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1、【電磁學(xué)發(fā)展簡史】一. 早期的電磁學(xué)研究 ? ? ?早期的電磁學(xué)研究比較零散，下面按照時間順序?qū)⒅饕录谐鋈缦?1650年，德國物理學(xué)家格里凱在對靜電研究的基礎(chǔ)上，制造了第一臺摩擦起電機(jī)。
2、1720年，格雷研究了電的傳導(dǎo)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別，同時也發(fā)現(xiàn)了靜電感應(yīng)現(xiàn)象。
3、1733年，杜菲經(jīng)過實(shí)驗(yàn)區(qū)分出兩種電荷，稱為松脂電和玻璃電，即現(xiàn)在的負(fù)電和正電。
4、他還總結(jié)出靜電相互作用的基本特征，同性排斥，異性相吸。
5、1745年，荷蘭萊頓大學(xué)(圖1)的穆欣布羅克和德國的克萊斯特發(fā)明了一種能存儲電荷的裝置-萊頓瓶，它和起電機(jī)一樣，意義重大，為電的實(shí)驗(yàn)研究提供了基本的實(shí)驗(yàn)工具。
6、1752年，美國科學(xué)家富蘭克林對放電現(xiàn)象進(jìn)行了研究，他冒著生命危險(xiǎn)進(jìn)行了著名的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)，發(fā)明了避雷針。
7、 ? ? ?1777年，法國物理學(xué)家?guī)靵鐾ㄟ^研究毛發(fā)和金屬絲的扭轉(zhuǎn)彈性而發(fā)明了扭秤，如圖2所示。
8、1785-1786年，他用這種扭秤測量了電荷之間的作用力，并且從牛頓的萬有引力規(guī)律得到啟發(fā)，用類比的方法得到了電荷相互作用力與距離的平反成反比的規(guī)律，后來被稱為庫侖定律。
9、 ? ? ?在早期的電磁學(xué)研究中，還值得提到的一個科學(xué)家是大家都已經(jīng)在中學(xué)物理課本中學(xué)過的歐姆定律的創(chuàng)立者-歐姆。
10、歐姆,1787年3月16日生于德國埃爾蘭根城，父親是鎖匠。
11、父親自學(xué)了數(shù)學(xué)和物理方面的知識，并教給少年時期的歐姆，喚起了歐姆對科學(xué)的興趣。
12、16歲時他進(jìn)入埃爾蘭根大學(xué)研究數(shù)學(xué)、物理與哲學(xué)，由于經(jīng)濟(jì)困難，中途綴學(xué)，到1813年才完成博士學(xué)業(yè)。
13、歐姆是一個很有天才和科學(xué)抱負(fù)的人，他長期擔(dān)任中學(xué)教師，由于缺少資料和儀器，給他的研究工作帶來不少困難，但他在孤獨(dú)與困難的環(huán)境中始終堅(jiān)持不懈地進(jìn)行科學(xué)研究，自己動手制作儀器。
14、 ? ? ?歐姆對導(dǎo)線中的電流進(jìn)行了研究。
15、他從傅立葉發(fā)現(xiàn)的熱傳導(dǎo)規(guī)律受到啟發(fā)，導(dǎo)熱桿中兩點(diǎn)間的熱流正比于這兩點(diǎn)間的溫度差。
16、因而歐姆認(rèn)為，電流現(xiàn)象與此相似，猜想導(dǎo)線中兩點(diǎn)之間的電流也許正比于它們之間的某種驅(qū)動力，即現(xiàn)在所稱的電動勢，并且花了很大的精力在這方面進(jìn)行研究。
17、開始他用伏打電堆作電源，但是因?yàn)殡娏鞑环€(wěn)定，效果不好。
18、后來他接受別人的建議改用溫差電池作電源，從而保證了電流的穩(wěn)定性。
19、但是如何測量電流的大小，這在當(dāng)時還是一個沒有解決的難題。
20、開始，歐姆利用電流的熱效應(yīng)，用熱脹冷縮的方法來測量電流，但這種方法難以得到精確的結(jié)果。
21、后來他把奧斯特關(guān)于電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和庫侖扭秤結(jié)合起來，巧妙地設(shè)計(jì)了一個電流扭秤，用一根扭絲懸掛一磁針，讓通電導(dǎo)線和磁針都沿子午線方向平行放置。
22、再用鉍和銅溫差電池，一端浸在沸水中，另一端浸在碎冰中，并用兩個水銀槽作電極，與銅線相連。
23、當(dāng)導(dǎo)線中通過電流時，磁針的偏轉(zhuǎn)角與導(dǎo)線中的電流成正比。
24、實(shí)驗(yàn)中他用粗細(xì)相同、長度不同的八根銅導(dǎo)線進(jìn)行了測量，得出了歐姆定律，也就是通過導(dǎo)體的電流與電勢差成正比與電阻成反比。
