北邮电路与信号第2章电磁学的发展历史.ppt

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1、第二章 电磁学的发展历史,1,目录,2.1 电磁现象的早期研究2.2 电磁学的建立2.3 电磁感应现象的发现与研究2.4 电磁场理论的建立,2,2.1 电磁现象的早期研究,2.1.1 静电学的发展公元前7世纪，古希腊哲学家泰勒斯已经发现用毛织物摩擦过的琥珀能吸引某些轻小物体。Electricity（电）这个字的起源就来自希腊文的“琥珀”(elec tron)。我国东汉时期，王充在论衡一书中提到顿牟掇芥等问题，也是说摩擦过的琥珀能吸引轻小物体。指南针是我国四大发明之一。我国在北宋初就知道利用人工磁化方法制成指南针。当时还发现磁偏角、磁倾角等问题。,3,1600年吉尔伯特与,首先对电和磁现象进行系

2、统实验研究的是英国的威廉吉尔伯特。英国伊丽莎白女王的御医、英国皇家科学院物理学家。主要在电学和磁力学方面有很大贡献。吉尔伯特的工作是实验和学术知识结合的典范。,4,威廉吉尔伯特（William Gilbert，15441603）,他的理论曾对后来的科学发展产生过很大的影响，特别是开普勒，发展了他的引力概念，并根据他的理论解释了行星轨道为椭圆形的原因。吉尔伯特是个出色的物理学家。他的贡献在于为电磁学和引力理论奠定了基础。他认识到电力和磁力是性质不同的两种力。他第一个将琥珀和毛皮摩擦后吸引轻小物体的性质叫做“电”。,5,1600年，吉尔伯特发表了论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体。他总结了前人对磁

3、的研究，周密地讨论了地磁的性质，记载了大量实验，使磁学从经验转变为科学。书中他也记载了电学方面的研究。,6,磁石论共分六卷。,7,第一卷介绍了他的磁性“小地球”实验，得出结论：地球本身就是一个巨大的磁体，其两极位于地理的南极和北极附近；第二卷详细地论述了电现象的实验研究与结论，还把电与磁的性质进行了比较；第三卷记载了天然磁石的定向性；第四卷说明了磁偏角与不同地点和高度的关系；第五卷介绍了测定磁倾角的仪器及各地磁倾角的大小；第六卷试图用物体的磁力来解释行星运动，当然，他没有成功。,盖利克和起电机,盖利克 起电机 最早的静电起电机出现在17世纪，O.von.盖利克利用摇柄使一个硫磺球（后改用玻璃球

4、）迅速旋转，用人手（或皮革）与之摩擦起电。到19世纪，这种摩擦起电机为感应起电机所取代。,8,18世纪电的研究电流趣闻,第一个让电荷奔跑的人斯蒂芬格雷1729年，斯蒂芬.格雷在研究琥珀的电效应是否可传递给其他物体时发现导体和绝缘体的区别：金属可导电，丝绸不导电。最重要的贡献时发现了电的传导现象格雷还做过一个有趣的实验：把一个小孩用几根粗丝绳水平吊起来，用摩擦过的带电玻璃管接触小孩的胳臂，孩子的手和身体便能吸引羽毛和铜屑。这表明，人也是导体。,9,斯蒂芬格雷（Stephen Gray）,正负电荷的发现,1734年法国人迪费（Charles-Francois du Fay，16961739）格雷的

5、实验引起法国迪费的注意。迪费根据大量的实验事实断定电有两种：一种是与琥珀带的电性质相同，叫做“琥珀电”；一种是与玻璃带的电性质相同，叫做“玻璃电”。带相同电的物体互相排斥；带不同电的物体彼此吸引直到富兰克林时，才对它们采用现代的习惯叫法：“正电”和“负电”，或“阳电”和“阴电”。,10,2.1.2 电线与流动的电荷,1、莱顿瓶的发明1746年，荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克（Pieter von Musschenbrock,16921761）发明了能保存电的莱顿瓶。,11,马森布罗克,有一天，他用一支枪管悬在空中，用起电机与枪管连着，另用一根铜线从枪管中引出，浸入一个盛有水的玻璃瓶中，他让

