電磁場(chǎng)理論發(fā)展史(DOC 6頁(yè))

1、電磁場(chǎng)理論發(fā)展史引言載法拉弟發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的那一年，英國(guó)誕生了一位偉大的科學(xué)家麥克斯韋，他因創(chuàng)立電磁場(chǎng)理論而成為十九世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)立電磁場(chǎng)理論系統(tǒng)而完整地概括了電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，并預(yù)言了電磁波的存在。一、歷史的前奏在麥克斯韋以前，解釋電磁相互作用有兩種相互對(duì)立的觀點(diǎn)一種是超距作用學(xué)說(shuō)即在研究?jī)蓚€(gè)電荷之間相互作用力時(shí)，忽略中介空間的作用，電荷會(huì)超越空間距離而互相作用，庫(kù)侖、韋伯、安培等人都是主張用超距作用學(xué)說(shuō)來(lái)解釋電磁相互作用的這種學(xué)說(shuō)當(dāng)時(shí)擁有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)另一種是媒遞作用學(xué)說(shuō)認(rèn)為空間有一種能傳遞電力的媒質(zhì)（稱作以太）存在，電荷間通過(guò)媒質(zhì)互相作用法拉弟通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭露了空間媒質(zhì)的重要作用

2、，他認(rèn)為在空間媒質(zhì)中充滿了電力線，即通過(guò)場(chǎng)來(lái)傳遞，但媒遞作用學(xué)說(shuō)還沒(méi)有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，不易被人接受也使其發(fā)展受到了阻礙麥克斯韋功績(jī)就在于建立了電磁場(chǎng)理論并促進(jìn)了它的發(fā)展他中學(xué)時(shí)曾在數(shù)學(xué)和詩(shī)歌比賽中獲第一名，這顯示了他的數(shù)學(xué)才華與豐富的想象力方面的潛力他年輕時(shí)曾讀過(guò)法拉弟的電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)法拉弟的物理思想（如電力線和場(chǎng)的思想）十分推崇，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了它的弱點(diǎn)麥克斯韋對(duì)電磁相互作用的超距觀點(diǎn)早就表示“不能接受即時(shí)傳播的思想”，在法拉弟的物理思想影響下，他決心“為法拉弟的場(chǎng)概念提供數(shù)學(xué)方法的基礎(chǔ)”二、麥克斯韋創(chuàng)立電磁場(chǎng)理論麥克斯韋創(chuàng)立電磁場(chǎng)理論可分為三個(gè)階段：第一階段，統(tǒng)一已知電磁定律麥克斯韋于1856年發(fā)

3、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(xué)語(yǔ)言精確地表述法拉弟的力線概念，他采用數(shù)學(xué)推論與物理類比相結(jié)合的方法，以假想流體的力學(xué)模型去模擬電磁現(xiàn)象他說(shuō)：“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(xué)觀念”他的目標(biāo)是想據(jù)此統(tǒng)一已知的電磁學(xué)定律麥克斯韋為達(dá)到此目的，他運(yùn)用了“建立力學(xué)模型引出基本公式進(jìn)行數(shù)學(xué)引伸推導(dǎo)”的解決科學(xué)問(wèn)題的思路和方法第一步，建立力學(xué)模型首先運(yùn)用類比方法，麥克斯韋把電磁現(xiàn)象和力學(xué)現(xiàn)象做了類比，認(rèn)為可以建立一種不可壓縮流體的力學(xué)模型來(lái)模擬電磁現(xiàn)象這種流體模型為：一是沒(méi)有慣性，因而也就沒(méi)有質(zhì)量；二是不可壓縮；三是可以從無(wú)產(chǎn)生，又

4、可消失顯然這是一種假設(shè)理想流體麥克斯韋在這篇文章中寫道：“我企圖把一個(gè)在空間畫力線的清楚概念擺在一個(gè)幾何學(xué)家的面前，并利用一個(gè)流體的流線的概念，說(shuō)明如何畫出這些流線來(lái)”“力線的切線方向就是電場(chǎng)力的方向，力線的密度表示電場(chǎng)力的大小”他企圖闡明電力線和電力線所在空間之間的幾何關(guān)系他還試圖通過(guò)類比憑借已知的力學(xué)公式推導(dǎo)出電磁學(xué)公式，尋求這兩種不同的現(xiàn)象在數(shù)學(xué)形式上的類似第二步，引出基本公式早在1842年，W湯姆遜就曾把拉普拉斯的勢(shì)函數(shù)的二階微分方程，普遍用于熱、電和磁的運(yùn)動(dòng)，建立了這三種相似現(xiàn)象的數(shù)學(xué)聯(lián)系1847年，他又在不可壓縮流體的流線連續(xù)性基礎(chǔ)上，論述了電磁現(xiàn)象和流體力學(xué)現(xiàn)象的共同性麥克斯韋正