25、這個結(jié)果發(fā)表于1826年，次年他又出版了《關(guān)于電路的數(shù)學(xué)研究》，給出了歐姆定律的理論推導(dǎo)。
26、 ? ? ?歐姆定律發(fā)現(xiàn)初期，許多物理學(xué)家不能正確理解和評價這一發(fā)現(xiàn)，并遭到懷疑和尖銳的批評。
27、研究成果被忽視，經(jīng)濟(jì)極其困難，使歐姆精神抑郁。
28、直到1841年英國皇家學(xué)會授予他最高榮譽(yù)的科普利金牌，才引起德國科學(xué)界的重視。
29、二.安培和法拉第奠定了電動力學(xué)基礎(chǔ) ? ? ?1820年間，奧斯特在給學(xué)生講課時，意外地發(fā)現(xiàn)了電流的小磁針偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。
30、其實(shí)驗(yàn)示意圖如圖4所示，當(dāng)導(dǎo)線通電流時，小磁針產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)。
31、這個消息傳到巴黎后，啟發(fā)了法國物理學(xué)家安培。
32、他思考，既然磁與磁之間、電流與磁之間都有作用力，那么電流與電流之間是否也存在作用力呢?他重復(fù)了奧斯特的實(shí)驗(yàn)，幾天后向巴黎科學(xué)院提交了第一篇論文，提出了磁針轉(zhuǎn)動方向與電流方向的關(guān)系，就是大家在高中學(xué)習(xí)過的右手定則。
33、再一周后，他向科學(xué)院提交了第二篇論文，在該文中，他討論了平行載流導(dǎo)線之間的相互作用問題。
34、同時，他還發(fā)現(xiàn)如果給兩個螺線管通電流，它們就會象兩個條形磁鐵一樣相互吸引或者排斥。
35、1822年，安培在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以嚴(yán)密數(shù)學(xué)形式表述了電流產(chǎn)生磁力的基本定律，即安培定律。
36、該定律表明，兩個電流元的作用力與它們之間距離的平方成反比，與庫侖定律很類似，但是它們作用力的方向卻要由右手定則來判斷。
37、安培通過研究電流和磁鐵的磁力情況，他認(rèn)為磁鐵的磁力在本質(zhì)上和電流的磁力是一樣的，提出了著名的安培分子電流假說。
38、如圖5所示，該假說認(rèn)為在物體內(nèi)部的每個微粒都有一個環(huán)形電流，它們實(shí)際上就相當(dāng)于一個小磁針，當(dāng)這些小磁針的磁性排列一致時，就體現(xiàn)出宏觀磁性。
39、這一假說在當(dāng)時不被人們看重，一直到了70年后人們才真的發(fā)現(xiàn)了這種帶電粒子，證明了安培假說的正確性。
40、 ? ? ?既然電流有磁效應(yīng)，那么磁是否也會有電流效應(yīng)呢?根據(jù)物理的相互作用原理，這個結(jié)果應(yīng)該是顯然的，因此不少人為此做了很多實(shí)驗(yàn)，試圖發(fā)現(xiàn)磁的電流效應(yīng)。
41、但是這個現(xiàn)象直到奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的10多年后，才被英國物理學(xué)家法拉第和美國物理學(xué)家亨利發(fā)現(xiàn)。
42、 ? ? ?法拉第，1791年9月22日生在一個手工工人家庭，家里人沒有特別的文化，而且頗為貧窮。
43、法拉第的父親是一個鐵匠。
44、法拉第小時候受到的學(xué)校教育是很差的。
45、十三歲時，他就到一家裝訂和出售書籍兼營文具生意的鋪?zhàn)永锂?dāng)了學(xué)徒。
46、但與眾不同的是他除了裝訂書籍外，還經(jīng)常閱讀它們。
47、他的老板也鼓勵他，有一位顧客還送給了他一些聽倫敦皇家學(xué)院講演的聽講證。
48、1812年冬季一天，正當(dāng)拿破侖的軍隊(duì)在俄羅斯平原上遭到潰敗的時候，一位二十一歲的青年人來到了倫敦皇家學(xué)院，他要求和著名的院長戴維見面談話。
49、作為自薦書，他帶來了一本簿子，里面是他聽戴維講演時記下的筆記。
50、這本簿子裝訂得整齊美觀，這位青年給戴維留下了很好的印象。
51、戴維正好缺少一位助手，不久他就雇用了這位申請者，從此，法拉第開始步入科學(xué)的殿堂。
52、 ? ? ?法拉第是一個偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他在電磁學(xué)方面的主要貢獻(xiàn)就是現(xiàn)在稱之為法拉第電磁感應(yīng)定律，并且提出了力線和場的概念。
