从静电现象到电磁波课件.ppt

第三章 从静电现象到电磁波,“自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理学的公理基础换句话说，就是我们关于实在结构的概念最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁学方面的工作所引起的。” 爱因斯坦,伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他们把科学思维和实验研究很好地结合在一起，为力学的发展开辟了一条正确的道路。,电学、磁学构成了经典物理学的另一重要分支。随着一个个电磁学研究成果的取得，企图把全部物理学归纳为力学的机械论观点宣告彻底失败。,本章将涉及下面一些科学家以及他们的重大发现，他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。,库仑,奥斯特,安培,法拉第,麦克斯韦,3.1 静电和静磁现象的研究,一、静磁和静电现象的早期研究,中国古代的贡献：最早文字记载“雷”、“电”，发明指南针等。 最早总结前人对电磁研究的大量经验，讨论电磁体性质的英国医生吉尔伯特，他断言：电与磁是两种不同的现象。,相比静磁现象，静电研究困难得多。直到第一台摩擦起电机发明后，对静电研究才迅速开展起来。,吉尔伯特,摩擦起电,一根玻璃棒，用一种丝绸布把它摩擦一会儿，它就能把桌上的羽毛片或小纸屑吸起来，这是“摩擦起电”。其实，人们很早就知道了摩擦起电。大约在2500 年以前，古希腊有七位“圣人”，其中之一便是著名哲学家泰勒斯，经过摩擦之后的琥珀会吸引轻小的物体泰勒斯当时还无法解释，但是他认识到这是一个很重要的现象，就把它详细地记录了下来。我国古代对摩擦生电方面的发现和记载也是很多的。东汉初期的科学家王充就在他的著作论衡一书中有记载。,世界上第一个认真研究这一现象的人是16 世纪末的英国医生威廉吉尔伯特。他是英国女王伊丽莎白一世的御医，以研究磁力现象而著称于科学史。他对泰勒斯的故事十分感兴趣，动手做了大量的实验，还特地在女王面前作了琥珀吸引羽毛的表演，吉尔伯特把这一现象称为“电”。“电”这个字的英文读音“Electricity”就是希腊文“琥珀”一词的译音，吉尔伯特第一个提出了“电”这个概念。,从泰勒斯发现摩擦琥珀可以起电后的2300 多年的时间里，摩擦起电几乎成了人们获得电的唯一方法。随着时间的推移，欧洲人对自然界的兴趣越来越浓，他们不断地提出问题，例如琥珀经过摩擦可以吸引轻微的东西，那么摩擦得猛烈一点，吸引力会不会增加呢？琥珀会不会带上更多的电呢？摩擦起电促使欧洲科学家继续研究、继续探索。,世界上第一个发明摩擦起电机的人是德国（当时称普鲁士）萨克森的马德堡市市长格里克。虽然他是市长，公务繁忙，但是对自然科学研究还是投入了大量的时间和精力。他把带有一个木柄的黄色硫磺球。放在一个木制的托架上，使它可以自由转动，他用一只手握住木柄，使硫磺球绕轴旋转，另一只手按在球体上，随着球的不停转动，硫磺球表面就会因摩擦而生电，充满大量的电荷，这就是第一个起电机。,起电机,1882 年，英国维姆胡斯创造了圆盘式静电感应起电机，其中两同轴玻璃圆板可反向高速转动，摩擦起电的效率很高，并能产生高电压。这种起电机一直沿用至今，在各中学的物理课堂上作电学演示实验时，就经常用到它。经过英国、德国几代科学家改进摩擦起电机，其效力和威力都有了很大提高，能够产生强大的火花。特别是能从人身上生出火花来，引起世人的惊奇，使促人们对电的本质、物质结构以及雷电现象等进行探索，从而促进了电学的发展。,吉尔伯特,1600 年，近代磁学的奠基人、英国物理学家威廉吉尔伯特（15441603 年）所著论磁石、磁性物体和大磁体地球一书出版。吉尔伯特曾在剑桥大学学医，1569年获得医学博士学位，后来在伦敦行医，1600 年成为伊丽莎白一世女王的御医。但吉尔伯特的主要兴趣和成就不是在医学方面，而集中于磁和电的研究。他的著作总结了自己多年工作的成果，其中包括对自己所做的600多个实验的介绍。