御醫(yī)、英國(guó)皇家科學(xué)院物理學(xué)家。 主要在電學(xué)和磁力學(xué)方面有很大貢獻(xiàn)。 吉

2、爾伯特的工作是實(shí)驗(yàn)和學(xué)術(shù)知識(shí)結(jié)合的典范。4威廉吉爾伯特（William Gilbert，15441603） 他認(rèn)識(shí)到電力和磁力是性質(zhì)不同的兩種力。 他第一個(gè)將琥珀和毛皮摩擦后吸引輕小物體的性質(zhì)叫做“電”。5蓋利克和起電機(jī) 蓋利克 起電機(jī) 最早的靜電起電機(jī)出現(xiàn)在17世紀(jì)，O.von.蓋利克利用搖柄使一個(gè)硫磺球（后改用玻璃球）迅速旋轉(zhuǎn)，用人手（或皮革）與之摩擦起電。 到19世紀(jì)，這種摩擦起電機(jī)為感應(yīng)起電機(jī)所取代。618世紀(jì)電的研究電流趣聞第一個(gè)讓電荷奔跑的人斯蒂芬格雷 1729年，斯蒂芬.格雷在研究琥珀的電效應(yīng)是否可傳遞給其他物體時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別： 金屬可導(dǎo)電，絲綢不導(dǎo)電。7 斯蒂芬斯蒂芬

3、格雷格雷（Stephen Gray） 最重要的貢獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了電的傳導(dǎo)現(xiàn)象 格雷還做過(guò)一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：把一個(gè)小孩用幾根粗絲繩水平吊起來(lái)，用摩擦過(guò)的帶電玻璃管接觸小孩的胳臂，孩子的手和身體便能吸引羽毛和銅屑。這表明，人也是導(dǎo)體。 8正負(fù)電荷的發(fā)現(xiàn) 1734年法國(guó)人迪費(fèi)（Charles-Francois du Fay，16961739）迪費(fèi)根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)斷定電有兩種： 一種是與琥珀帶的電性質(zhì)相同，叫做“琥珀電”； 一種是與玻璃帶的電性質(zhì)相同，叫做“玻璃電”。9 帶相同電的物體互相排斥；帶不同電的物體彼此吸引102.1.2 電線與流動(dòng)的電荷 1、萊頓瓶的發(fā)明 1746年，荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué)教授馬森

4、布羅克（Pieter von Musschenbrock, 16921761） 發(fā)明了能保存電的萊頓瓶。11馬森布羅克有趣的實(shí)驗(yàn)12富蘭克林與費(fèi)城實(shí)驗(yàn) 在 1752 年 7 月的一個(gè)雷雨天富蘭克林做了著名的費(fèi)城實(shí)驗(yàn)： 風(fēng)箏上安上一根尖細(xì)的鐵絲，用來(lái)捕捉電，并用麻繩與這鐵絲相連，麻繩的末端拴一把銅鑰匙，鑰匙塞在萊頓瓶中間 13 14富蘭克林（富蘭克林（Benjamin Franklin，17061790年）年） 是是18世紀(jì)美國(guó)的實(shí)業(yè)家、科學(xué)家、社會(huì)活動(dòng)世紀(jì)美國(guó)的實(shí)業(yè)家、科學(xué)家、社會(huì)活動(dòng)家、思想家和外交家，家、思想家和外交家，美國(guó)美國(guó)獨(dú)立宣言獨(dú)立宣言和美國(guó)憲法的起草人之一。和美國(guó)憲法的起草人之一

5、。正負(fù)電的命名 1747年，富蘭克林首先以正電荷、負(fù)電荷的名稱(chēng)來(lái)區(qū)分兩種電荷。 他把摩擦?xí)r物體獲得的電的多余部分叫做帶正電，物體失去電而不足的部分叫做帶負(fù)電。這種命名方法一直延續(xù)至今。15電荷守恒定律 1747年他根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出：在正常條件下電是以一定的量存在于所有物質(zhì)中的一種元素；電跟流體一樣，摩擦的作用可以使它從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，但不能創(chuàng)造； 任何孤立物體的電總量是不變的，這就是通常所說(shuō)的電荷守恒定律。16意義正、負(fù)電的提出，為定量研究電現(xiàn)象提供了基礎(chǔ)，使人們第一次可以用數(shù)學(xué)來(lái)表示帶電現(xiàn)象，其重要性是顯而易見(jiàn)的。172.1.3 伏打與伏打電堆 1、伽伐尼電流的發(fā)現(xiàn) 1780年，意大利