5、是吸收了W湯姆遜這種類比方法，把它發(fā)展成為研究各種力線的重要工具例如麥克斯韋把電學(xué)中的勢(shì)等效于流電勢(shì)麥克斯韋據(jù)此方式相繼推導(dǎo)出了靜電磁場(chǎng)、穩(wěn)恒電磁場(chǎng)以至瞬變電磁場(chǎng)的基本公式其中最重要的一個(gè)就是電場(chǎng)的泊松方程：2V=4 (2)式中V為電勢(shì)，為自由電荷密度第三步，進(jìn)行數(shù)學(xué)引伸根據(jù)電場(chǎng)的泊松公式可直接寫出穩(wěn)恒電磁場(chǎng)的兩個(gè)基本方程：(0E)= D=4 (3)B=0 (4)對(duì)于瞬變電場(chǎng)，麥克斯韋類比了力學(xué)中的慣性力公式，從假想流體的由此推出磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)的公式：結(jié)合電場(chǎng)的泊松公式，可得運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場(chǎng)的公式： =4j (6)在上述公式中，式(3)說(shuō)明了靜電場(chǎng)的性質(zhì)（是一種無(wú)旋場(chǎng)）；式(4)說(shuō)明了磁場(chǎng)的性質(zhì)

6、（是一種渦旋場(chǎng)）；式(5)說(shuō)明了電場(chǎng)可以由隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生；式(6)說(shuō)明了磁場(chǎng)可以由運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生從(3)、(4)、(5)、(6)方程看，這已基本具備了麥克斯韋方程組的雛形，只是未列入位移電流第二階段，提出位移電流概念麥克斯韋在完成了統(tǒng)一已知電磁學(xué)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(xué)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(xué)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(gè)與以前的流體力學(xué)模型不同的、新的電磁以太模型麥克斯韋按照電磁學(xué)和動(dòng)力

7、學(xué)的類比關(guān)系發(fā)現(xiàn)，交變電流通過(guò)含有電容器的電路時(shí)，按照原有的認(rèn)識(shí)，由于電荷不能在電容器極板之間移動(dòng)，因此傳導(dǎo)電流將中斷，這同實(shí)際電流的連續(xù)性發(fā)生矛盾而且如果電流僅限于導(dǎo)體，電磁場(chǎng)也就失去了意義為了解決這些矛盾，他依據(jù)電磁學(xué)與動(dòng)力學(xué)的類比關(guān)系和電磁現(xiàn)象的對(duì)稱性，認(rèn)為在交變電流電路中，電容器一個(gè)極板上變化的電場(chǎng)會(huì)引起感生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又會(huì)在電容器的另一極板上引起感生電場(chǎng)，產(chǎn)生交變電流，故變化電場(chǎng)的作用就相當(dāng)于傳送電流，但它不是電荷的傳導(dǎo)，而是電荷的位移這樣麥克斯韋就在無(wú)導(dǎo)體存在的磁場(chǎng)中引入了“位移電流”的概念這樣位移電流和傳導(dǎo)電流迭加起來(lái)在電容電路中的總流線是閉合的位移電流概念的引入，是麥克斯韋

8、理論的關(guān)節(jié)點(diǎn)，也是他的重大發(fā)現(xiàn)，即發(fā)現(xiàn)了電場(chǎng)變化激發(fā)磁場(chǎng)變化的現(xiàn)象而法拉弟的電磁感應(yīng)定律，是說(shuō)明磁場(chǎng)變化激發(fā)電場(chǎng)的現(xiàn)象這樣，一個(gè)變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)以對(duì)稱的形式聯(lián)系起來(lái)，是法拉弟電生磁、磁生電思想的精確化和完善化為了在電磁場(chǎng)中形象地勾勒出位移電流的形狀，必須給它塑造一個(gè)模型麥克斯韋說(shuō)：“電解質(zhì)被電流帶動(dòng)在固定方向上的遷移和偏振光受到磁力作用在固定方向上旋轉(zhuǎn)，就是曾經(jīng)啟發(fā)我把磁考慮為一種旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象而把電流當(dāng)作平移現(xiàn)象的事實(shí)”麥克斯韋根據(jù)這兩個(gè)基本條件假設(shè)電磁場(chǎng)介質(zhì)中充滿著渦旋分子（在真空中則是渦旋以太），在這些渦旋分子之間夾著許多小的電粒子渦旋軸代表磁力線的方向，渦旋旋轉(zhuǎn)速度表示磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小在兩個(gè)同

9、向旋轉(zhuǎn)的分子中間的電粒子起著隋性輪的作用，這些電粒子只會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)而不會(huì)產(chǎn)生平移；在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的分子間，電粒子不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生平動(dòng)，從而形成電流如右圖，六方形表示渦旋分子，小圓圈表示電粒子，磁場(chǎng)方向由“”“”表示“”表示磁場(chǎng)穿出紙面，“”穿入紙面放在AB線上形成了位移電流麥克斯韋從這個(gè)渦旋模型出發(fā)，利用它進(jìn)行唯象的思考，從物理意義一項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)玻恩所說(shuō)的“數(shù)學(xué)上的完美”麥克斯韋進(jìn)一步以位移電流的概念為物理基礎(chǔ)，根據(jù)力學(xué)定律進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，以彈性力學(xué)中的力、粒子流密度、及對(duì)旋渦轉(zhuǎn)速的影響分別模擬電場(chǎng)強(qiáng)度、傳導(dǎo)電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而建立起全電流的電磁場(chǎng)方程：第三階段，揭示電磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué)本質(zhì)1864年，麥克斯韋又

