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第五章 经典电磁学的建立与发展 1.对电磁现象的早期认识 2.富兰克林对雷电现象的研究 3.从定性到定量库仑定律的发现 4.由静电到动电电流的发现 5.电流的磁效应与安培定律 6.电磁感应现象的发现与研究 7.麦克斯韦电磁场理论的建立 8.电磁波的发现与应用（略）,1.对电磁现象的早期认识,1.中国：略,2.英国人吉尔伯特(W.Gilbert,1544-1603)：英国物理学家、医生 吉尔伯特做了多年的实验，发现了“电力”，“电吸引”等许多现象，并最先使用了“电力”“电吸引”等专用术语，因此许多人称他是电学研究之父。他的主要著作为1600年出版的论磁性、磁体和巨大地磁体，书中记载了“小地球”实验（把一块大天然磁石磨成球形，把小磁针放在球的表面）。物理学史上第一部系统阐述磁学的科学专著。伽利落称其为“经验主义的奠基人”。,3.莱顿瓶的发现 1745年，荷兰莱顿大学教授马森布洛克（Musschenbrock)发明了收集电荷的莱顿瓶。,1.电荷守恒定律的发现：他发现两个带有不同性质电荷的带电体，相互接触后可以呈现中性。把电荷分为“正电”和“负电”，并进一步得出结论正电和负电在本质上不应有什么差别；摩擦起电过程中，总是形成等量异种电荷；摩擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方得到的电荷在数量上相等。从而得到了电荷守恒定律。2.费城实验-天电和地电的统一3.发明避雷针4.独立宣言和美国宪法的起草人之一，为美国的独立和解放作出了贡献的政治活动家。,2.富兰克林对雷电现象的研究,一.类比法二.库仑的引力实验三.卡文迪许的工作（略）,3.库仑定律的发现从定性到定量,从 定 性 到 定 量-库 仑 定 律 的 发 现,1.电力作用的猜测 1759年，德国柏林科学院院士爱皮努斯（F.U.T.Aepinus)发现：电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减小而增大；当一个导体靠近一带电体时，该导体的远端会获得与带电体相同的电荷，近端则获得相反的电荷（静电感应）。1760年，D.伯努利首先猜测电力会不会跟万有引力一样，服从平方反比定律。他的想法在当时具有一定的代表性。,一.类比法,2.富兰克林的空罐实验 用丝线将一小块软木悬挂在带电金属罐外的附近，软木受到吸引。但把它悬挂在罐内时，不论在罐内何处，它都不受电力。富兰克林写信将这一现象告之他的英国朋友普利斯特利（J.Priestleuy,化学家，氧气的发现者），普利斯特利想到:1687年牛顿曾证明:万有引力若服从平方反比定律，则均匀的物质球壳对壳内物体应无作用。普利斯特利重复了上述实验，并将空罐实验与牛顿推理类比。,3.罗比逊实验同种电荷斥力的测量 1769年，英国爱丁堡大学的约翰.罗宾森（John Robiso，苏格兰人）设计了一个杠杆装置，如图。通过实验直接推测了平方反比关系：同种电荷间的斥力反比于距离的2.06次幂，异种电荷间的吸引力反比于小于距离的2次幂。由此他推测：在实验误差范围内，正确的关系应为反比于距离的2次幂。,二.库仑实验1.同种电荷的斥力测量-扭秤实验，略,意义：库仑定律的建立使电磁学进入了定量研究，数学的引入使电磁学真正成为一门科学。,2.异性电荷的引力测量-库仑电摆实验 和牛顿单摆类比：由于地球对物体的作用力反比于两者之间距离的平方，所以存在地面上的单摆的摆动周期正比于摆锤离地心的距离。若电荷间的引力也遵循距离平方的反比关系，则由带电体间引力产生的物体的摆动，其摆动周期T必定也正比于两带电体之间的距离r。从而设计电摆实验。库仑单摆实验：1785年在法国科学院发表论文，提出著名的库仑定律。,由 静 电 到 动 电-电 流 的 发 现,三.欧姆定律 欧姆（G.S.Ohm,1787-1854）：德国人，长期担任中学教师和家庭教师。后被慕尼黑大学任命为教授。类比：从傅立叶发现的热传导规律受到启发：导热杆中两点之间的热流正比于这两点之间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此很相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，欧姆称之为“电张力(electric tension)”，即现在所称的电势差。,4.电流的发现由静电到动电,一.伽伐尼的研究二.