53、前面提到的安培和奧斯特等人的工作說明了電和磁之間存在著必然的聯(lián)系，法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律比他們前進(jìn)了一大步。
54、他用實(shí)驗(yàn)證明了電不僅可以轉(zhuǎn)化為磁，磁也同樣可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡姟?/p>
55、運(yùn)動中的電能感應(yīng)出磁，同樣運(yùn)動中的磁也能感應(yīng)出電。
56、法拉第的發(fā)現(xiàn)為大規(guī)模利用電力提供了基礎(chǔ)，后來人們利用法拉第電磁感應(yīng)定律制造了感應(yīng)發(fā)電機(jī)，從此蒸氣機(jī)時代進(jìn)入了電氣化時代。
57、1831年，法拉第用鐵粉做實(shí)驗(yàn)，形象地證明了磁力線的存在。
58、他指出，這種力線不是幾何的，而是一種具有物理性質(zhì)的客觀存在。
59、從這個實(shí)驗(yàn)說明，電荷或者磁極周圍空間并不是以前那樣認(rèn)為是一無所有的、空虛的，而是充滿了向各個方向散發(fā)的這種力線。
60、他把這種力線存在的空間稱之為場，各種力就是通過這種場進(jìn)行傳遞的。
61、 ? ? 法拉第將他的一生所做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，寫出了《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》。
62、由于法拉第基本上不懂?dāng)?shù)學(xué)，在這部著作中人們幾乎找不到一個數(shù)學(xué)公式，以至于有人認(rèn)為它只是一本關(guān)于電磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
63、但是，正是因?yàn)樗欢當(dāng)?shù)學(xué)，他才不得不想盡方法用簡單易懂的語言來表達(dá)高深的物理規(guī)律，才有力線和場這樣簡明而優(yōu)美的概念。
64、法拉第同時還是一個出色的科普演講家。
65、他的這個不懂?dāng)?shù)學(xué)的缺陷恰好被他的后來者麥克斯韋所彌補(bǔ)，建立了完美的電磁學(xué)理論。
66、 ? ? ?同時，法拉第具有深刻的哲學(xué)思想和幾何學(xué)和空間上的洞察力。
67、他的善于持久思考的能力，正好補(bǔ)償了他數(shù)學(xué)上的不足。
68、在他留下來的筆記中，有下面一段話:“我一直冥思苦索什么是使哲學(xué)家獲得成功的條件。
69、是勤奮和堅(jiān)韌精神加上良好的感覺能力和機(jī)智嗎?……但是，我長期以來為我們實(shí)驗(yàn)室尋找天才卻從未找到過。
70、不過我看到了許多人，如果他們真能嚴(yán)格要求自己，我想他們已成為有成就的實(shí)驗(yàn)哲學(xué)家了。
71、”開爾文勛爵對法拉第非常了解，他在紀(jì)念法拉第的文章中說:“他的敏捷和活躍的品質(zhì)，難以用言語形容。
72、他的天才光輝四射，使他的出現(xiàn)呈現(xiàn)出智慧之光，他的神態(tài)有一種獨(dú)特之美，這有幸在他家里或者皇家學(xué)院見過他的任何人都會感覺到的，從思想最深刻的哲學(xué)家到最質(zhì)樸的兒童。
73、”二. 麥克斯韋的電動力學(xué) ? ? ?麥克斯韋出生于蘇格蘭愛丁堡的一個名門望族。
74、他從小便顯露出出色的數(shù)學(xué)才能。
75、他在14歲就在英國《愛丁堡皇家學(xué)會學(xué)報(bào)》上發(fā)表數(shù)學(xué)論文，獲得了愛丁堡學(xué)院的數(shù)學(xué)獎。
76、后來，麥克斯韋給英國皇家學(xué)會送去了兩篇論文，但是皇家學(xué)會以“不適宜一個穿夾克的小孩登上這里的講臺”為理由讓別人代為宣讀論文。
77、1850年，麥克斯韋考入了劍橋大學(xué)三一學(xué)院，主攻數(shù)學(xué)和物理。
78、1854年以優(yōu)異的成績畢業(yè)。
79、1871年回到了母校擔(dān)任實(shí)驗(yàn)物理教授。
80、 ? ? ?法拉第精于實(shí)驗(yàn)研究，麥克斯韋擅長于理論分析概括，他們相輔相成，導(dǎo)致了科學(xué)上的重大突破。