6、的解剖學(xué)家伽伐尼偶然觀察到與金屬相接觸的蛙腿發(fā)生抽動(dòng)。182、伏打電堆 1800年3月20日，他制造了第一個(gè)能產(chǎn)生持續(xù)電流的化學(xué)電池。19其裝置為一系列按同樣順序疊起來(lái)的銀片、鋅片和用鹽水浸泡過(guò)的硬紙板組成的柱體，叫做伏打電堆。這是第一個(gè)能人為產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)電流的裝置，為電流現(xiàn)象的研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)化學(xué)電源發(fā)明 1800年卡萊爾和尼科爾森用低壓電流分解水； 同年里特成功地從水的電解中搜集了兩種氣體，并從硫酸銅溶液中電解出金屬銅； 1807年，戴維利用龐大的電池組先后電解得到鉀、鈉、鈣、鎂等金屬；20 1811年他用2000個(gè)電池組成的電池組制成了碳極電??； 從19世紀(jì)50年代起它成為燈塔、劇院

7、等場(chǎng)所使用的強(qiáng)烈光電源， 直到70年代才逐漸被愛(ài)迪生發(fā)明的白熾燈所代替。此外伏打電池也促進(jìn)了電鍍的發(fā)展，電鍍是1839年由西門(mén)子等人發(fā)明的。212.2 電磁學(xué)的建立 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展意義重大。 它揭示了電與磁相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)變的又一重要性質(zhì)，推動(dòng)了電磁學(xué)理論的的發(fā)展。 在應(yīng)用方面，為大規(guī)模地利用電能開(kāi)辟了廣闊的道路22閃電可以使羅盤(pán)的磁針旋轉(zhuǎn)奧斯特實(shí)驗(yàn) 在1820年4月發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)：當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，引起導(dǎo)線近旁的磁針偏轉(zhuǎn)。23丹麥物理學(xué)丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特家?jiàn)W斯特(Hans Christian Oersted，17771851)通電導(dǎo)線周?chē)陀来朋w周?chē)粯佣即嬖诖艌?chǎng)。通電導(dǎo)

8、線周?chē)陀来朋w周?chē)粯佣即嬖诖艌?chǎng)。同年7月21日以關(guān)于磁針上電沖突作用的實(shí)驗(yàn)為題發(fā)表了他的發(fā)現(xiàn)。 這篇短短的論文使歐洲物理學(xué)界產(chǎn)生了極大震動(dòng)，導(dǎo)致了大批實(shí)驗(yàn)成果的出現(xiàn)，由此開(kāi)辟了物理學(xué)的新領(lǐng)域電磁學(xué)。為了紀(jì)念他，國(guó)際上從1934年起命名磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位為奧斯特，簡(jiǎn)稱(chēng)“奧”。24 1820年，畢奧（J. B.Biot， 17741862）和薩伐爾（Felix Savart，17911841）關(guān)于長(zhǎng)直載流導(dǎo)線對(duì)磁極作用力的實(shí)驗(yàn)。2502sin4LIdlBdBr安培定律v1820年7月，安培關(guān)于載流螺線管與磁鐵等效性的實(shí)驗(yàn)；l安培從電流與電流之間的相互作用進(jìn)行探討。l他把磁性歸結(jié)為電流之間的相互作用，

9、26安培安培(Ampre，17751836)是法國(guó)物理學(xué)家、是法國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家數(shù)學(xué)家安培研究電流相互作用的儀器安培研究電流相互作用的儀器 1827年，安培將他的電磁現(xiàn)象的研究綜合在電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論一書(shū)中 ，這是電磁學(xué)史上一部重要的經(jīng)典論著，對(duì)以后電磁學(xué)的發(fā)展起了深遠(yuǎn)的影響。為了紀(jì)念安培在電學(xué)上的杰出貢獻(xiàn)，電流的單位安培是以他的姓氏命名的。272.3 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)28 2.3.1 1831年 法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律 1821年9月他發(fā)現(xiàn)通電的導(dǎo)線能繞磁鐵旋轉(zhuǎn)以及磁體繞載流導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，第一次實(shí)現(xiàn)了電磁運(yùn)動(dòng)向機(jī)械運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，從而建立了電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)室模型。 1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。

10、法拉第法拉第(Michael Faraday 1791-1867)是英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家，也是著名的自學(xué)成才的科學(xué)家法拉第對(duì)電磁學(xué)的貢獻(xiàn)不僅是發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)，他還發(fā)現(xiàn)了光磁效應(yīng)（也叫法拉第效應(yīng)）、電解定律和物質(zhì)的抗磁性。他在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了力線思想和場(chǎng)的概念，為麥克斯韋電磁場(chǎng)理論奠定了基礎(chǔ)。 法拉第的實(shí)驗(yàn)大體上可以歸為兩類(lèi)：n一類(lèi)實(shí)驗(yàn)是磁鐵與線圈有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生了電流；n另一類(lèi)實(shí)驗(yàn)是當(dāng)一個(gè)線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，在它附近的其他線圈中也產(chǎn)生了電流。法拉第將這些現(xiàn)象與靜電感應(yīng)類(lèi)比，把這些現(xiàn)象正式定名為電磁感應(yīng)。29法拉第根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)總結(jié)出了如下定律： 電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過(guò)

