电磁学的发展史.doc

优质文档电磁学开展简史 一. 早期的电磁学探究      早期的电磁学探究比拟零散，下面遵照时间依次将主要事务列出如下： 1650年，德国物理学家格里凯在对静电探究的根底上，制造了第一台摩擦起电机1720年，格雷探究了电的传导现象，发觉了导体与绝缘体的区分，同时也发觉了静电感应现象1733年，杜菲经过试验区分出两种电荷，称为松脂电和玻璃电，即此时此刻的负电和正电他还总结出静电相互作用的根本特征，同性排斥，异性相吸1745年，荷兰莱顿大学(图1)的穆欣布罗克和德国的克莱斯特独创了一种能存储电荷的装置－莱顿瓶，它和起电机一样，意义重大，为电的试验探究供应了根本的试验工具1752年，美国科学家富兰克林对放电现象进展了探究，他冒着生命危急进展了闻名的风筝试验，独创了避雷针       1777年，法国物理学家库仑通过探究毛发和金属丝的扭转弹性而独创了扭秤，如图2所示1785－1786年，他用这种扭秤测量了电荷之间的作用力，并且从牛顿的万有引力规律得到启发，用类比的方法得到了电荷相互作用力与距离的平反成反比的规律，后来被称为库仑定律      在早期的电磁学探究中，还值得提到的一个科学家是大家都已经在中学物理课本中学过的欧姆定律的创立者－欧姆。

欧姆,1787年3月16日生于德国埃尔兰根城，父亲是锁匠父亲自学了数学和物理方面的学问，并教给少年时期的欧姆，唤起了欧姆对科学的爱好16岁时他进入埃尔兰根大学探究数学、物理与哲学，由于经济困难，中途缀学，到1813年才完成博士学业欧姆是一个很有天才和科学理想的人，他长期担当中学老师，由于缺少资料和仪器，给他的探究工作带来不少困难，但他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈地进展科学探究，自己动手制作仪器      欧姆对导线中的电流进展了探究他从傅立叶发觉的热传导规律受到启发，导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差因而欧姆认为，电流现象与此相像，猜测导线中两点之间的电流或许正比于它们之间的某种驱动力，即此时此刻所称的电动势，并且花了很大的精力在这方面进展探究起先他用伏打电堆作电源，但是因为电流不稳定，效果不好后来他承受别人的建议改用温差电池作电源，从而保证了电流的稳定性但是如何测量电流的大小，这在当时还是一个没有解决的难题起先，欧姆利用电流的热效应，用热胀冷缩的方法来测量电流，但这种方法难以得到准确的结果后来他把奥斯特关于电流磁效应的发觉和库仑扭秤结合起来，奇妙地设计了一个电流扭秤，用一根扭丝悬挂一磁针，让通电导线和磁针都沿子午线方向平行放置。

再用铋和铜温差电池，一端浸在沸水中，另一端浸在碎冰中，并用两个水银槽作电极，与铜线相连当导线中通过电流时，磁针的偏转角与导线中的电流成正比试验中他用粗细一样、长度不同的八根铜导线进展了测量，得出了欧姆定律，也就是通过导体的电流与电势差成正比与电阻成反比这个结果发表于1826年，次年他又出版了《关于电路的数学探究》，给出了欧姆定律的理论推导      欧姆定律发觉初期，很多物理学家不能正确理解和评价这一发觉，并遭到疑心和锋利的指责探究成果被无视，经济极其困难，使欧姆精神抑郁直到1841年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌，才引起德国科学界的重视二.安培和法拉第奠定了电动力学根底      1820年间，奥斯特在给学生讲课时，意外地发觉了电流的小磁针偏转的现象其试验示意图如图4所示，当导线通电流时，小磁针产生了偏转这个消息传到巴黎后，启发了法国物理学家安培他思索，既然磁与磁之间、电流与磁之间都有作用力，那么电流与电流之间是否也存在作用力呢？他重复了奥斯特的试验，几天后向巴黎科学院提交了第一篇论文，提出了磁针转动方向与电流方向的关系，就是大家在中学学习过的右手定那么再一周后，他向科学院提交了其次篇论文，在该文中，他探讨了平行载流导线之间的相互作用问题。