81、1855年，24歲的麥克斯韋發(fā)表了他的論文《論法拉第的力線》，對法拉第的力線概念進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。
82、1862年，他繼續(xù)發(fā)表了《論物理的力線》。
83、在這篇論文中，他不但解釋了法拉第的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，而且還發(fā)展了法拉第的場的思想，提出了渦旋電場和位移電流的概念，初步提出了完整的電磁學(xué)理論。
84、 ? ? ?1873年，麥克斯韋完成了電磁理論的經(jīng)典著作《電磁學(xué)通論》，建立了著名的麥克斯韋方程組，以非常優(yōu)美簡潔的數(shù)學(xué)語言概括了全部電磁現(xiàn)象。
85、這一方程組有積分形式和微分形式。
86、其積分形式有四個等式組成。
87、 ，就是說通過任意閉合曲面的電通量等于它包圍住的自由電荷的代數(shù)和 ，說明在任何電場中電場強(qiáng)度沿著任意閉合曲線的積分等于通過此閉合曲線包圍面積的磁通量隨時間變化律的負(fù)值。
88、 ，即在任何磁場中，通過任意封閉曲面的磁通量等于零。
89、 ，說明任何磁場中磁場強(qiáng)度沿著任意閉合曲線的積分等于通過此閉合曲線所包圍面積內(nèi)的全電流。
90、 ? ? ?麥克斯韋方程組把電荷、電流、磁場和電場的變化用數(shù)學(xué)公式全部統(tǒng)一起來了。
91、從該方程組可以知道，變化的磁場能夠產(chǎn)生電場，變化的電場能產(chǎn)生磁場，它們將以波動的形式在空間傳播，如圖8所示，因此麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，并且推導(dǎo)出電磁波傳播速度就是光速，因此他也同時說明了光波就是一種特殊的電磁波。
92、這樣，麥克斯韋方程組的建立就標(biāo)志著完整的電磁學(xué)理論體系的建立，《電磁學(xué)通論》的科學(xué)價值可以與牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》相媲美。
93、 ? ? ?通過麥克斯韋的科學(xué)經(jīng)歷，我們可以看到數(shù)學(xué)在物理學(xué)科中的重要作用。
94、麥克斯韋精通數(shù)學(xué)，他用精確的數(shù)學(xué)語言把實(shí)驗(yàn)結(jié)果升華為理論，用數(shù)學(xué)完美的形式使得法拉第的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加和諧美麗，顯示了數(shù)學(xué)的巨大威力。
95、 ? ? ?由于沒有實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，麥克斯韋理論當(dāng)時得不到大多數(shù)科學(xué)家的理解。
96、物理學(xué)家勞厄說:“象赫爾姆赫茲和玻爾茲曼這樣有異常才能的人為了理解它也需要花幾年的力氣。
97、”因此，支持他理論的科學(xué)家就更加少了。
98、1883年，赫茲注意到一個有關(guān)的新研究，有人提出，如果電磁波存在，那么萊頓瓶在振蕩放電的時候，應(yīng)該產(chǎn)生電磁波。
99、1886年，赫茲在進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)近傍一個沒有閉和的線圈也出現(xiàn)了火花，他得到啟發(fā)，很快制出了可以檢測電磁波的電波環(huán)。
100、如圖9所示，電波環(huán)的結(jié)構(gòu)非常簡單，在一根彎成環(huán)狀的粗銅線兩端，安上兩個金屬球，小球間的距離可以進(jìn)行調(diào)整。
101、赫茲經(jīng)歷了無數(shù)次失敗，不斷改變實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和裝置，反復(fù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀器。
102、終于觀察到，調(diào)節(jié)電波環(huán)的兩個金屬球之間的間隙，當(dāng)感應(yīng)圈兩極的金屬球之間有火花跳過時，可以使在電波環(huán)的間隙處也有火花跳過，這樣，他就終于檢測到了電磁波。
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