,吉尔伯特发现，磁体永远有两个极：北极和南极，在分割磁体时，也永远不会得到只有一个磁极的磁体；同名的磁极相互排斥，异名的磁极相互吸引；在磁体影响下，铁制物品可以获得磁性；如果在天然磁石两极包上铁，能够使其磁性显著增强。吉尔伯特最重要的科学贡献，是发现了地球本身是一个巨大的磁体。他的这一结论是从实验中导出的。,吉尔伯特的实验和研究还发展了有关电的知识。在他之前，人们对电的认识基本上停留在古希腊哲学家泰勒斯所描述的琥珀经摩擦会产生电的水平上。吉尔伯特设计制作了一台验电器，由一个尖顶支枢支承一根能够灵活转动的指针。他把钻石、宝石、玻璃、水晶、硫磺、树脂等各种物体摩擦后靠近指针，看指针是否被吸引向这些物体。通过这样的实验，他得出结论：琥珀的性质是许多其他物质共有的。他把这些物质称为“带电体”，而把金属物质列为“非带电体”的主要项目。他当时还不知道，金属这类导电物质在摩擦时产生的电荷会很快失去。在吉尔伯特之后，对磁和电的现象的研究进展缓慢，很长时间内没有多少新的发现。,莱顿瓶,莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶里瓶外分别贴有锡箔，瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球，电容器莱顿瓶很快在欧洲引起了强烈的反响，电学家们不仅利用它们作了大量的实验，而且做了大量的示范表演，有人用它来点燃酒精和火药。,本杰明. 富兰克林,他是美国历史上第一位享有国声誉的科学家和发明家和音乐家。作过著名的“风筝实验”，在电学上成就显著。为了深入探讨电运动的规律，创造的许多专用名词如正电、负电、导电体、电池、充电、放电等成为世界通用的词汇。他借用了数学上正负的概念，第一个科学地用正电、负电概念表示电荷性质。并提出了电荷不能创生、也不能消灭的思想，后人在此基础上发现了电荷守恒定律。,他最先提出了避雷针的设想，由此而制造的避雷针，避免了雷击灾难，破除了迷信。他是一位优秀的政治家，是美国独立战争的老战士。他参加起草了独立宣言和美国宪法，积极主张废除奴隶制度，深受美国人民的崇敬。他是美国第一位驻外大使(法国),所以在世界上也享有较高的声誉。,二、库仑定律 类比万有引力，科学家猜测电荷间作用力与距离平方成反比。罗比逊实验，发现:,罗比逊实验装置,指数偏差:,卡文迪许利用两个同心球的实验证明了上述规律，他得到=0.02，可惜两人的工作都未发表。 法国的工程师、物理学家库仑建立了著名的库仑定律。他发明了灵敏度很高的测量装置“电钮秤”。进行广泛的电学和磁学实验，证明了电场力和磁场力都服从平方反比规律。研究中，库仑也是把它们跟万有引力作类比，事先建立了平方反比的概念。,库仑于1875年用电扭实验，通过与万有引力类比，确信并提出了库仑定律 。库仑定律：在真空中，两个静止的点电荷之间的相互作用力的大小与它们的电量的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比，作用力的方向沿着它们的联线，同号相斥，异号相吸。,单位矢量:,计算表明，库仑力远大于万有引力 ，后者在讨论中完全可忽略。,C2/（Nm2）,在实际问题中，直接用到库仑定律的机会很少，常用的却是从它推导出来的其他公式。为了使这些常用公式的形式简单些，可以使库仑定律中的比例系数K复杂些。,真空电容率:,两个带电体的库仑力计算,三、从库仑定律的建立看，类比方法的重要性,库仑测得=0.04，但他断定力与距离成平方反比，是成功运用类比方法的结果。 麦克斯韦对类比法的论述：“为了不用物理理论而得到物理思想，我们必须熟悉物理类比的存在。所谓物理类比，我指的是一种科学定律与另一种科学定律之间的部分相似性。它使得这两种科学可以相互说明。”,汤川秀树也是类比法的成功运用者，他通过将核力和电磁力类比，成功地提出了核力的介子理论。他说：“类比是一种创造性思维的形式，假定存在一个人所不能理解的某物，他偶尔注意到这一物和他所熟悉的另一物的相似性。他通过将两者比较就可以理解他在此刻之前尚不能理解的某物。如果他的理解是恰当的，而且还没有人达到这样的理解，那么可以说，他的思维确实是创造性得到。”必须指出：有时简单的类比也会导致错误的结果。