6、一个助手一只手握着玻璃瓶，马森布罗克在一旁使劲摇动起电机。这时他的助手不小心将另一只手碰到枪管上，他猛然感到一次强烈的电击，喊了起来。马森布罗克于是与助手互换了一下，让助手摇起电机，他自己一手拿水瓶子，另一只手去碰枪管。“我想告诉你一个新奇但是可怕的实验事实，但我警告你无论如何也不要再重复这个实验突然，我的手受到了一下力量很大的打击，使我的全身都震动了手臂和身体产生了一种无法形容的恐怖感觉。一句话，我以为我命休矣！”他的结论是：把带电体放在玻璃瓶内是可以把电保存下来的，只是当时他搞不清楚是靠瓶子还是靠瓶子里的水来起保存电的作用的,保存电荷,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

7、过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球，由于它是在莱顿城发明的。所以叫做莱顿瓶。莱顿瓶的发明使物理学第一次有办法得到很多电荷，并对其性质进行研究。它为电的进一步研究提供了条件，对于电知识的传播起到了重要的作用。,12,有趣的实验,法国人诺莱特在巴黎进行的莱顿瓶表演（法国国王路易十五及皇室成员临场观看）。他让七百名修道士手拉手排成一行，队伍全长达900英尺（约275米）。然后，诺莱特让排头的修道士用手握住莱顿瓶，让排尾的握瓶的引线，一瞬间，七百名修道士，因受电击几乎同时跳起来，在场的人无不为之口瞪目呆，诺莱特以令人信服的证据向人们展示了电的巨大威力。,13,富兰克林与费城实验,在 1752

8、年 7 月的一个雷雨天富兰克林做了著名的费城实验：风筝上安上一根尖细的铁丝，用来捕捉电，并用麻绳与这铁丝相连，麻绳的末端拴一把铜钥匙，钥匙塞在莱顿瓶中间 证明了雷电的电与摩擦电本质上是一样的。彻底破除了人们对雷电的恐惧、迷信心理。富兰克林据此提出了制造避雷针的设想，使建筑物免遭雷击。,14,1747年，富兰克林首先以正电荷、负电荷的名称来区分两种电荷。他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电，物体失去电而不足的部分叫做带负电。这种命名方法一直延续至今。1747年他根据实验提出：在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素；电跟流体一样，摩擦的作用可以使它从一个物体转移到另一个物体，但

9、不能创造；任何孤立物体的电总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒定律。,15,富兰克林（Benjamin Franklin，17061790年）是18世纪美国的实业家、科学家、社会活动家、思想家和外交家，美国独立宣言和美国宪法的起草人之一。,意义,正、负电的提出，为定量研究电现象提供了基础，使人们第一次可以用数学来表示带电现象，其重要性是显而易见的。,16,2.1.3 伏打与伏打电堆,1、伽伐尼电流的发现1780年，意大利的解剖学家伽伐尼偶然观察到与金属相接触的蛙腿发生抽动。他进一步的实验发现，若用两种金属分别接触蛙腿的筋腱和肌肉，则当两种金属相碰时，蛙腿也会发生抽动,17,2、伏打电堆 17

10、92年，伏打对此进行了仔细研究之后，认为蛙腿的抽动是一种对电流的灵敏反应。电流是两种不同金属插在一定的溶液内并构成回路时产生的，而肌肉提供了这种溶液。基于这一思想，1800年3月20日，他制造了第一个能产生持续电流的化学电池，其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体，叫做伏打电堆。,18,伏打证明这个堆的一端带正电，另一端带负电，当时引起极大的轰动。这是第一个能人为产生稳定、持续电流的装置，为电流现象的研究提供了物质基础，也为电流效应的应用打开了前景，并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具，促使电学研究有一个巨大的进展。伏打的成就受到各界普遍赞赏，科学界用他

11、的姓氏命名电势，电势差（电压）的单位，为“伏特”（就是伏打，音译演变的），简称“伏”。,19,静电学的研究发展,20,2.2 电磁学的建立,在1820年4月发现电流的磁效应：当电流通过导线时，引起导线近旁的磁针偏转。同年7月21日以关于磁针上电冲突作用的实验为题发表了他的发现。这篇短短的论文使欧洲物理学界产生了极大震动，导致了大批实验成果的出现，由此开辟了物理学的新领域电磁学。为了纪念他，国际上从1934年起命名磁场强度的单位为奥斯特，简称“奥”。,21,丹麦物理学家奥斯特(Hans Christian Oersted，17771851),【奥斯特实验】,22,奥斯特从实验总结出：电流的作用仅

