1、第五章 電磁場理論的建立 n對電磁現象的研究是從十六世紀下半葉英國伊麗莎白女王的侍醫官吉爾伯特開始，然而他的研究方法很原始，基本上是定性地對現象的總結。 n對電磁的近代研究是從十八世紀的卡文迪許、庫侖開始，他們開創了用測量儀器對電磁現象作定量測量，并總結出定量的規律，引起了電磁學從定性到定量的飛躍。 http:/ 第一節 電現象與磁現象的早期研究 n一、吉爾伯特的研究 n他做了許多電和磁的實驗，其中最有名的是所謂“小地球”實驗。 n他發現不僅摩擦過的琥珀有吸引輕小物體的性質，而且一系列其他物體如金剛石、水晶、硫磺、明礬等也有這種性質，他把這種性質稱為電性，他是第一個用“電力”、“電吸引”、“磁

2、極”等術語的人。 第一節 電現象與磁現象的早期研究n吉爾伯特把電現象和磁現象進行比較，發現它們具有以下幾個截然不同的性質： 1.磁性是磁體本身具有的，而電性是需要用摩擦的方法產生； 2.磁性有兩種吸引和排斥，而電性僅僅有吸引（吉爾伯特不知道有排斥）； 第一節 電現象與磁現象的早期研究 3.磁石只對可以磁化的物質才有力的作用，而帶電體可以吸引任何輕小物體； 4.磁體之間的作用不受中間的紙片、亞麻布等物體的影響，而帶電體之間的作用要受到中間這些物質的影響。當帶電體浸在水中，電力的作用可以消失，而磁體的磁力在水中不會消失； 5.磁力是一種定向力，而電力是一種移動力。二、物體導電性和兩種電荷的發現 n

3、1663年德國人格里凱發明了第一臺能產生大量電荷的摩擦起電機。 n英國人格雷（公元16701736）在1729年研究了導電現象，發現摩擦過的玻璃管上所帶的電荷可以傳遞到木塞上。 n法國人杜菲（公元16981739）對格雷的實驗有極大興趣，他作了許多電學實驗。1733年他發現絕緣的金屬可以摩擦起電。 三、電荷的貯存與大氣電現象的發現 n荷蘭萊頓大學的物理學教授穆欣布羅克（公元16921761）于1746年做了實驗 ，得出結論：把電荷投放在玻璃瓶內可以把電保存下來。 n后來另一位法國電學家諾萊特就把這個蓄電的瓶子稱為萊頓瓶。 n萊頓瓶的發明，為科學界提供了一種貯電的有效方法。n就在萊頓瓶發明的17

4、46年，倫敦一位物理學家考林森通過郵寄向美國費城的本杰明富蘭克林贈送了一只萊頓瓶，并在信中向他介紹了使用方法。 三、電荷的貯存與大氣電現象的發現n富蘭克林（公元1706一1790）原來是費城的印刷商，他通過書本和科學上的來往獲得了豐富知識，他利用萊頓瓶做出的第一項重要工作，是根據萊頓瓶內外兩種電荷的相消性，在杜菲的“玻璃電”和“樹脂電”的基礎上提出正電和負電的概念。n富蘭克林所做的第二項重要工作是統一了天電和地電。 第二節 定量研究的開始 庫侖定律的發現 n一、反平方定律的提出 n1750年前后，彼得堡科學院院士埃皮努斯在實驗中發現；當發生相互作用的電荷之間的距離縮短時，兩者之間的吸引力和排斥

5、力便增加。1766年富蘭克林寫信給他在德國的一位朋友普利斯特利（公元1733一1804），介紹了他在實驗中發現在金屬杯中的軟木球完全不受金屬杯電性的影響的現象。他請普利斯特利給予驗證。 二、庫侖定律的建立 n1769年，英國愛丁堡大學的約翰羅比森直接用實驗推測到了平方反比律。但是，這個發現很晚之后才發表出來。n英國科學家卡文迪許在1772年做了一個電學實驗，他用一個金屬球殼使之帶電，發現電荷全部分布在球殼的外表面，球腔中任何一點都沒有電的作用。 庫侖定律n法國物理學家庫侖（公元17361806），起先致力于扭轉和摩擦方面的研究。由于發表了有關扭力的論文，于1781年當選為國家科學院院士。他從事