如惠更斯类比声波，认为光波也是纵波就错了。可见类比结果是否正确还得由实验检验。,汤川秀树,1929年毕业于京都帝国大学理学院物理系。1935年，汤川秀树在大阪大学任讲师时，发表核力的介子场理论，用来解释原子核内的作用力，预言了介子的存在。介子是质量处于电子和质子之间的粒子。1937年，C.D.安德森在宇宙线中发现一种比电子约重200倍的粒子，当时误认为就是介子，后来发现其性质跟介子应有的不同，实质是介子衰变后的产物，今称子。经 C.F.鲍威尔等人的研究，于1947年在宇宙线中发现另一种粒子，认定是汤川秀树所预言的介子，今称 介子。由于在核力理论的基础上预言介子的存在，汤川秀树获1949年诺贝尔物理学奖。,3.2 电流的产生及其磁效应,一、从动物电研究到伏打电堆发明 伽伐尼发现“动物电”：青蛙的肌肉因与手术刀接触会发生痉挛现象。使电学的研究开始从静电转向动电。,伏打电堆,伏打从实验发现了金属的接触电势差，从而发明了伏打电堆。从此使电学从静电领域到电流（动电）领域，实现了一大飞跃。伏打电堆的发明，提供了产生恒定电流的电源化学电源，使人们有可能从各个方面研究电流的各种效应。电学进入了一个飞速发展的时期电流和电磁效应的新时期。现在用的干电池就是经过改时后的伏打电池。,拿破仑,伏打电堆,二、奥斯特发现电流磁效应 奥斯特基于 （1）自然哲学思想自然各种基本力 可以相互转化。 （2）已发现一些电可能会发生磁 的迹象。 坚信电磁间有联系，并发展电是否能产生磁的研究。,奥斯特,法国著名生物学家巴斯德在讲述奥斯特的发现时，说过一句名言： “在观察领域的一切机遇只偏爱有那些准备的头脑。”,一次演讲中，偶然发现导线通电时，在它的下方的小磁针有一微小晃动。他抓住了这个现象，经过3个月的反复实验，发现了电流磁效应。揭开了研究电与磁内在联系的序幕。,奥斯特的实验迅速在两个方面取得惊人的突进： 一个是技术上立即诞生了电流计和制成了电磁铁。 另一个是架起了一座连通电和磁之间的桥梁，导致电与磁关系的一系列发现，使电磁学作为一个整体的学科出现。,三、安培对电流磁效应的深入研究 安培从磁体与磁体、电流与磁体相互作用，联想并发现了通电导线之间有相互作用。并进一步发现了通电螺线管与条形磁铁的等效性。发现磁性转动的方向与电流方向的关系服从右手定则。,安培,载流直导线相互作用,载流螺线管与条形磁铁等效,“磁性起源假说”： 由此安培提出了著名的“磁性起源假说”：物质磁性来自于内部有电流，构成磁性物质的每个微粒都存在永不停息的环形电流，此环形电流使微粒显示出磁性，N极和S极分布在环形电流的两侧。 可解释物体可被磁化的现象及磁体被分割后仍有N、S极性现象。此假说，直到19世纪知道了原子结构和物质结构的秘密，才真正知道这是“分子电流”。,安培也通过理论研究，提出了计算两载流回路之间的相互作用力的方法。对于作用在长为l 两载流直导线上的力为,其中 和 是两导线中的电流，d为两平行导线间的距离，在国际单位制中，常量 为真空磁导率，,3.3 电磁感应定律,一、电磁感应现象的发现法拉第的自然哲学思想：他与奥斯特一样，坚信自然力的“统一性”，并追求这种统一性。他在实验记录中有这样一段话：“长期以来，我就持有一种观点，几乎是一种信仰，我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同有的，就是物质的力表现出来时具有某种形态，都有一个共同的根源，或者换句话说，它们是相互直接联系的，也是相互依赖的，所以它们似乎是可以互相转化的。,加上奥斯特已发现了电能产生磁，所以法拉第坚信：磁一定能产生电。经过近10年的努力，于1831年发现了电磁感应现象。 由上述4种方法，可见关键点是：产生感应电流的回路都是处在一个变化的磁场中，一旦磁场变化停止，感应电流就消失。这种现象称为电磁感应。,二、创造性的科学思维磁感线与场概念的引入 法拉第于1831年底用铁粉实验展示并提出了“磁力线” （现称磁感应线）概念。他认为磁感应线显示了在磁体周围空间是物理空间，其中存在“磁场”。利用磁感应线在空间分布的疏密程度可以直观地描述磁场的强弱。“密”表示 “强”，“稀”表示“弱”。,条形磁铁周围铁屑沿磁感应线排列,磁感应强度是矢量，有大小和方向。