11、這一閉合電路的磁通變化率成正比。 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)用 表示，即 （負(fù)號(hào)反映感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與磁通量變化的關(guān)系）這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。30法拉第電磁感應(yīng)定律的重要意義： 一方面，依據(jù)電磁感應(yīng)的原理，人們制造出了發(fā)電機(jī)，電能的大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離輸送成為可能； 另一方面，電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工技術(shù)、電子技術(shù)以及電磁測(cè)量等方面都有廣泛的應(yīng)用。 人類(lèi)社會(huì)從此邁進(jìn)了電氣化時(shí)代。311832年亨利發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象 1829年，亨利改進(jìn)電磁鐵，他用絕緣導(dǎo)線密繞在鐵芯上，制成了能提起近一噸重物的強(qiáng)電磁鐵。 同年，亨利在用實(shí)驗(yàn)證明不同長(zhǎng)度的導(dǎo)線對(duì)電磁鐵的提舉力的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)了電流的自感現(xiàn)象：斷開(kāi)通有電流的長(zhǎng)導(dǎo)線可以產(chǎn)生明亮

12、的火花。 1832年，他在發(fā)表的論文中宣布發(fā)現(xiàn)了自感現(xiàn)象。32亨利（Joseph Henry，1797.12.171878.5.13） 美國(guó)物理學(xué)家1833年 楞茨定律法拉第只是定性地用文字表述了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1833年楞茨（Lenz）進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)楞茨定律，說(shuō)明感應(yīng)電流的方向。1845年才由紐曼（F.E.Neumann，17981895）以定律的形式提出電磁感應(yīng)的定量規(guī)律。33楞次（楞次（Heinrich Friedrich Emil Lenz）是俄國(guó)物理學(xué)家是俄國(guó)物理學(xué)家和和物理學(xué)家物理學(xué)家它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與引起感應(yīng)的原磁場(chǎng)它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與引起感應(yīng)的原磁場(chǎng)的變化方向相反的變化方向相反法拉

13、第的力線思想 法拉第從廣泛的實(shí)驗(yàn)研究中構(gòu)想出描繪電磁作用的“力線”圖象。 他認(rèn)為電荷和磁極周?chē)目臻g充滿了力線，靠力線（包括電力線和磁力線）將電荷（或磁極）聯(lián)系在一起。34 法拉第是電磁場(chǎng)理論的奠基人，他首先提出了磁力線、電力線的概念，在電磁感應(yīng)、電化學(xué)、靜電感應(yīng)的研究中進(jìn)一步深化和發(fā)展了力線思想，并第一次提出場(chǎng)的思想，建立了電場(chǎng)、磁場(chǎng)的概念。 愛(ài)因斯坦曾指出，場(chǎng)的思想是法拉第最富有創(chuàng)造性的思想，是自牛頓以來(lái)最重要的發(fā)現(xiàn)。 麥克斯韋正是繼承和發(fā)展了法拉第的場(chǎng)的思想，為之找到了完美的數(shù)學(xué)表示形式從而建立了電磁場(chǎng)理論。351847年湯姆生的類(lèi)比思想 1847年，W.湯姆生進(jìn)一步研究了電磁現(xiàn)象與彈性

14、現(xiàn)象的相似性，在題為論電力、磁力和伽伐尼力的力學(xué)表征一文中，以不可壓縮流體的流線連續(xù)性為基礎(chǔ)，論述了電磁現(xiàn)象和流體力學(xué)現(xiàn)象的共性。 W.湯姆生運(yùn)用類(lèi)比方法，把法拉第的力線思想轉(zhuǎn)變?yōu)槎康谋硎?，為麥克斯韋的工作提供了十分有益的經(jīng)驗(yàn)。362.4 電磁場(chǎng)理論的建立 2.4.1 1865年麥克斯韋建立電磁場(chǎng)理論 麥克斯韋(James Clerk Maxwell，18311879)，英國(guó)物理學(xué)家，經(jīng)典電磁理論的奠基人1831年8月31日出生于愛(ài)丁堡。自幼聰穎，15歲就在愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊上發(fā)表了一篇關(guān)于二次曲線作圖問(wèn)題的論文，已顯露出出眾的才華。37“把數(shù)學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究聯(lián)合使用所得到的物理知識(shí)，比之一