6、研究毛發和金屬絲的扭轉彈性。1784年法國科學院發出船用羅盤最優結構的懸獎征文，庫侖轉而研究電力和磁力問題。1785年庫侖自制了一臺精巧的扭秤，作了電的斥力實驗，建立了著名的庫侖定律：兩電荷之間的作用力與其距離的平方成反比，和兩者所帶電量的乘積成正比。 第三節 電流的發現 n一、伽伐尼電流的發現 n意大利生理學家伽伐尼（ 公元17371798），1780年在解剖青蛙時偶然發現了“動物電”。有一次伽伐尼將剝去皮的青蛙放在金屬板上，他的一位助手把解剖刀的刀尖碰到青蛙腿上的神經，蛙腿發生了劇烈的痙攣。另一位助手發現不遠地方的起電機上發生了一個火花。伽伐尼知道后，立即重做了這個實驗，觀察到同樣的現象。

7、n總結出，動物體內存在著一種特殊的電液，金屬只是起著傳導的作用，這種電液后來被稱為動物電或伽伐尼電。 第三節 電流的發現n1800年伏打給英國皇家學會的一個報告中說。“無疑你們會感到驚訝，我所要介紹的裝置，只是用一些不同的導體按一定的方式疊置起來的裝置。用30片、40片、60片、甚至更多的銅片（當然最好的是銀片）將它們中的每一片與一片錫片（最好是鋅片）接觸，然后充一層水或導電性能比純水更好的食鹽水、堿水等液層，或填上一層用這些液體浸透的紙皮或皮革等，就能產生相當多的電荷。” 第四節 電磁聯系的發現 n一、電流磁效應的發現 n丹麥物理學家奧斯特（公元17771851）首次發現電流磁效應，揭開了電

8、和磁兩種現象的內在聯系，從此開始了電磁學的真正研究。 n1820年4月在一次關于電和磁的講課快結束時，他抱著試試看的心情做了實驗，在一根根細的鉑絲導線的下面放一個用玻璃罩罩著的小磁針，用伽伐尼電池將鉑絲通電，他發現磁針偏轉，這現象雖然未引起聽講人的注意，卻使他非常激動！此后奧斯特花了三個月的時間，連續作了六十多個有關實驗，終于在1820年7月發表了題為電的沖突對磁針的作用的一些實驗的論文，向科學界宣布了“電流的磁效應”。 二、安培定律與分子電流假說 n法國物理學家安培（公元17751836）出生于里昂附近一個商人家庭。少年時代就表現出驚人的記憶力和非凡的數學才能，完全靠自學而獲得自然科學、哲學

9、、歷史和文學等方面的豐富知識。1799年開始一邊擔任教學工作一邊對數學進行系統的研究，1808年擔任法國帝國大學總督學，1809年成為巴黎工藝大學數學教授，1814年成為法國科學院院土，1824年擔任法蘭西學院實驗物理學教授，1827年被選為英國皇家學會會員。由于他在電學上的杰出成就，人們用他的名字來命名電流強度的單位。 二、安培定律與分子電流假說n安培在聽了阿拉果的介紹以后，第二天重復了奧斯特的實驗，并加以發展。實驗進展非常迅速，在短短的二十天內，取得了一系列重大成果，寫成三篇論文，在9月18日、9月25日和10月9日的科學院會議上，連續報告了他的重大發現。安培重復作了電流對磁針作用的實驗，

10、從中發現磁針轉動的方向與電流方向的關系服從右手定則，后人稱它為安培右手定則。 二、安培定律與分子電流假說n 安培在假設了兩個電流元之間的相互作用力沿著它們的連線和上述四個實驗的基礎上，總結出了兩個電流元之間的作用力正比于它們的長度和電流強度，而與它們之間距離的平方成反比的公式，即提出了著名的安培定律。n他進一步去尋找電磁現象的本質原因，在1821年1月，提出了著名的分子電流假說，認為每個分子的圓形電流形成一個小磁體，當它們在外磁場的作用下呈規則排列時，就使物體呈現出宏觀磁性。 二、安培定律與分子電流假說n在安培提出電流元相互作用之前，法國科學家畢奧和沙伐爾于10月30日，在法國科學院的會議上報