在磁感应线上某点的切线方向为该点磁感应强度方向。人们规定磁场的方向是将小磁针放在该点时，北极所指方向。,“场”概念引入的重大意义 力线和场的概念的提出，不仅使电磁感应可给以定量的描述，而且“场”的提出，表明电力和磁力是一种近距作用，即这种力是通过“场”进行传播的，不是“超距作用”。,更重要的是：“场”的引入是物理学中极具想象力的创举，对物理学发展具有开创意义。在过去人们认为物理实在是质点，牛顿研究的是质点的力学运动规律。而在电磁学的研究中，物理实在是有连续的“场”来代表。法拉第和麦克斯韦研究的是“场”的运动变化规律，这是一场伟大的变革。,“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。” 爱因斯坦,电场（E）线：在电场中画一组曲线： 1、曲线上每一点的切线方向与该点的电场方向一致； 2、从正电荷出发，终止于负电荷； 3、为了定量地描写电场，对电场线的画法作如下的规定：在电场中任一点处，通过垂直于电场强度E单位面积的电场线数等于该点的电场强度的数值。 4、电场线不同于磁感应线，电场线不闭合。,注意：dS是垂直E的,电场强度的大小：,点电荷的电场线,正电荷,负电荷,非均匀电场,一对等量异号电荷的电场线,一对等量正点电荷的电场线,一对异号不等量点电荷的电场线,带电平行板电容器的电场,远离边缘的区域是均匀电场,电场强度通量,通过电场中某一个面的电场线的条数，称为通过该平面的电场强度通量。,1、若电场是均匀的而且面和场是垂直的，则有：,2、一般情况：将曲面分割为无限多个面元，称为面积元矢量,则电场穿过该面元的电通量为,电场穿过某曲面的电通量为,不闭合曲面：,面元的法向单位矢量可有两种相反取向，电通量可正也可负；,说明：电通量是标量，但有正负之分。,闭合曲面：,规定面元的法向单位矢量取向外为正。,电场线穿出，电通量为正，反之则为负。,1.静电场：相对于观察者静止的电荷在周围空间激发的电场。,关于电荷之间的相互作用历史上曾存在两种观点,超距作用,电场,电荷1,电荷2,电场1,电场2,三、带电粒子在电场和磁场中所受的力和场强的定义,2. 电场强度,试验电荷q0及条件：,电场强度：电场中某点的电场强度等于单位正电荷在该点所受的电场力。,3、点电荷的电场,（1）真空中点电荷的电场,（2）介电体中点电荷的电场,qi,q2,4、电场强度叠加原理和点电荷系的场强,上式表明，在点电荷系产生的电场中，某一点的场强，等于每个点电荷单独存在时在该点产生场强的矢量和。这就是电场强度叠加原理。,5. 磁感应强度,设带电量为q，速度为v的运动试探电荷处于磁场中，实验发现：,（1）当运动试探电荷以同一速率v沿不同方向通过磁场中某点 p 时，电荷所受磁力的大小是不同的，但磁力的方向却总是与电荷运动方向（ ）垂直；,（2）在磁场中的p点处存在着一个特定的方向，当电荷沿此方向或相反方向运动时，所受到的磁力为零，与电荷本身性质无关;,（3）在磁场中的p点处，电荷沿与上述特定方向垂直的方向运动时所受到的磁力最大(记为Fm )，并且Fm与qv的比值是与q、v无关的确定值。,方向：小磁针平衡时N 极的指向。,大小：,单位：特斯拉（T） 高斯（Gs）,由实验结果可见，磁场中任何一点都存在一个固有的特定方向和确定的比值Fm/(qv)，与试验电荷的性质无关，反映了磁场在该点的方向和强弱特征，为此，定义一个矢量函数磁感应强度矢量：,6.运动电荷所受的磁场力 从以上的实验结果看：磁场力既与电荷的运动方向垂直又与磁感应强度垂直，且相互构成右手螺旋系统，故它们间的矢量关系式可写成,如 与 之间的夹角为 ，那么 的大小为：,带电粒子在磁场中的运动,设有一均匀磁场，磁感应强度为 ，一电荷量为 、质量为 的粒子，以初速 进入磁场中运动。,（1）如果 与 相互平行,粒子作匀速直线运动。,轨道半径,周期,（3）如果 与 斜交成角,粒子作螺旋运动。,螺距：,非均匀磁场的应用：范艾仑(Van Allen)辐射带和北极光,地球磁场类似于磁偶极子产生的磁场，它的磁感线分布情况如图所示，两极强而中间弱，在外层空间运动的大量带电粒子（宇宙射线）进入磁场影响范围，将绕地磁感线作螺旋运动，因为在近两极处地磁场增强，作螺旋运动的粒子将被折回，结果在沿磁感线的区域内来回振荡，形成范阿仑辐射带。