同时，他还发觉假如给两个螺线管通电流，它们就会象两个条形磁铁一样相互吸引或者排斥1822年，安培在试验的根底上，以严密数学形式表述了电流产生磁力的根本定律，即安培定律该定律说明，两个电流元的作用力与它们之间距离的平方成反比，与库仑定律很类似，但是它们作用力的方向却要由右手定那么来判定安培通过探究电流和磁铁的磁力状况，他认为磁铁的磁力在本质上和电流的磁力是一样的，提出了闻名的安培分子电流假说如图5所示，该假说认为在物体内部的每个微粒都有一个环形电流，它们事实上就相当于一个小磁针，当这些小磁针的磁性排列一样时，就表达出宏观磁性这一假说在当时不被人们看重，始终到了70年后人们才真的发觉了这种带电粒子，证明白安培假说的正确性      既然电流有磁效应，那么磁是否也会有电流效应呢？依据物理的相互作用原理，这个结果应当是明显的，因此不少人为此做了很多试验，试图发觉磁的电流效应但是这个现象直到奥斯特发觉电流磁效应的10多年后，才被英国物理学家法拉第和美国物理学家亨利发觉      法拉第，1791年9月22日生在一个手工工人家庭，家里人没有特殊的文化，而且颇为贫困法拉第的父亲是一个铁匠法拉第小时候受到的学校教育是很差的。

十三岁时，他就到一家装订和出售书籍兼营文具生意的铺子里当了学徒但别出心裁的是他除了装订书籍外，还经常阅读它们他的老板也鼓舞他，有一位顾客还送给了他一些听伦敦皇家学院讲演的听讲证1812年冬季一天，正值拿破仑的军队在俄罗斯平原上遭到溃败的时候，一位二十一岁的青年人来到了伦敦皇家学院，他要求和闻名的院长戴维见面谈话作为自荐书，他带来了一本簿子，里面是他听戴维讲演时登记的笔记这本簿子装订得整齐美观，这位青年给戴维留下了很好的印象戴维正好缺少一位助手，不久他就雇用了这位申请者，从今，法拉第起先步入科学的殿堂      法拉第是一个宏大的试验物理学家，他在电磁学方面的主要奉献就是此时此刻称之为法拉第电磁感应定律，并且提出了力线和场的概念前面提到的安培和奥斯特等人的工作说明白电和磁之间存在着势必的联系，法拉第发觉的电磁感应定律比他们前进了一大步他用试验证明白电不仅可以转化为磁，磁也同样可以转变为电运动中的电能感应出磁，同样运动中的磁也能感应出电法拉第的发觉为大规模利用电力供应了根底，后来人们利用法拉第电磁感应定律制造了感应发电机，从今蒸气机时代进入了电气化时代1831年，法拉第用铁粉做试验，形象地证明白磁力线的存在。

他指出，这种力线不是几何的，而是一种具有物理性质的客观存在从这个试验说明，电荷或者磁极四周空间并不是以前那样认为是一无全部的、空虚的，而是充溢了向各个方向散发的这种力线他把这种力线存在的空间称之为场，各种力就是通过这种场进展传递的法拉第将他的一生所做的试验进展了总结，写出了《电学试验探究》由于法拉第根本上不懂数学，在这部著作中人们几乎找不到一个数学公式，以至于有人认为它只是一本关于电磁学的试验报告但是，正是因为他不懂数学，他才不得不想尽方法用简洁易懂的语言来表达高深的物理规律，才有力线和场这样简明而美丽的概念法拉第同时还是一个精彩的科普演讲家他的这个不懂数学的缺陷恰好被他的后来者麦克斯韦所弥补，建立了完备的电磁学理论同时，法拉第具有深刻的哲学思想和几何学和空间上的洞察力他的擅长长久思索的实力，正好补偿了他数学上的缺乏在他留下来的笔记中，有下面一段话：“我始终冥思苦索什么是使哲学家获得胜利的条件是勤奋和坚韧精神加上良好的感觉实力和机灵吗？……但是，我长期以来为我们试验室找寻天才却从未找到过不过我看到了很多人，假如他们真能严格要求自己，我想他们已成为有成就的试验哲学家了开尔文勋爵对法拉第特别了解，他在纪念法拉第的文章中说：“他的迅捷和活泼的品质，难以用言语形容。