11、告了，載流長直導線對磁極的作用正比于電流強度，反比于它們之間距離的實驗成果，后來法國數學家拉普拉斯應用數學方法，幫助他們把實驗結果提到理論的高度，得出了畢奧沙伐爾拉普拉斯定律。n安培總結了當時有關動電研究的成果，于1822年發表了電動力學的觀察匯編，1827年發表了電動力學原理概論，為以后建立電動力學系統理論作出了奠基性的貢獻。 三、歐姆定律的確立 n 德國物理學家歐姆（公元1787一1854），出生于鎖匠家庭，1805年進人埃爾蘭根大學學習，1811年取得哲學博士學位。他一邊擔任中學教師一邊進行科學研究。1833年被聘為紐倫堡理工學院物理教授，1841年英國皇家學會授予他柯普利獎章，1849

12、年他被聘為慕尼黑大學教授，終生未婚。后來人們為了紀念他，以他的名字命名電阻單位。 第五節 法拉第與電磁感應現象 n 一、“衰減”現象的發現 n1824年阿拉果用一條磁針作成單擺，讓它在靜止的金屬盆上面按一定頻率擺動，發現它的運動像受到阻礙作用一樣很快衰減下來。1825年讓上述實驗裝置中的金屬盆轉動，發現磁針會發生偏轉，甚至會作連續轉動。n1825年塞貝克用一塊磁鐵做成單擺，放在金屬附近擺動，他發現單擺擺動的振幅衰減要比附近沒有金屬時快得多。 二、法拉第及其主導思想 n英國實驗物理學家法拉第（公元17911867），出生于倫敦附近的一個鐵匠家庭，因為家庭貧窮，小學沒有畢業就到倫敦一家書店當裝訂書

13、的學徒，利用書店的有利條件，爭取空余時間努力學習，他從閱讀科學書籍中獲得了豐富的知識，尤其是大英百科全書和化學漫談這兩本書使他收益不淺。 二、法拉第及其主導思想n1820年奧斯特實驗對法拉第影響很大，從此他開始了電磁方面的研究，他工作了四十年，在電磁學方面的實驗研究成果，全部匯總在他的巨著電學的實驗研究中，此書共三十篇分為三卷分別于1839、1844、1855年出版，此外，法拉第還寫了極為詳細的日記共8冊，其中如實地記錄了他的研究設想、計劃、成果和實驗經過，記錄了他的成功經驗和失敗的教訓。 二、法拉第及其主導思想n由于法拉第在研究工作上的成就，于1821年被推選為皇家學院實驗室主任；1824年

14、被選為皇家學會的會員；1825年任皇家研究院院長；1846年榮獲倫福德獎章和皇家勛章。人們為了紀念他，以他的名字命名了電容的單位。n十九世紀初，歐洲哲學家提出“自然力”之統一的思想。這種思想對法拉第影響很深，使法拉第形成了對物理力的統一性、不可破滅性和可轉移性的觀念。 三、電磁感應的發現 n從1831年發現電磁感應現象到1851年確立電磁感應定律，歷經20年。 n德國物理學家楞茨（公元18041865）要在獲悉法拉第的發現之后，重作了許多實驗，于1832年發現感應電動勢與線圈的直經，繞組導線的直徑和材料都沒關系。1833年提出了確定感生電流方向的法則，即“楞茨定律”。這個定律是電磁感應符合能量