12、存在于载流导线的周围；沿着螺纹方向垂直于导线；电流对磁针的作用可以穿过各种不同的介质；作用的强弱决定于介质，也决定于导线到磁针的距离和电流的强弱；铜和其他一些材料做的针不受电流作用；通电的环形导体相当于一个磁针，具有两个磁极，等等。,通电导线周围和永磁体周围一样都存在磁场。,1820年，毕奥（J.B.Biot，17741862）和萨伐（Felix Savart，17911841）关于长直载流导线对磁极作用力的实验。毕奥和萨伐尔通过实验得到了载流导线周围磁场与电流的定量关系，拉普拉斯又以公式的形式概括得出电流元产生磁感强度dB的规律。确定这个作用力正比于电流强度，反比于电流与磁极的距离，力的方向

13、垂直于这一距离。,23,1820年7月，安培关于载流螺线管与磁铁等效性的实验；安培从电流与电流之间的相互作用进行探讨，他把磁性归结为电流之间的相互作用，为了定量研究电流之间的相互作用，他设计了四个极其精巧的实验，并在这些实验的基础上进行数学推导，得到普遍的电动力公式，为电动力学奠定了基础。,24,安培(Ampre，17751836)是法国物理学家、数学家,9月25日，他报告了两根载流导线存在相互影响，相同方向的平行电流彼此相吸，相反方向的平行电流彼此相斥；对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论。通过一系列经典的和简单的实验，他认识到磁是由运动的电产生的。他用这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。

14、,25,安培研究电流相互作用的仪器,在上述实验的基础上，安培于1820年12月4日推出了反映电流间的相互作用的公式：即两个电流元之间的作用力跟它们之间距离的平方成反比，这就是著名的安培定律。,26,安培定律目前的表达式为：,他认定电流元之间的相互作用力是电磁现象的核心，电流元相当于力学中的质点，它们之间存在超距作用，就象万有引力一样。,1827年，安培将他的电磁现象的研究综合在电动力学现象的数学理论一书中，这是电磁学史上一部重要的经典论著，对以后电磁学的发展起了深远的影响。为了纪念安培在电学上的杰出贡献，电流的单位安培是以他的姓氏命名的。,27,1826年 欧姆定律,在安培专注于电流磁效应的研

15、究时，德国的欧姆就开始了对导线中电流规律的研究工作。他从傅立叶发现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，即现在所称的电动势，并且花了很大的精力在这方面进行研究。,28,欧姆(Georg Simon Ohm，17891845)德国科学家。,他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤结合起来，巧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，

16、磁针的偏转角与导线中的电流成正比。实验中他用粗细相同、长度不同的八根铜导线进行了测量，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研究，给出了欧姆定律的理论推导。,29,欧姆研究电路的实验装置,2.3电磁感应现象的发现与研究,2.3.1 法拉第电磁感应现象的发现 1820年奥斯特发现电流的磁效应之后，英国物理学家法拉第于1821年提出“由磁产生电的大胆设想，并开始了艰苦的探索。1821年9月他发现通电的导线能绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型。接着经过无

17、数次实验的失败，终于在1831年发现了电磁感应定律。这一划时代的伟大发现，使人类掌握了电磁运动相互转变以及机械能和电能相互转变的方法，成为现代发电机、电动机、变压器技术的基础。,30,欧姆在自己的许多著作里还证明了：电阻与导体的长度成正比，与导体的横截面积和传导性成反比；在稳定电流的情况下，电荷不仅在导体的表面上，而且在导体的整个截面上运动。欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视，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奖章，才引起德国科学界的重视。,31,2.3 电磁感应的发现,32,2.3.1

18、1831年 法拉第发现了电磁感应定律1821年9月他发现通电的导线能绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型。1831年发现了电磁感应定律。,法拉第(Michael Faraday 1791-1867)是英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家,法拉第对电磁学的贡献不仅是发现了电磁感应，他还发现了光磁效应（也叫法拉第效应）、电解定律和物质的抗磁性。他在大量实验的基础上创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。,1831年发现了电磁感应定律,33,法拉第对各项试验作了总结，向英国皇家学会报告说：产生感应电流的情

