電磁場理論發(fā)展史(DOC 6頁)

1、電磁場理論發(fā)展史引言載法拉弟發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的那一年，英國誕生了一位偉大的科學家麥克斯韋，他因創(chuàng)立電磁場理論而成為十九世紀最偉大的物理學家麥克斯韋創(chuàng)立電磁場理論系統(tǒng)而完整地概括了電磁場的基本規(guī)律，并預言了電磁波的存在。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立的觀點一種是超距作用學說即在研究兩個電荷之間相互作用力時，忽略中介空間的作用，電荷會超越空間距離而互相作用，庫侖、韋伯、安培等人都是主張用超距作用學說來解釋電磁相互作用的這種學說當時擁有數(shù)學基礎另一種是媒遞作用學說認為空間有一種能傳遞電力的媒質（稱作以太）存在，電荷間通過媒質互相作用法拉弟通過實驗揭露了空間媒質的重要作用

2、，他認為在空間媒質中充滿了電力線，即通過場來傳遞，但媒遞作用學說還沒有數(shù)學基礎，不易被人接受也使其發(fā)展受到了阻礙麥克斯韋功績就在于建立了電磁場理論并促進了它的發(fā)展他中學時曾在數(shù)學和詩歌比賽中獲第一名，這顯示了他的數(shù)學才華與豐富的想象力方面的潛力他年輕時曾讀過法拉弟的電學實驗研究，對法拉弟的物理思想（如電力線和場的思想）十分推崇，同時也發(fā)現(xiàn)了它的弱點麥克斯韋對電磁相互作用的超距觀點早就表示“不能接受即時傳播的思想”，在法拉弟的物理思想影響下，他決心“為法拉弟的場概念提供數(shù)學方法的基礎”二、麥克斯韋創(chuàng)立電磁場理論麥克斯韋創(chuàng)立電磁場理論可分為三個階段：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)學語言精確地表述法拉弟的力線概念，他采用數(shù)學推論與物理類比相結合的方法，以假想流體的力學模型去模擬電磁現(xiàn)象他說：“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)學觀念”他的目標是想據(jù)此統(tǒng)一已知的電磁學定律麥克斯韋為達到此目的，他運用了“建立力學模型引出基本公式進行數(shù)學引伸推導”的解決科學問題的思路和方法第一步，建立力學模型首先運用類比方法，麥克斯韋把電磁現(xiàn)象和力學現(xiàn)象做了類比，認為可以建立一種不可壓縮流體的力學模型來模擬電磁現(xiàn)象這種流體模型為：一是沒有慣性，因而也就沒有質量；二是不可壓縮；三是可以從無產生，又

4、可消失顯然這是一種假設理想流體麥克斯韋在這篇文章中寫道：“我企圖把一個在空間畫力線的清楚概念擺在一個幾何學家的面前，并利用一個流體的流線的概念，說明如何畫出這些流線來”“力線的切線方向就是電場力的方向，力線的密度表示電場力的大小”他企圖闡明電力線和電力線所在空間之間的幾何關系他還試圖通過類比憑借已知的力學公式推導出電磁學公式，尋求這兩種不同的現(xiàn)象在數(shù)學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函數(shù)的二階微分方程，普遍用于熱、電和磁的運動，建立了這三種相似現(xiàn)象的數(shù)學聯(lián)系1847年，他又在不可壓縮流體的流線連續(xù)性基礎上，論述了電磁現(xiàn)象和流體力學現(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中的勢等效于流電勢麥克斯韋據(jù)此方式相繼推導出了靜電磁場、穩(wěn)恒電磁場以至瞬變電磁場的基本公式其中最重要的一個就是電場的泊松方程：2V=4 (2)式中V為電勢，為自由電荷密度第三步，進行數(shù)學引伸根據(jù)電場的泊松公式可直接寫出穩(wěn)恒電磁場的兩個基本方程：(0E)= D=4 (3)B=0 (4)對于瞬變電場，麥克斯韋類比了力學中的慣性力公式，從假想流體的由此推出磁場產生電場的公式：結合電場的泊松公式，可得運動電荷產生磁場的公式： =4j (6)在上述公式中，式(3)說明了靜電場的性質（是一種無旋場）；式(4)說明了磁場的性質

6、（是一種渦旋場）；式(5)說明了電場可以由隨時間變化的磁場產生；式(6)說明了磁場可以由運動的電荷產生從(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，他一方面結合數(shù)學推論以邏輯手段揭示了舊電磁理論的內在矛盾，另一方面則構造了一個與以前的流體力學模型不同的、新的電磁以太模型麥克斯韋按照電磁學和動力

