1、電磁場與電磁波發展史這學期，我們學習了電磁場與電磁波這門課程，課程雖已結束，但在學 習過程中獲得的知識卻會讓我們每個人受益終身。每一門學科都有一個發展完善 的過程，我將用自己查閱到的資料與自己的理解簡單介紹一下電磁場與電磁波的 發展史。電磁學是研究電磁現象的規律的學科，其中，在電磁學里，電磁場（elect-romagnetic field）是一種由帶電物體產生的一種物理場； 電磁波（electromagnetic wave）（又稱電磁輻射）是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的 形式移動，其傳播方向垂直于電場與磁場構成的平面，有效的傳遞能量和動量。 關于電磁現象的觀察記錄，可以追溯到

2、公元前6世紀希臘學者泰勒斯（Thales）,他觀察到用布摩擦過的琥珀能吸引輕微物體，英文中電”的語源就來自希臘文“琥珀”一詞。在我國，最早是在公元前 4到3世紀戰國時期韓非子中關于 司南（一種用天然磁石做成的指向工具）和呂氏春秋中有關“慈石召鐵”的 記載。由此可見，電磁現象很早就已經被發現。 然而真正對電磁現象的系統研究 則要等到十六世紀以后，并且靜電學的研究要晚于靜磁學，這是由于難以找到一 個能產生穩定靜電場的方法，這種情況一直持續到1660年摩擦起電機被發明出 來。十八世紀以前，人們一直采用這類摩擦起電機來產生研究靜電場，代表人物如本杰明富蘭克林。人們在這一時期主要了解到了靜電力的同性相斥

3、、異性相 吸的特性、靜電感應現象以及電荷守恒原理。 后來，人們曾將靜電力與在當時已 享有盛譽的萬有引力定律做類比，發現彼此在理論和實驗上都有很多相似之處， 包括實驗觀測到帶電球殼內部的球體不會帶電， 這和有質量的球殼內部物體不會 受到引力作用（由牛頓在理論上證明，是平方反比力的一個特征）的情形類似。 其間蘇格蘭物理學家約翰羅比遜（1759年）和英國物理學家亨利卡文迪什 （1773年）等人都進行過實驗驗證了靜電力的平方反比律，然而他們的實驗卻 遲遲不為人知。法國物理學家夏爾 奧古斯丁 庫侖于1784年至1785年間進行 了他著名的扭秤實驗，其實驗的主要目的就是為了證實靜電力的平方反比律，因為他認

4、為假說的前一部分無需證明”也就是說他已經先驗性地認為靜電力必然 和萬有引力類似，和電荷電量成正比。扭秤的基本構造為：一根水平懸于細金屬 絲的輕導線兩端分別置有一個帶電小球 A和一個與之平衡的物體P,而在實驗中 在小球A的附近放置同樣大小的帶電小球 B，兩者的靜電力會在輕導線上產生扭 矩，從而使輕桿轉動。通過校正懸絲上的旋鈕可以將小球調回原先位置，則此時懸絲上的扭矩等于靜電力產生的力矩。 如此，兩者之間的靜電力可以通過測量這 個扭矩、偏轉角度和導線長度來求得。庫侖的結論為：對同樣材料的金屬導線而言，扭矩的大小正比于偏轉角度，導線橫截面直徑的四次方，且反比于導線的長度夏爾奧古斯丁庫侖，金屬導線扭矩

5、和彈性的理論和 實驗研究庫侖在其后的幾年間也研究了磁偶極子之間的作用力，他也得出了 磁力也具有平方反比律的結論。不過，他并未認識到靜電力和靜磁力之間有何內 在聯系，而且他一直將電力和磁力吸引和排斥的原因歸結于假想的電流體和磁流 體一一具有正和負區別的，類似于 熱質”一般的無質量物質。靜電力的平方反比 律確定后，很多后續工作都是同萬有引力做類比從而順理成章的結果。1813年法國數學家、物理學家西莫恩 德尼泊松指出拉普拉斯方程也適用于靜電場，從 而提出泊松方程；其他例子還包括靜電場的格林函數（喬治格林，1828年）和高斯定理（卡爾 高斯，1839年）。意大利物理學家亞歷山德羅 伏打1800年發明了

6、伏打電堆、伏打電池，伏打 電堆和電池的發明為研究穩恒電流創造了條件。 庫侖發現了磁力和電力一樣遵守 平方反比律，但他沒有進一步推測兩者的內在聯系， 然而人們在自然界中觀察到 的電流的磁現象（如富蘭克林在1751年發現放電能將鋼針磁化）促使著人們不 斷地探索這種聯系。首先發現這種聯系的人是丹麥物理學家奧斯特，他本著這種信念進行了一系列有關的實驗，最終于1820年發現接通電流的導線能對附近的 磁針產生作用力，這種磁效應是沿著圍繞導線的螺旋方向分布的。 在奧斯特發現 電流的磁效應之后，法國物理學家讓-巴蒂斯特畢奧和費利克斯薩伐爾進一步詳 細研究了載流直導線對周圍磁針的作用力，并確定其磁力大小正比于電

7、流強度， 反比于距離，方向垂直于距離連線，這一規律被歸納為著名的畢奧-薩伐爾定律。1826年，安培從斯托克斯定理推導得到了著名的安培環路定理，證明了磁場沿 包圍產生其電流的閉合路徑的曲線積分等于其電流密度，這一定理成為了麥克斯韋方程組的基本方程之一。安培的工作揭示了電磁現象的內在聯系，將電磁學研究真正數學化，成為物理學中又一大理論體系 一一電動力學的基礎。麥克斯韋稱 安培的工作是科學史上最輝煌的成就之一 ”，后人稱安培為電學中的牛頓”。邁克爾法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）,英國著名物理學家、化學家。在化學、電化學、電磁學等領域都做出過杰出貢獻。他家境貧寒，未受過