19、况可以分为五类：1变化中的电流；2变化中的磁场；3运动的稳恒电流；4运动中的磁铁；5在磁场中运动的导体。法拉第的实验大体上可以归为两类：一类实验是磁铁与线圈有相对运动时，线圈中产生了电流；另一类实验是当一个线圈中电流发生变化时，在它附近的其他线圈中也产生了电流。法拉第将这些现象与静电感应类比，把这些现象正式定名为电磁感应。,法拉第根据大量实验事实总结出了如下定律：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一闭合电路的磁通变化率成正比。感应电动势用 表示，即（负号反映感应电动势的方向与磁通量变化的关系）这就是法拉第电磁感应定律。,34,电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它揭示了电、磁现象之间的相互联

20、系。法拉第电磁感应定律的重要意义：一方面，依据电磁感应的原理，人们制造出了发电机，电能的大规模生产和远距离输送成为可能；另一方面，电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。人类社会从此迈进了电气化时代。,35,1832年亨利发现自感现象,1829年，亨利改进电磁铁，他用绝缘导线密绕在铁芯上，制成了能提起近一吨重物的强电磁铁。同年，亨利在用实验证明不同长度的导线对电磁铁的提举力的影响时，发现了电流的自感现象：断开通有电流的长导线可以产生明亮的火花。1832年，他在发表的论文中宣布发现了自感现象。,36,亨利（Joseph Henry，）美国物理学家,1833年 楞茨定律,

21、法拉第只是定性地用文字表述了电磁感应现象。1833年楞茨（Lenz）进一步发现楞茨定律，说明感应电流的方向。1845年才由纽曼（，17981895）以定律的形式提出电磁感应的定量规律。,37,楞次（Heinrich Friedrich Emil Lenz）是俄国物理学家和地球物理学家，,1832年当他知道了法拉第研究“磁生电”取得了成功，很受鼓舞，也开始进行一系列电磁实验。1833年楞次把他的工作总结在论动电感应引起的电流的方向一文中，指出感应电流的方向是这样确定的：它所产生的磁场方向与引起感应的原磁场的变化方向相反。这对充实、完善电磁感应规律是一大贡献。后被称为楞次定律，这一定律表明，电磁感

22、应现象也是尊从能量守恒定律的。,法拉第的力线思想,法拉第从广泛的实验研究中构想出描绘电磁作用的“力线”图象。他认为电荷和磁极周围的空间充满了力线，靠力线（包括电力线和磁力线）将电荷（或磁极）联系在一起。力线就象是从电荷（或磁极）发出、又落到电荷（或磁极）的一根根皮筋一样，具有在长度方向力图收缩，在侧向力图扩张的趋势。他以丰富的想象力阐述电磁作用的本质。,38,1851年法拉第在论文论磁力线中指出：“无论导线事垂直还是倾斜地切过磁力线，也无论它是沿着某一方向或沿着另一方向，这根导线都能把它所切割过的力线中的力汇集在一起”，因此“形成电流的力应该正比于切割磁力线的数量”。,39,法拉第是电磁场理论

23、的奠基人，他首先提出了磁力线、电力线的概念，在电磁感应、电化学、静电感应的研究中进一步深化和发展了力线思想，并第一次提出场的思想，建立了电场、磁场的概念。爱因斯坦曾指出，场的思想是法拉第最富有创造性的思想，是自牛顿以来最重要的发现。麦克斯韦正是继承和发展了法拉第的场的思想，为之找到了完美的数学表示形式从而建立了电磁场理论。,40,1847年汤姆生的类比思想,1847年，W.汤姆生进一步研究了电磁现象与弹性现象的相似性，在题为论电力、磁力和伽伐尼力的力学表征一文中，以不可压缩流体的流线连续性为基础，论述了电磁现象和流体力学现象的共性。W.汤姆生运用类比方法，把法拉第的力线思想转变为定量的表述，为

24、麦克斯韦的工作提供了十分有益的经验。,41,2.4 电磁场理论的建立,2.4.1 1865年麦克斯韦建立电磁场理论麦克斯韦(James Clerk Maxwell，18311879)，英国物理学家，经典电磁理论的奠基人1831年8月31日出生于爱丁堡。自幼聪颖，15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，1854年以第二名的成绩获史密斯奖学金，毕业留校任职两年。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