伏打的“金属接触说”-发明伏打电堆,+锌、锡、铁、铜、银-,伏打电堆意义:电池的发明，提供了产生恒定电流的电源，使电学从静电走向动电，为人们研究电流的各种效应提供了条件。从此电学进入了飞速发展时期。,由 静 电 到 动 电-电 流 的 发 现,存在的问题：1.伏打电堆产生的电流不稳定2.没有电流强度的测量装置。问题的解决：1.采用温差电偶2.电流扭秤：将电流磁效应和库仑扭秤法结合起来，设计了电流扭力天平：温差电源由弯成abab形的铋条和两根铜条组成，ab端插入冰水中，ab插入沸水中，电流扭秤的扭丝和磁针置于玻璃罩中，磁针偏转的角度用一放大镜观察。,自吉尔伯特开始以来的二百多年，电和磁一直是毫无关系的两门学科，围绕电与磁寻找自然现象之间的联系，成为一种潮流。1820年，丹麦的奥斯特发现了电流的磁效应，从而建立了电与磁的联系。,电 磁 学 的 新 时 期,5.电流的磁效应与安培定律,一.电流磁效应的发现二.安培和安培定律,电 磁 学 的 新 时 期,一.电流磁效应的发现-丹麦奥斯特,奥斯特，H.C.Hans Christian Oersted(17771851)。丹麦电学家，CGS电磁单位制中磁场强度的单位奥（斯特）即为纪念他而命名。1777年8月14日生于丹麦的鲁兹克宾，1794年入哥本哈根大学就读，1799年获哲学博士学位，1801-1803年间,他先后到德国和法国游学,受到I.康德和F.谢林关于自然力统一的思想的熏陶。1806年任哥本哈根大学物理学教授，1824年倡议成立丹麦自然科学促进会,1829年出任哥本哈根理工学院院长,直到1851年3月9日在哥本哈根逝世。当时的物理学界，如A.M.安培和J.B.毕奥都认为电和磁不会有任何联系。但奥斯特在康德的哲学引导下,坚信电力和磁力有着共同的根源。1819年冬天，他受命主持一个电磁讲座，从而使他有机会研究电流的磁效应。1820年4月在一次晚间讲座快结束时，他突然产生一个新的想法：电流对磁针的作用是不是不在它电流方向上，从而导致他电流磁效应的发现。论文在7月21日发表后在欧洲引起了很大反响。奥斯特的发现促进了安培对电磁力的研究（18201827）。这方面的研究工作发展迅速,同年12月就导致发现了毕奥萨伐尔定律。,电 磁 学 的 新 时 期,意义1)第一个揭示出了电与磁之间的内在联系。2)为电流计、电报和电机的发明制造开辟了道路。3)为电磁场理论的发展奠定了基础。,二.安培和安培定律 1.安培的四个实验和一个假设 2.分子电流假说 3.安培环路定理的提出 4.安培的科学研究方法,奥斯特发现电流磁效应的消息传到世界各地，在瑞士参加日内瓦科学会议的法国物理学家阿拉果得知此消息后，随后回国。于同年9月11日向法国科学院报告并重复了奥斯特的实验。这一效应引起了法国科学家安陪的极大兴趣。经过一周的夜以继日的工作后，于9月18日发现了电流间也存在着相互作用力；接着提出了一个完整的定量理论；并于1820年9月与10月间，接连写了三篇论文；在1820年12月4日，又提出了著名的安培定律；1827年发表了名著的从实验导出的关于电动力学现象的数学理论。为电动力学的产生奠定了基础。人们为纪念他，将电流强度的单位定义为“安培”。,背景：,1.安培定律的建立-四个示零实验和一个假设,首先安培设计了一个无定向秤：右图为由硬导线作成的无定向秤，由同一根导线作成两个大小相等、电流方向相反的平面回路1和2，两回路固定连在一起，整个犹如一个刚体。线圈的两端A、B通过水银槽和固定支架相连。,将通电的无定向秤置于均匀磁场中时，由于不受力和力矩的作用，无定向秤处于平衡状态。但当将其放入非均匀磁场中时将会产生作用而发生旋转。,下方为对折导线,（1）实验一：对折导线电流的作用（2）实验二：螺旋状电流的作用（3）实验三：电流作用力的方向：横向性。（4）实验四：圆形导线电流作用力与距离的关系。（研究线圈1和3对线圈2的作用。线圈半径之比等于其距离之比）,一个假设 两个电流元之间的相互作用力沿它们的连线方向。,可以看出，电流元之间的相互作用的数学形式类似于电荷之间相互作用的库仑定律。,上式表示电流元dL1施加给电流元dL2的作用力df12，dL1和dL2之间的距离为r12。,安培定律的建立：在上述四个实验和这个假设的基础上，安培推出了电流元之间相互作用力的公式：,4.安培环路定理的提出 1827年，安培发表了电动力学理论，在书中，安培总结了已知的电磁现象，得出了磁场的安培环路定理等；还阐述了他处理电磁现象的方法是沿着牛顿所走的道路，遵循法国物理学家拉普拉斯的途径，将一切物理现象归结为粒子间吸引或排斥现象，并将它们付诸数学形式加以表征。