8、系統的 正規教育，但卻在眾多領域中作出驚人成就，堪稱刻苦勤奮、探索真理、不計個 人名利的典范。從1824年起，法拉第進行了一系列相關實驗試圖尋找導體中的 感應電流，然而始終未獲成功。直到 1831年8月29日，法拉第在軟鐵環兩側 分別繞兩個線圈，其一為閉合回路，在導線下端附近平行放置一磁針，另一與 電池組相連，接開關，形成有電源的閉合回路。實驗發現，合上開關，磁針偏轉； 切斷開關，磁針反向偏轉，這表明在無電池組的線圈中出現了感應電流。法拉第立即意識到，這是一種非恒定的暫態效應。緊接著他做了幾十個實驗，把產生感 應電流的情形概括為5類：變化的電流，變化的磁場，運動的恒定電流，運動的 磁鐵，在磁場

9、中運動的導體，并把這些現象正式定名為電磁感應。進而，法拉第 發現，在相同條件下不同金屬導體回路中產生的感應電流與導體的導電能力成正 比，他由此認識到，感應電流是由與導體性質無關的感應電動勢產生的，即使沒有回路沒有感應電流，感應電動勢依然存在。法拉第電磁感應定律從而表述為： 任何封閉電路中感應電動勢的大小， 等于穿過這一電路磁通量的變化率。 不過此 時的法拉第電磁感應定律仍然是一條觀察性的實驗定律，確定感應電動勢和感應電流方向的是俄國物理學家海因里希 楞次，他于1833年總結出了著名的楞次定 律。法拉第定律后來被納入麥克斯韋的電磁場理論，從而具有了更簡潔更深刻的意義。法拉第另一個重要的貢獻是創立

10、了力線和場的概念， 距作用的存在，這些思想成為了麥克斯韋電磁場理論的基礎 理學中引入了新的、革命性的觀念，它們打開了一條通往新的哲學觀點的道路 電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它顯示了電、磁現象之間的相互聯 系和轉化，對其本質的深入研究所揭示的電、磁場之間的聯系。牛頓曾經說過：“如果我比別人看得遠些，那是因為我站在巨人們的肩上。” 我在欽佩牛頓謙虛的同時，也不得不佩服這句話的精辟。在科學研究中，任何偉 大的成果都不可能是在一朝一夕之間就研究出來的，這必須要經過很多科學家的研究成果的積累。電磁學發展到法拉第時代時已經比較完善，但還存在缺陷。在法拉第發現電磁感應現象的那一年，英國物理學家、

11、數學家詹姆斯 斯韋出生，他因創立電磁場理論而成為十九世紀最偉大的物理學家， 論的貢獻是里程碑式的。麥克斯韋于 1856年發表了他的第一篇論文論法拉弟 的力線，在這篇文章中，他試圖用數學語言精確地表述法拉弟的力線概念，他 采用數學推論與物理類比相結合的方法，以假想流體的力學模型去模擬電磁現 象。他說：借助于這種類比，我試圖以一種方便的和易于處理的形式為研究電 現象提供必要的數學觀念”他的目標是想據此統一已知的電磁學定律。麥克斯韋 為達到此目的，他運用了 建立力學模型一一引出基本公式一一進行數學引伸推 導”的解決科學問題的思路和方法。麥克斯韋在完成了統一已知電磁學定律的第 一階段工作后，又投入到第

12、二階段工作中。他于 論文論物理學的力線 創造性地提出了自己理論的核心部分 方面結合數學推論以邏輯手段揭示了舊電磁理論的內在矛盾， 一個與以前的流體力學模型不同的、新的電磁以太模型。 發表了第三篇著名的論文電磁場的動力理論 了他原來提出的力學模型而完全轉向場論的觀點， 象的統一性，奠定了光的電磁理論的基礎。關于光的電磁理論，明確地創立了光的電磁學說。他說： 種，光是一種能看得見的電磁波?！边@樣，麥克斯韋就把原來相互獨立的電、磁 和光都統一起來了，成為十九世紀物理學上實現的一次重大理論綜合。1873年麥克斯韋出版電磁理論的經典著作 論電和磁在這部著作中，麥克斯韋對電磁 理論作了全面系統和嚴密的論述

13、， 并從數學上證明了方程組解的唯一性， 從而表 明這個方程組是能夠精確地反映電磁場的客觀運動規律的完整理論?？茖W史上， 牛頓把天上和地上的運動規律統一起來，是實現第一次大綜合，麥克斯韋把電、 光統一起來，是實現第二次大綜合，因此應與牛頓齊名。 下面就是我們在課上學到的麥克斯韋方程組：1 麥克斯韋方程組的微分形式V * D = p/£ V* B = o-3BVXE8t力線實際是否認了超愛因斯坦稱其為物”克拉克麥克他對電磁理1862年發表了具有決定意義的 。麥克斯韋在這篇著作中，突破了法拉弟的電磁觀念， 位移電流的概念。在這一工作中，他一 另一方面則構造了 1864年，麥克斯韋又在這篇論文中，麥克斯韋舍棄 并明確論述了光現象和電磁現 1868年，麥克斯韋發表了一篇論文 光也是電磁波的一3D式中：p是自由電荷的體密度；是傳導電流密度；是位移電流密度2 麥克斯韋方程組的積分形式D d=t化tT=屮罟F* dT»0fib dT有介質時，需要補充三個描述介質性質的方程式對于各向同性介質來說，有:=(