偶尔地，太阳黑子活动引起空间磁场的变化，使粒子在磁感线引导下在地极附近进入大气层，从而引起大气中氮和氧分子的电离，产生出奇丽的极光。,范艾仑(Van Allen)辐射带,极光,7. 实际应用：1）电视机显象管中的电子束就是利用磁场来偏转的；2）是制造回旋加速器的基本原理；3）现代很多电子仪器中常会遇到电磁偏转。,（1）质谱仪： 进行质谱分析的仪器，即根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。,（2）回旋加速器 在原子核物理和高能物理实验中，用来加速带电粒子,使之获得高能量的仪器。利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。1930年E.O.劳伦斯提出其工作原理，1932年首次研制成功。,回旋加速器原理图,在磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒（D形盒）隔开相对放置，D形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D形盒内不受电场力，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。如果D形盒上所加的交变电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率，则粒子绕行半圈后正赶上D形盒上极性变号，粒子仍处于加速状态。由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大。经过很多次加速，粒子沿螺旋形轨道从D形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特（MeV ）。,回旋加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应，粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，从而逐渐偏离了交变电场的加速状态。进一步的改进有同步回旋加速器。 我国的同步回旋速器可将质子加速到50GeV（1GeV=109eV）。 北京正负电子对撞机 合肥同步辐射加速器 兰州重离子加速器,（3）洛伦兹力,称为洛伦兹公式,洛伦兹力,带电粒子在电磁场中受到的电磁力,实际应用：J.J. 汤姆孙发现电子的实验中，测量带电粒子的速度以及带电粒子的荷质比，就是利用了洛伦兹公式。,汤姆孙实验,调节电场和磁场的大小，可使带电粒子不发生偏转，即洛伦兹力为零，因此:,vB时，有:,已知 v ，可去掉电场，则带电粒子将在磁场作用下偏转，半径为r，由此可得荷质比为:,几种不同形状电流磁场的磁感应线,四、磁通量,规定：通过磁场中某点处垂直于磁感应强度矢量的单位面积的磁感应线数等于该点磁感应强度矢量的量值。磁感应线越密，磁场越强；磁感应线越稀，磁场就越弱，磁感线的分布能形象地反映磁场的方向和大小特征。,磁通量：穿过磁场中任一给定曲面的磁感线总数。,五、楞次定律 楞次定律是判断感应电流方向的法则：闭合回路中产生的感应电流方向，总是使由此感应电流所产生的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化。,磁铁插入和抽出时，线圈中感应电流的方向,楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现插入和抽出磁铁时所做的功转变为回路中的电能,六、法拉第电磁感应定律 引入感应电动势 比感应电流更能反映电磁感应现象的本质，,负号意味着 总是与磁通量变化的符号相反，说明 的方向总是阻止磁通量变化 。,利用洛伦兹公式可导出电磁感应定律，即两者是自恰的。同时再通过对图3-3-5实验的具体计算，证明了回路中电能是由外力所做的功转化而来的。