安培把牛顿力学引入电学，从而创立了电动力学。,3.分子电流假说 安培接受了法国数学家菲涅尔的意见,从微观去考虑分子电流来认识物质磁性的起因。经过反复分析和思考，于1821年,提出了著名的“分子电流假说”，成功的解释了物质宏观磁性形成的内在原因。安培假设：构成磁体的分子内部存在一种环形电流分子电流。由于分子电流的存在，每个磁分子都成为一个个小磁体。通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的，它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，两端显示较强的磁体作用，形成磁极，就被磁化了。,一.法拉第（1791-1867）二 法拉第电磁旋转实验三.法拉第发现电磁感应四.亨利及自感现象的发现（略）五.楞次定律的发现（略）六.法拉第的力线思想,6.电磁感应现象的发现与研究,变 磁 生 电 的 发 现 者 法 拉 第,英国物理学家。他的父亲一个铁匠。十三岁时，他到一家装订和出售书籍的铺子里当学徒。为他读书创造了条件。他的老板也鼓励他读书，后来有一位顾客送给他一些伦敦皇家学院讲演的听讲证。1812年冬季，他来到了伦敦皇家学院，要求和著名的院长戴维见面谈话。作为自荐书，他带来了听戴维讲演时记下的笔记。笔记装订得整齐美观，给戴维留下了很好的印象。戴维正好缺少一位助手，不久他就雇用了他。1821年受任为皇家研究所实验室主任。法拉第所研究的课题广泛多样，按编年顺序排列,有如下各方面：铁合金研究（18181824）；氯和碳的化合物（1820）；电磁转动（1821）；气体液化（1823，1845）；光学玻璃（18251831）；苯的发明（1825）；电磁感应现象（1831）；不同来源的电的同一性（1832）；电化学分解（1832年起）；静电学，电介质（1835年起）；气体放电（1835年）；光、电和磁（1845年起）；抗磁性（1845年起）；“射线振动思想”（1846年起）；重力和电（1849年起）；时间和磁性（1857年起）法拉第一生热衷科学事业，不好功名利禄。英国女王曾多次想对他封爵，都被他谢绝；1858年英国史学家廷德尔提议让他担任皇家学会会长，他也坚决推辞。,一.法拉第（1791-1867）,二 法拉第电磁旋转实验：当接通电源时，发现左侧的容器里，磁铁棒绕着固定导线缓慢的作圆周运动；而右侧则是另一种情景：导线绕固定磁棒在转动。实际上，这就是最早的旋转电动机的雏型。,实验二,实验三,实验四,实验五：感应发电机的产生,三 法拉第发现电磁感应的有关实验,法拉第电磁感应实验,四 亨利及自感现象的发现（略）五 楞次定律的发现（略）,六 法拉第的“力线和“场”的思想及其他 法拉第坚信，在带电体、磁体和电流周围的空间存在着某种由电或磁产生的像以太那样的连续介质，起着传递电力和磁力的媒介作用，他把它们称之为“电场”和“磁场”。1851年写了论磁力线：“场是由力线组成的，力线上的任一点的切线方向就是该点场强的方向，力线的疏密表示场强的大小。”力线具有物理实在的性质，它是场的表现。意义：牛顿力学，安培定律及库仑定律都是超距中心作用；而力线和场的概念，则是一种近距媒递作用，是对传统力学观念的一个重大突破。,背景：19世纪中期，描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的库仑定律、高斯定律、安培定律、法拉第电磁感应定律已相继建立，法拉第关于力线和场的概念已经提出。1847-1853年间，W.汤姆逊提出了铁磁质内磁场强度H和磁感应强度B的定义，并导出了H=B，并且于1851年提出了磁的数学理论。为后来麦克斯韦的研究做出了典范。总之到了十九世纪五六十年代，创立电磁场理论的条件已趋成熟。,7.麦克斯韦电磁场理论的建立,一.麦克斯韦（1831-1879）简介二.建立电磁场理论的工作三.意义,麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论 的 建 立,一.麦克斯韦（1831-1879）简介,麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学之大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础，导致第二次工业革命。,1879年11月3日，麦克斯韦逝世，时年49 岁，在他的一生中共写了100多篇有价值的论文。