10、發(fā)表了第三篇著名的論文電磁場(chǎng)的動(dòng)力理論在這篇論文中，麥克斯韋舍棄了他原來(lái)提出的力學(xué)模型而完全轉(zhuǎn)向場(chǎng)論的觀點(diǎn)，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)麥克斯韋首先談到由于電磁相互作用不僅與距離有關(guān)，而且依賴于相對(duì)速度，不應(yīng)以超距作用為出發(fā)點(diǎn)他仍然假設(shè)產(chǎn)生電磁現(xiàn)象的作用力是同樣在空間媒質(zhì)中和在電磁物質(zhì)中進(jìn)行的，在真空中有以太媒質(zhì)存在，這種以太媒質(zhì)彌漫整個(gè)空間，滲透物體內(nèi)部，具有能量密度，并能夠以有限速度傳播電磁作用麥克斯韋借助于以太媒質(zhì)這種力學(xué)圖象來(lái)描述真空?qǐng)龅母拍?，把以太媒質(zhì)作為介電常數(shù)=1（真空?qǐng)觯┑摹半娊橘|(zhì)”當(dāng)電介質(zhì)極化時(shí)，在分子范圍內(nèi)發(fā)生微觀電荷移動(dòng)的現(xiàn)象，這種微觀電

11、荷移動(dòng)產(chǎn)生一種瞬息電流他假設(shè)在真空中，由于以太媒質(zhì)的存在，電場(chǎng)變化時(shí)同樣也有位移電流出現(xiàn)位移電流和傳導(dǎo)電流一樣，也按照畢奧薩伐爾定律的規(guī)律產(chǎn)生磁場(chǎng)位移電流和傳導(dǎo)電流疊加起來(lái)的總電流（即全電流）線是閉合的在真空位移電流概念的基礎(chǔ)上，麥克斯韋建立了由二十個(gè)分量方程組成的電磁場(chǎng)方程組麥克斯韋還采用拉格朗日與哈密頓的數(shù)學(xué)方法，推導(dǎo)出電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程方程表明，電場(chǎng)和磁場(chǎng)以波動(dòng)形式傳播，二者相互垂直并都垂直于傳播方向若在空間某一區(qū)域中的電場(chǎng)發(fā)生了變化，在它鄰近的區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)；這個(gè)變化的磁場(chǎng)又會(huì)在較遠(yuǎn)的區(qū)域產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)與變化的磁場(chǎng)不斷相互產(chǎn)生，就會(huì)以波的形式在空間散開(kāi)，即以波的形式傳

12、播，稱為電磁波電場(chǎng)與磁場(chǎng)具有不可分割的聯(lián)系，是一個(gè)整體，即電磁場(chǎng)在麥克斯韋推出的方程中，他引入了一個(gè)電磁場(chǎng)能量方程，他指出，在超距作用理論中，能量只能存在于帶電體、電路和磁體中，而根據(jù)新的理論，能量則存在于電磁場(chǎng)和這些物體中這樣，能量就被定域于整個(gè)電磁場(chǎng)空間，從而深刻地揭示了電磁場(chǎng)的物質(zhì)實(shí)在性它同時(shí)還說(shuō)明了電磁波就是能量的傳播過(guò)程從平面電磁波的定量研究中，麥克斯韋證明了決定電磁波傳播速度的“彈性模量”與電介質(zhì)的性質(zhì)相聯(lián)系，“介質(zhì)密度”與磁介質(zhì)的性質(zhì)相聯(lián)系，從而求出了電磁波的傳播速度公式，得到了與論物理的力線中相同的結(jié)論，即真空中電磁波的速度恰好等于光速，這使麥克斯韋得出了：“光是一種按照電磁定

13、律在場(chǎng)內(nèi)傳播的電磁擾動(dòng)”的結(jié)論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(xué)說(shuō)他說(shuō)：“光也是電磁波的一種，光是一種能看得見(jiàn)的電磁波”這樣，麥克斯韋就把原來(lái)相互獨(dú)立的電、磁和光都統(tǒng)一起來(lái)了，成為十九世紀(jì)物理學(xué)上實(shí)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(duì)電磁理論作了全面系統(tǒng)和嚴(yán)密的論述，并從數(shù)學(xué)上證明了方程組解的唯一性，從而表明這個(gè)方程組是能夠精確地反映電磁場(chǎng)的客觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的完整理論這樣，經(jīng)幾代人的努力，電磁場(chǎng)理論的宏偉大廈終于建立起來(lái)了，從而實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上的第二次理論大綜合三、麥克斯韋方程組的內(nèi)容麥克斯韋在1864年發(fā)表的著名論文電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論一文中提出了一套完整的方程組他最先是以分量形式給出的，而且物理量的名稱和符號(hào)都與現(xiàn)代采用的不一樣經(jīng)后人加以整理，電磁場(chǎng)的方程得到進(jìn)一步完善，形成如今稱為麥克斯韋方程組的形式1麥克斯韋方程