15、個(gè)單純實(shí)驗(yàn)人員或單純的數(shù)學(xué)家能具有的知識(shí)更堅(jiān)實(shí)，有益和鞏固?！?麥克斯韋 麥克斯韋電磁場(chǎng)理論v1856年，麥克斯韋發(fā)表了第一篇關(guān)于電磁理論的論文，題為：論法拉第力線。在這篇論文中，他發(fā)展了W.湯姆生的類(lèi)比方法。v用麥克斯韋通過(guò)類(lèi)比，明確了兩類(lèi)不同的概念，一類(lèi)相當(dāng)于流體中的力，E和H就是；另一類(lèi)相當(dāng)于流體的流量，D和B屬于這一類(lèi)。v麥克斯韋進(jìn)一步討論了這兩類(lèi)量的性質(zhì)。流量遵從連續(xù)性方程，可以沿曲面積分，而力則應(yīng)沿線段積分。38 1865年，麥克斯韋發(fā)表了關(guān)于電磁場(chǎng)理論的第三篇論文：電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論，用場(chǎng)的觀點(diǎn)總結(jié)了電磁理論，構(gòu)建了全新的理論框架。39麥克斯韋認(rèn)為變化的磁場(chǎng)在其周?chē)目臻g激發(fā)渦旋

16、電場(chǎng)；變化的電場(chǎng)引起媒質(zhì)電位移的變化，電位移的變化與電流一樣在周?chē)目臻g激發(fā)渦旋磁場(chǎng)。 麥克斯韋明確地用數(shù)學(xué)公式把它們表示出來(lái)，從而得到了電磁場(chǎng)的普遍方程組麥克斯韋方程組。 通過(guò)對(duì)這個(gè)方程組的數(shù)學(xué)運(yùn)算，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，電磁波的傳播速度同光速一樣。而光不過(guò)是波長(zhǎng)在某一范圍的電磁波，從而把電、磁和光現(xiàn)象統(tǒng)一了起來(lái)。40 麥克斯韋在電磁理論方面的工作可以和牛頓在力學(xué)理論方面的工作相媲美。 對(duì)麥克斯韋的功績(jī)，愛(ài)因斯坦作了很高的評(píng)價(jià)。 他在紀(jì)念麥克斯韋的文集中寫(xiě)道：“自從牛頓奠定理論物理學(xué)的基礎(chǔ)以來(lái)，物理學(xué)的公理基礎(chǔ)的最偉大的變革，是由法拉第和麥克斯韋在電磁現(xiàn)象方面的工作所引起的”?！斑@樣一

17、次偉大的變革是同法拉第、麥克斯韋和赫茲的名字永遠(yuǎn)聯(lián)在一起的。這次革命的最大部分出自麥克斯韋?！?12.4.2 1886 赫茲的電磁波實(shí)驗(yàn) 1886年10月，赫茲用放電線圈做火花放電實(shí)驗(yàn)，偶然發(fā)現(xiàn)近旁未閉合的絕緣導(dǎo)電線圈中有電火花跳過(guò)，便敏銳地想到這可能是電磁共振。 此開(kāi)始直到1888年，赫茲集中力量持續(xù)進(jìn)行了有關(guān)電磁波特性的多方面實(shí)驗(yàn)42 赫茲赫茲(H. R. Hertz, 18571894)-德國(guó)物理學(xué)家德國(guó)物理學(xué)家1887年11月5日，赫茲在寄給亥姆霍茲一篇題為論在絕緣體中電過(guò)程引起的感應(yīng)現(xiàn)象的論文中， 總結(jié)了這個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。43赫茲的電磁波實(shí)驗(yàn)裝置赫茲的電磁波實(shí)驗(yàn)裝置用來(lái)檢測(cè)電磁波的用來(lái)檢測(cè)電磁波的有缺口有缺口金屬環(huán)狀線圈金屬環(huán)狀線圈 接著，赫茲還通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了電磁波是橫波，具有與光類(lèi)似的特性，如反射、折射、衍射等，并且實(shí)驗(yàn)了兩列電磁波的干涉，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相同，從而全面驗(yàn)證了麥克斯韋的電磁理論的正確性。44 1888年，成了近代科學(xué)史上的一座里程碑。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，它不僅證實(shí)了麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的真理，更重要的是開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線電電子技術(shù)的新紀(jì)元。452.4 電磁學(xué)對(duì)通信技術(shù)發(fā)展的作用 電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了電應(yīng)用的新領(lǐng)域。 1825年斯特金發(fā)明電磁鐵，為電的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。 1837年惠斯通和莫爾斯分別獨(dú)立發(fā)明了電報(bào)機(jī)