,电磁感应定律为：,电磁感应现象应用举例（1）麦克风,（2）发电机原理,七、做一个“平凡的法拉第”,3.4 麦克斯韦电磁场理论的建立与电磁波的发现,一、一场伟大的变革,“一个民族要想站在科学的高峰，就一刻也不能没有理论思维。” 恩格斯,在1999年，英国广播公司（BBC）所评选出的1000年来最伟大的10位思想家中麦克斯韦与马克思、爱因斯坦、牛顿等人一起榜上有名，他排名第九。后由英国杂志物理世界在100位著名物理学家中选出的10位最伟大者中，麦克斯韦紧跟爱因斯坦和牛顿排名第三。,麦克斯韦,詹姆斯克拉克麦克斯韦是19世纪伟大的英国物理学家、数学家。1831年11月13日生于苏格兰的爱丁堡，麦克斯韦从小受到良好的教育。10岁时进入爱丁堡中学学习14岁就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文，已显露出出众的才华。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理。1850年转入剑桥大学三一学院数学系学习 。1856年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授。1860年到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授。1861年选为伦敦皇家学会会员。1865年春辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著论电和磁，并于1873年出版，1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪什试验物理学教授，负责筹建著名的卡文迪什实验室，1874年建成后担任这个实验室的第一任主任，直到1879年11月5日在剑桥逝世。,麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。他预言了电磁波的存在。这种理论遇见后来得到了充分的实验验证。他为物理学树起了一座丰碑。造福于人类的无线电技术，就是以电磁场理论为基础发展起来的。,麦克斯韦大约于1855年开始研究电磁学，在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后，坚信法拉第的新理论包含着真理。于是他抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望，决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。他在前人成就的基础上，对整个电磁现象作了系统、全面的研究。对前人和他自己的工作进行了综合概括，将电磁场理论用简洁、对称、完美数学形式表示出来，经后人整理和改写，成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。,在热力学与统计物理学方面麦克斯韦也作出了重要贡献，他是气体动理论的创始人之一。1859年他首次用统计规律得出麦克斯韦速度分布律，从而找到了由微观两求统计平均值的更确切的途径。,麦克斯韦是运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学思想的大师，他非常重视实验，由他负责建立起来的卡文迪什实验室，在他和以后几位主任的领导下，发展成为举世闻名的学术中心之一。,法拉第无疑是一位伟大的实验家，有丰富的想象力，但他一系列观点还缺乏严格的数学形式，在理论上不够严密。加上当时在学术界中，“超距作用”的传统观念还很深，所以当时学术界对法拉第学说表示出冷漠、甚至非议。,可是年轻的麦克斯韦却有与众不同的眼光，他体会到了“场”的引入的革命性意义。他被法拉第的成果所吸引。在1856年以后，他致力于用数学语言翻译和表述电磁场的运动规律。,“法拉第和麦克斯韦在电磁场方面的工作引起一场最伟大的革命” 爱因斯坦,二、麦克斯韦方程组的建立 麦克斯韦通过对前人的发现和成果加以总结和升华以及结合位移电流概念的引入，提出了变化电场可在周围激发磁场的假设，建立了反映电磁场运动规律的麦克斯韦方程组。