,麦克斯韦1831年6月出生于英国爱丁堡，10岁进入爱丁堡中学，14岁在中学时期就发表了第一篇科学论文论卵形曲线的机械画法，反映了他在几何和代数方面的丰富知识。16岁进入爱丁堡大学学习物理，三年后，他转学到剑桥大学三一学院。在剑桥学习时，打下了扎实的数学基础，为他以后把数学分析和实验研究紧密结合创造了条件。,他精心研究了法拉第的电学的实验研究，以法拉第的力线概念为指导，透过这些似乎杂乱无章的实验记录，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁场理论。于1873年出版的电磁学通论。这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理、达尔文的物种起源和赖尔的地质学原理相媲美的里程碑式的著作。,1.类比：2.麦克斯韦的“以太涡旋”模型和“位移电流”3.麦克斯韦电磁方程组：4.电磁波的预言5.光波就是电磁波的提出,二.麦克斯韦电磁场理论,1.类比 1855年发表论法拉第力线，把法拉第的力线抽象为数学描述。文中：麦克斯韦用类比的方法，把力线看作不可压缩的流体的流线。如把正、负电荷比作流体的源和汇，电力线比作流管，电场强度比作流速等，引入了诺埃曼的矢势函数A，用于表示导体中引起的电动势。并指出，“电紧张态”是场的一种运动性质，是一个物理真实。在论文末尾，麦克斯韦总结了六条定律，为以后建立电磁场理论奠定了基础。,从而将法拉第的观念和直观的力线抽象为数学。,2.麦克斯韦的“以太涡旋”模型和“位移电流”1862年，麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文论物理力线。提出了“电磁以太模型”，把电学量和磁学量之间的关系，形象的表现出来。,电磁以太模型：如右图，充满空间的媒质分子在磁作用下具有旋转的性质，它们以磁力线为轴形成涡旋管，涡旋管转动的角速度正比于磁场强度H，涡旋媒质的密度正比于媒质磁导率。,由于相互紧密连接的涡旋管的表面是沿相反方向运动的，为了互不妨碍对方的运动，麦克斯韦设想在相临涡旋管之间充满着一层起滚珠轴承作用的微小粒子。它们是些远比涡旋的线度小、质量可以忽略的带电粒子。粒子和涡旋的作用是切向的。粒子可以滚动，但没有滑动。,对于静电场中的情况：麦克斯韦把涡旋模型又进一步推广到静电场。无外磁场时，由于H=0，涡旋管静止。但当处于静电场中时，粒子层将受到电力E的作用而发生位移D，并给涡旋管以切向力使之发生形变。当两力平衡时，粒子和涡旋管保持相对静止状态。这时电场能在媒质中转变为弹性势能。这时并无磁感应产生。,对于变化电场的情况：当电场发生变化的时候，介质中粒子的总位移D也跟着发生变化，从而形成正负方向上的电流。麦克斯韦称之为“位移电流”,并表示为iE/t。,3.麦克斯韦电磁方程组：1873年，麦克斯韦出版电磁学通论，创造性的建立了电磁场理论的完整体系。把以前的电磁场理论都综合在一组方程式中，得到了电磁场的数学方程-麦克斯韦电磁方程组。以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内在的完美对称。,最初，在电磁学通论书中，麦克斯韦共列出了20个分量方程，如果采用矢量方程，则仅有8个。后来简化成四个。1890年前后，德国物理学家赫兹和英国物理学家亥维赛，又两次简化麦克斯韦方程组，才得到我们现在通用的微分形式。,麦克斯韦方程组：,4.电磁波的预言 麦克斯韦方程组的一个重要结果，就是预言了电磁波的存在。麦克斯韦通过计算，从方程组中导出了自由空间中电场强度E和磁感应强度B的波动方程为：,式中V是波在介质中的传播速度。,式中是介电常数，为磁导率。,它表示：电或磁的扰动，将在以太媒质里以速度V传播着。并且推出了电磁波的传播速度为：,5.光波就是电磁波的提出：1856年韦伯测定上述速度值为：V=31.074万公里/秒,麦克斯韦发现这个值与1849年斐索测得的光速31.50万公里/秒十分接近。他认为这不是巧合，而是由于光的本质与电磁波相同，从而提出了光的电磁理论。它表明“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动”。从而将光、电、磁理论统一起来。完成了物理学发展史上的第二次理论大综合。,麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论 的 建 立,四.意义,1.经典电磁理论的确立，完成了物理学理论的第二次大综合，2.掀起了第二次工业革命，进一步说明了科学技术是第一生产力。,