他的天才光芒四射，使他的出现呈现出才智之光，他的神态有一种独特之美，这有幸在他家里或者皇家学院见过他的任何人都会感觉到的，从思想最深刻的哲学家到最质朴的儿童二. 麦克斯韦的电动力学      麦克斯韦诞生于苏格兰爱丁堡的一个名门望族他从小便显露出精彩的数学才能他在14岁就在英国《爱丁堡皇家学会学报》上发表数学论文，获得了爱丁堡学院的数学奖后来，麦克斯韦给英国皇家学会送去了两篇论文，但是皇家学会以“不相宜一个穿夹克的小孩登上这里的讲台”为理由让别人代为宣读论文1850年，麦克斯韦考入了剑桥大学三一学院，主攻数学和物理1854年以优异的成果毕业1871年回到了母校担当试验物理教授      法拉第精于试验探究，麦克斯韦擅长于理论分析概括，他们相辅相成，导致了科学上的重大突破1855年，24岁的麦克斯韦发表了他的论文《论法拉第的力线》，对法拉第的力线概念进展了数学分析1862年，他接着发表了《论物理的力线》在这篇论文中，他不但说明白法拉第的试验探究结果，而且还开展了法拉第的场的思想，提出了涡旋电场和位移电流的概念，初步提出了完整的电磁学理论      1873年，麦克斯韦完成了电磁理论的经典著作《电磁学通论》，建立了闻名的麦克斯韦方程组，以特别美丽简洁的数学语言概括了全部电磁现象。

这一方程组有积分形式和微分形式其积分形式有四个等式组成 ，就是说通过随意闭合曲面的电通量等于它包围住的自由电荷的代数和 ，说明在任何电场中电场强度沿着随意闭合曲线的积分等于通过此闭合曲线包围面积的磁通量随时间变更律的负值 ，即在任何磁场中，通过随意封闭曲面的磁通量等于零 ，说明任何磁场中磁场强度沿着随意闭合曲线的积分等于通过此闭合曲线所包围面积内的全电流麦克斯韦方程组把电荷、电流、磁场和电场的变更用数学公式全部统一起来了从该方程组可以知道，变更的磁场能够产生电场，变更的电场能产生磁场，它们将以波动的形式在空间传播，如图8所示，因此麦克斯韦预言了电磁波的存在，并且推导出电磁波传播速度就是光速，因此他也同时说明白光波就是一种特殊的电磁波这样，麦克斯韦方程组的建立就标记着完整的电磁学理论体系的建立，《电磁学通论》的科学价值可以与牛顿的《自然哲学的数学原理》相媲美      通过麦克斯韦的科学经验，我们可以看到数学在物理学科中的重要作用麦克斯韦精通数学，他用准确的数学语言把试验结果升华为理论，用数学完备的形式使得法拉第的试验结果更加和谐漂亮，显示了数学的巨大威力      由于没有试验的验证，麦克斯韦理论当时得不到大多数科学家的理解。

物理学家劳厄说：“象赫尔姆赫兹和玻尔兹曼这样有异样才能的人为了理解它也须要花几年的力气因此，支持他理论的科学家就更加少了1883年，赫兹留意到一个有关的新探究，有人提出，假如电磁波存在，那么莱顿瓶在振荡放电的时候，应当产生电磁波1886年，赫兹在进展放电试验时，发觉近傍一个没有闭和的线圈也出现了火花，他得到启发，很快制出了可以检测电磁波的电波环如图9所示，电波环的构造特别简洁，在一根弯成环状的粗铜线两端，安上两个金属球，小球间的距离可以进展调整赫兹经验了多数次失败，不断变更试验设计和装置，反复调整试验仪器最终视察到，调整电波环的两个金属球之间的间隙，当感应圈两极的金属球之间有火花跳过时，可以使在电波环的间隙处也有火花跳过，这样，他就最终检测到了电磁波。