15、轉換和守恒定律的具體表現。 四、力線與楊的概念 n法拉第不相信超距作用的觀點，為了對電、磁現象作出正確的解釋，他提出了場的概念和力線的圖象。 n他用電力線和磁力線來形象地表示電場和磁場的物理圖象。力線上任一點的切線方向就是場強的方向，力線密的地方，場強就強；力線疏的地方，場強就弱。場源不變時，力線圖也不變，場源變化時。力線也發生變化。 四、力線與楊的概念n法拉第關于場的概念和力線的圖象，為以后麥克斯韋從數學上建立電磁場理論奠定了基礎。JJ湯姆遜對法拉第的力線評價很高，他說：“在法拉第的許多貢獻中，最偉大的一個就是力線概念了。我想電場和磁場的許多性質，借助它就可以最簡單而且富有暗示性地表示出來”

16、。自從法拉第建立了場的概念和力線的圖象以后，超距作用的觀點逐漸衰敗，而新型的近距作用的觀點日益強化和完善。 第六節 麥克斯韋的電磁場理論 n一、麥克斯韋n英國理論物理學家麥克斯韋（公元18311879），1831年11月13日生于蘇格蘭的愛丁堡。他的父親是一個知識淵博的律師，使麥克斯韋從小受到良好的教育，在中學學習期間，麥克斯韋在數學和詩歌兩門課程的成績特優秀。14歲時就在愛丁堡皇家學會會刊上發表了一篇關于二次曲線作圖問題的論文。第一次顯露出他出眾的才華，1847年麥克斯韋進入愛丁堡大學學習數學和物理、1850年轉入劍橋大學，成為著名數學家霍普金斯的研究生。第六節 麥克斯韋的電磁場理論n185

17、4年以第二名的畢業成績獲得史密斯獎金，畢業后麥克斯韋就開始了電磁學的研究。1856年在馬瑞斯凱學院任自然哲學教授，1860年到倫敦皇家學院任自然哲學和天文學教授，這期間他有機會拜訪同一學院工作的法拉第，他信服法拉第的物理思想。1865年麥克斯韋辭去教授職務，專心總結關于電磁學的研究成果，完成了電磁場理論的經典巨著論電和磁并于1873年出版。第六節 麥克斯韋的電磁場理論n1871年麥克斯韋被聘為劍橋大學物理實驗室主任，負責籌建卡文迪許實驗室，1874年被任命為卡文迪許實驗室第一任主任。1879年11月5日，麥克斯韋因得癌癥而病故。n麥克斯韋雖然只活了49歲，但他卻寫了許多篇論文，在物理學方面有：

18、彈性物體的平衡、固體轉動定律、土星環的穩定性、顏色視覺、氣體分子速率分布等方面的成果，他的主要貢獻是電磁場理論和光的電磁學說。人們為了紀念他，把磁通量的單位命名為“麥克斯韋”。 二、電磁場理論的建立 n麥克斯韋系統地研究了前人關于電磁學的實驗成果和理論成就，以他非凡的數學才能，嚴密的邏輯推理，建立了完整的電磁場理論。他共發表了四篇關于電磁場理論的論文，從這四篇文章中，可以看出麥克斯韋對電磁場理論的建立不是一蹴而成的，而是不斷探索，不斷深入研究才取得最后的成功。 二、電磁場理論的建立n1855年，麥克斯韋發表了論法拉第的力線的第一篇論文，麥克斯韋運用類比的方法，把電磁學與流體力學作比較，他把正負

19、電荷比作流體的源和溝、電力線比作流管、電場比作流速等。從而麥克斯韋用數學重新概括了歐姆定律等六條基本定律。二、電磁場理論的建立n1862年，麥克斯韋發表了論物理的力線的第二篇論文。提出“位移電流”的假說。 n1865年，麥克斯韋發表了電磁場動力學的第三篇論文，他用場論的觀點對電磁理論進行了總結，他認為電磁相互作用，僅與距離有關而且依賴于相對速度，因此應該從帶電體和磁體周圍的媒質中發生的過程來考慮問題，而不以超距作用為出發點，從而提出了電磁場理論。 二、電磁場理論的建立n麥克斯韋為了對電磁現象能夠進行定量的計算，把已經發現的庫侖定律、安培定律高斯定理、環路定理等，用二十個變量列出二十個方程，成為電磁場的一般方程組。現在把電磁場的基本規律只歸納為四個方程，即麥克斯韋方程組的微分形式