7、學的類比關系發(fā)現(xiàn)，交變電流通過含有電容器的電路時，按照原有的認識，由于電荷不能在電容器極板之間移動，因此傳導電流將中斷，這同實際電流的連續(xù)性發(fā)生矛盾而且如果電流僅限于導體，電磁場也就失去了意義為了解決這些矛盾，他依據(jù)電磁學與動力學的類比關系和電磁現(xiàn)象的對稱性，認為在交變電流電路中，電容器一個極板上變化的電場會引起感生磁場，變化的磁場又會在電容器的另一極板上引起感生電場，產生交變電流，故變化電場的作用就相當于傳送電流，但它不是電荷的傳導，而是電荷的位移這樣麥克斯韋就在無導體存在的磁場中引入了“位移電流”的概念這樣位移電流和傳導電流迭加起來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、理論的關節(jié)點，也是他的重大發(fā)現(xiàn)，即發(fā)現(xiàn)了電場變化激發(fā)磁場變化的現(xiàn)象而法拉弟的電磁感應定律，是說明磁場變化激發(fā)電場的現(xiàn)象這樣，一個變化的電場和磁場以對稱的形式聯(lián)系起來，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中形象地勾勒出位移電流的形狀，必須給它塑造一個模型麥克斯韋說：“電解質被電流帶動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，就是曾經啟發(fā)我把磁考慮為一種旋轉現(xiàn)象而把電流當作平移現(xiàn)象的事實”麥克斯韋根據(jù)這兩個基本條件假設電磁場介質中充滿著渦旋分子（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，渦旋旋轉速度表示磁場強度的大小在兩個同

9、向旋轉的分子中間的電粒子起著隋性輪的作用，這些電粒子只會轉動而不會產生平移；在兩個旋轉方向的分子間，電粒子不發(fā)生轉動而產生平動，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，磁場方向由“”“”表示“”表示磁場穿出紙面，“”穿入紙面放在AB線上形成了位移電流麥克斯韋從這個渦旋模型出發(fā)，利用它進行唯象的思考，從物理意義一項，實現(xiàn)玻恩所說的“數(shù)學上的完美”麥克斯韋進一步以位移電流的概念為物理基礎，根據(jù)力學定律進行數(shù)學模擬，以彈性力學中的力、粒子流密度、及對旋渦轉速的影響分別模擬電場強度、傳導電流和磁場強度，從而建立起全電流的電磁場方程：第三階段，揭示電磁場動力學本質1864年，麥克斯韋又

10、發(fā)表了第三篇著名的論文電磁場的動力理論在這篇論文中，麥克斯韋舍棄了他原來提出的力學模型而完全轉向場論的觀點，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麥克斯韋首先談到由于電磁相互作用不僅與距離有關，而且依賴于相對速度，不應以超距作用為出發(fā)點他仍然假設產生電磁現(xiàn)象的作用力是同樣在空間媒質中和在電磁物質中進行的，在真空中有以太媒質存在，這種以太媒質彌漫整個空間，滲透物體內部，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這種力學圖象來描述真空場的概念，把以太媒質作為介電常數(shù)=1（真空場）的“電介質”當電介質極化時，在分子范圍內發(fā)生微觀電荷移動的現(xiàn)象，這種微觀電

11、荷移動產生一種瞬息電流他假設在真空中，由于以太媒質的存在，電場變化時同樣也有位移電流出現(xiàn)位移電流和傳導電流一樣，也按照畢奧薩伐爾定律的規(guī)律產生磁場位移電流和傳導電流疊加起來的總電流（即全電流）線是閉合的在真空位移電流概念的基礎上，麥克斯韋建立了由二十個分量方程組成的電磁場方程組麥克斯韋還采用拉格朗日與哈密頓的數(shù)學方法，推導出電磁場的波動方程方程表明，電場和磁場以波動形式傳播，二者相互垂直并都垂直于傳播方向若在空間某一區(qū)域中的電場發(fā)生了變化，在它鄰近的區(qū)域就會產生變化的磁場；這個變化的磁場又會在較遠的區(qū)域產生變化的電場，變化的電場與變化的磁場不斷相互產生，就會以波的形式在空間散開，即以波的形式傳

12、播，稱為電磁波電場與磁場具有不可分割的聯(lián)系，是一個整體，即電磁場在麥克斯韋推出的方程中，他引入了一個電磁場能量方程，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和這些物體中這樣，能量就被定域于整個電磁場空間，從而深刻地揭示了電磁場的物質實在性它同時還說明了電磁波就是能量的傳播過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”與電介質的性質相聯(lián)系，“介質密度”與磁介質的性質相聯(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、律在場內傳播的電磁擾動”的結論1868年，麥克斯韋發(fā)表了一篇論文關于光的電磁理論，明確地創(chuàng)立了光的電磁學說他說：“光也是電磁波的一種，光是一種能看得見的電磁波”這樣，麥克斯韋就把原來相互獨立的電、磁和光都統(tǒng)一起來了，成為十九世紀物理學上實現(xiàn)的一次重大理論綜合1873年麥克斯韋出版電磁理論的經典著作論電和磁在這部著作中，麥克斯韋對電磁理論作了全面系統(tǒng)和嚴密的論述，并從數(shù)學上證明了方程組解的唯一性，從而表明這個方程組是能夠精確地反映電磁場的客觀運動規(guī)律的完整理論這樣，經幾代人的努力，電磁場理論的宏偉大廈終于建立起來了，從而實現(xiàn)了物理學史上的第二次理論大綜合三、麥克斯韋方程組的內容麥克斯韋在1864年發(fā)表的著名論文電磁場的動力學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都與現(xiàn)代采用的不一樣經后人加以整理，電磁場的方程得到進一步完善，形成如今稱為麥克斯韋方程組的形式1麥克斯韋方程