25、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实验物理学教授，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。1879年11月5日麦克斯韦因患癌症在剑桥逝世，终年仅48岁。,42,“把数学分析和实验研究联合使用所得到的物理知识，比之一个单纯实验人员或单纯的数学家能具有的知识更坚实，有益和巩固。”-麦克斯韦,麦克斯韦电磁场理论,1856年，麦克斯韦发表了第一篇关于电磁理论的论文，题为：论法拉第力线。在这篇论文中，他发展了W.汤姆生的类比方法

26、。用麦克斯韦通过类比，明确了两类不同的概念，一类相当于流体中的力，E和H就是；另一类相当于流体的流量，D和B属于这一类。麦克斯韦进一步讨论了这两类量的性质。流量遵从连续性方程，可以沿曲面积分，而力则应沿线段积分。,43,隔了5年以后，麦克斯韦又回过来研究电磁理论，写了第二篇论文，题为论物理力线。内容分四个部分，分别载于1861年和1862年的哲学杂志上。一个关于力线的机械模型，即电磁以太模型。创造性地提出位移电流和涡旋电场的两大重要假设。提出光波就是电磁波的理论：“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。”,44,1865年，麦克斯韦发表了关于电磁场理论的第三篇论文：电磁场

27、的动力学理论，用场的观点总结了电磁理论，构建了全新的理论框架。在这篇论文中，麦克斯韦提出了电磁场的普遍方程组，共20个方程，包括20个变量。,45,麦克斯韦认为变化的磁场在其周围的空间激发涡旋电场；变化的电场引起媒质电位移的变化，电位移的变化与电流一样在周围的空间激发涡旋磁场。麦克斯韦明确地用数学公式把它们表示出来，从而得到了电磁场的普遍方程组麦克斯韦方程组。法拉第的力线思想以及电磁作用传递的思想在其中得到了充分的体现。通过对这个方程组的数学运算，麦克斯韦预言了电磁波的存在，电磁波的传播速度同光速一样。而光不过是波长在某一范围的电磁波，从而把电、磁和光现象统一了起来。,46,麦克斯韦在电磁理论

28、方面的工作可以和牛顿在力学理论方面的工作相媲美。对麦克斯韦的功绩，爱因斯坦作了很高的评价。他在纪念麦克斯韦的文集中写道：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的”。“这样一次伟大的变革是同法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字永远联在一起的。这次革命的最大部分出自麦克斯韦。”,47,2.4.2 1886 赫兹的电磁波实验,1886年10月，赫兹用放电线圈做火花放电实验，偶然发现近旁未闭合的绝缘导电线圈中有电火花跳过，便敏锐地想到这可能是电磁共振。此开始直到1888年，赫兹集中力量持续进行了有关电磁波特性的多方面实验,48,赫兹(

29、H.R.Hertz,18571894)-德国物理学家,49,赫兹的电磁波实验装置,用来检测电磁波的有缺口金属环状线圈,1887年11月5日，赫兹在寄给亥姆霍兹一篇题为论在绝缘体中电过程引起的感应现象的论文中，总结了这个重要发现。接着，赫兹还通过实验确认了电磁波是横波，具有与光类似的特性，如反射、折射、衍射等，并且实验了两列电磁波的干涉，同时证实了在直线传播时，电磁波的传播速度与光速相同，从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。,50,1888年1月，赫兹将这些成果总结在论动电效应的传播速度一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜

30、利。1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。,51,2.4 电磁学对通信技术发展的作用,电流磁效应的发现打开了电应用的新领域。1825年斯特金发明电磁铁，为电的广泛应用创造了条件。1837年惠斯通和莫尔斯分别独立发明了电报机，莫尔斯还发明了一套电码，利用他所制造的电报机可通过在移动的纸条上打上点和划来传递信息。,52,1861年贝尔发明了电话，作为收话机，它仍用于现代，而其发话机则被爱迪生的发明的碳发话机以及休士的发明的传声器所改进。1895年，意大利马可尼成功地进行了2.5公里距离的无线电报传送实验。,53,1899年,无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距离的试验成功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，于1909年与布劳恩(C.F.Braun,1850-1918)一起获得诺贝尔物理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时代。,54,Thank You!,55,