,麦克斯韦方程组：,麦克斯韦的电磁理论具有以下几个特点：,（1）物理概念创新（2）逻辑体系严密（3）数学形式简单优美（4）演绎方法出色（5）电场与磁场以及时间空间的明显对称性,三、预言电磁波，实现第三次大综合由麦克斯韦方程组出发，根据交变的电场（或磁场）可在周围产生交变磁场（或电场），预言了电磁波。他认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来，电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波。,麦克斯韦还推导出了电磁波在真空中的传播速度为,并由此推断光就是电磁波。,电磁波谱,电磁波谱大致可划分为： 无线电波 一般由天线上的电磁振荡发射出去，它是电磁波谱中波长最长的一个波段。由于电磁波的辐射强度随频率的减小而急剧下降，因此波长为几百公里的低频电磁波通常不为人们注意。实际使用中的无线电波的波长范围为30km1mm。不同波长范围的电磁波特点不同，因此其用途也不同，从传播特点而言，长波、中波由于波长很长，它们的衍射能力很强，适合传送电台的广播信号。短波衍射能力小，靠电离层向地面反射来传播，能传得很远。微波由于波长很短，在空间按直线传播，容易被障碍物所反射，远距离传播要用中继站。适合于电视和无线电定位（雷达）和无线电导航技术。,各种无线电波的波长范围和用途,红外线 波长范围大约在0.6 mm760 nm之间的电磁波称为红外线，它的波长比红光更长。红外线主要来源于炽热物体的热辐射，给人以热的感觉。它能透过浓雾或较厚大气层而不易被吸收。红外线虽然看不见，但可以通过特制的透镜成像。根据这些性质可制成红外夜视仪，在夜间观察物体。20世纪下半叶以来，由于微波无线电技术和红外技术的发展，两者之间不断拓展，目前微波和红外线的分界已不存在，有一定的重叠范围。,可见光 可见光在整个电磁波谱中所占的波段最窄，其波长范围在760nm400nm之间。这些电磁波能使人眼产生光的感觉，所以称为光波。可见光的不同频率决定了人眼感觉到的不同颜色，白光则是由各种颜色的可见光红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，按一定光强比例混合而成，称为复色光。,紫外线 波长范围在400nm5nm之间的电磁波称为紫外线（ultraviolet），它比可见光的紫光波长更短，人眼也看不见。当炽热物体（例如太阳）的温度很高时，就会辐射紫外线。由于紫外线的能量与一般化学反应所涉及的能量大小相当，因此它有明显的化学效应和荧光效应，也有较强的杀菌本领。无论是红外线、可见光或紫外线，它们都是由原子的外层电子受激发后产生的。,X射线 伦琴在1859年发现了X射线。它的波长比紫外线更短，它是由原子中的内层电子受激发后产生的，其波长范围在0.04 5 nm之间。X射线具有很强的穿透能力，在医疗上用于透视和病理检查；在工业上用于检查金属材料内部的缺陷和分析晶体结构等。随着X射线技术的发展，它的波长范围也朝着两个方向发展，在长波方向与紫外线有所重叠，短波方向则进入了 射线的领域。,射线 这是一种比X射线波长更短的电磁波，它来自于宇宙射线或由某些放射性元素在衰变过程中辐射射出来，其波长范围在 以下，以至更短。它的穿透力比X射线更强，对生物的破坏力很大。除了用于金属探伤外，还可用于了解原子核的结构。,深刻、完美、新颖的麦克斯韦方程组于1964年提出，但开始并不被人们接受。直到1888年，赫兹用实验证明了电磁波的存在，并证明了电磁波不仅传播速度和光速一样，而且有类似光的特性（反射、折射、衍射、偏振等）。从此麦克斯韦方程组才被世人公认。麦克斯韦不仅将电学与磁学完全统一起来，而且又将他们与光学统一起来，实现了物理学史上继牛顿力学建立和能量守恒提出以来的第三次大综合。,麦克斯韦的贡献不仅在于科学理论本身，而且为后人提供了丰富的科学思想和研究方法。值得指出的是，他是英国科学史上创建和领导了在现代科学革命起先锋作用的卡文迪许实验室，并为该实验室立下了方针、政策和宗旨，指导实验室培养了无数科学人才，取得了大量杰出成果。,卡文迪许实验室,