【物理原理】一起来学习电磁学理论的建立

2016-06-23 来源:环球物理 我要评论(0) 字号:

【物理原理】一起来学习电磁学理论的建立

“Electricity”(电)这个单词起源于希腊文的“琥珀”。中国西晋时期,《博物志》中也有摩擦起电的记载。电和磁的利用跟人类生产和生活的联系非常紧密,电学和磁学的研究促进了世界科学技术的迅猛发展,电磁学直接推动着社会的进步。

静电学的发展

自1660年盖里克发明摩擦起电机后,电现象的研究变得可行了。1720年,格雷发现了导体与绝缘体,发现了导体的静电感应现象。1733年,杜菲经过实验区分出两种电荷,他分别称之为松脂电(即负电)和玻璃电(即正电),并由此总结出静电相互作用的基本特征:同性相斥,异性相吸。莱顿瓶的发明使得电现象的研究更加深入。富兰克林发现了尖端放电,发明了避雷针,研究了雷电现象,并从莱顿瓶的研究中,提出了电荷守恒原理。后来康顿在1734年用电流体假说解释了静电感应现象。至此,静电力基本特性、电荷守恒和静电感应这三条静电学基本原理已经建立。

1760年,D·伯努利首先猜测:电力会不会也跟万有引力一样,服从平方反比定律?1767年普利斯特利猜测电荷间的相互作用应该与引力规律有相似的特点。1785年,库仑利用扭秤试验总结出:真空中两个静止的点电荷之间的作用力与它们的电荷量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比,作用力的方向在它们的连线上。库仑定律不断经受着实验的检验,目前已经成为精确的实验规律之一。

稳恒电流的研究

18世纪末,意大利学者伽伐尼和伏打的研究使得电学从静电领域迈向电流领域。伽伐尼是一位解剖学教授,1780年9月的一天,他在解剖青蛙时偶然发现电效应。伽伐尼的发现引发了欧洲各国研究动物电的热潮,意大利的自然哲学教授伏打重复了伽伐尼的实验,发现伽伐尼的神经电流说并不正确。他拿来一只活青蛙,用两种不同金属构成的弧叉跨接在青蛙身上,一端触青蛙的腿,一端触青蛙的脊背,青蛙就会抽搐;用莱顿瓶经青蛙的身体放电,青蛙也会抽搐,说明两种不同金属构成的弧叉和莱顿瓶的作用是一样的。可以说,这些现象是外部电流作用的结果。后来,在伏打的外部电(金属接触说)和伽伐尼的内部电(神经电流说)之间出现了长期的争论。为了阐明自己的观点,伏打继续进行了大量实验。他比较了各种金属,按金属相互间的接触电动势把各种金属排列成表,其中有一部分是:锌一铅一锡一铁一铜一银一金(一石墨)。只要将表中任意两种金属接触,排在前面的金属必带正电,排在后面的必带负电。这样,伏打一举就全面地解释了伽伐尼和其他人做过的各种动物电实验。1800年,伏打进一步把锌片和铜片夹在用盐水浸湿的纸片中,重复地叠成一堆,形成了很强的电源,这就是著名的伏打电堆。把锌片和铜片插入盐水或稀酸杯中,也可以形成电源,叫做伏打电池。伏打电堆(电池)的发明,提供了产生恒定电流的电源,使人们有可能从各方面研究电流的各种效应。1821年塞贝克发明温差电偶,电源性能更加稳定了。从此,电学进人了一个飞速发展的时期——研究电流和电磁效应的新时期。

电和磁的联系

1731年有一名英国商人描述,雷闪过后,他的一箱新刀叉竟带上了磁性。1751年富兰克林发现在莱顿瓶放电后,针被磁化了。电真的会产生磁吗?1774年,这个疑问促使德国一家研究机构悬奖征解,题目是:“电力和磁力是否存在实际和物理的相似性?”

丹麦物理学家奥斯特信奉康德的哲学,认为自然界各种基本力是可以相互转化的。他深信电和磁有着某种联系。1820年4月,奥斯特在作有关电和磁的演讲时,尝试将磁针放在导线的侧面,正当他接通电源时,发现磁针轻微地晃动了一下,他立即意识到这正是他多年盼望的效应。经过反复实验,奥斯特终于查明电流的磁效应沿着围绕导线的螺旋方向。

1820年7月21日,他以拉丁文简洁地报道了60多次实验的结果。随后,毕奥萨伐尔更仔细地研究了直线载流导线对磁针的作用,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,力的方向垂直于这一距离。安培则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,提出了“分子电流假说”。为了定量研究电流之间的相互作用,安培设计了4个极其精巧的实验,并在这些实验的基础上进行数学推导,得到了普遍的电动力公式,为电动力学奠定了基础。

1820年起,电磁热席卷欧洲,法拉第相信自然力的统一性,认为“磁生电”是必然存在的。从1824年到1828年,法拉第多次进行电磁学实验。1831年8月29日,法拉第终于取得突破性进展。这次他是用一个软铁圆环,环上绕两个互相绝缘的线圈A和B,法拉第对各项实验作了总结,将产生感应电流的情况分为5类:变化中的电流,变化中的磁场,运动的稳恒电流,运动中的磁铁,运动中的导线。法拉第只是定性地用文字表述了电磁感应现象。1833年楞次用楞次定则来说明感应电流的方向。1845年纽曼以定律的形式提出电磁感应的定量规律。

1847年,W·汤姆孙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·汤姆孙运用类比方法,把法拉第的力线思想转变为定量的表述,为麦克斯韦的工作提供了十分有益的经验。

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·汤姆孙的类比方法,用不可压缩的流体的流线类比于法拉第的力线,把流线的数学表达式用到静电理论中。流线不会中断,力线也不会中断,只能发源于电荷或磁极,或者形成闭合曲线。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,电场强度E和磁场强度H属于这一类;另一类相当于流体的流量,电位移矢量D和磁感应强度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,而力则沿线段积分。

麦克斯韦推出了6个定律,他写道:“在这6个定律中,我要表达的思想,我相信是(法拉第的)《电学实验研究》中所提示的思想模式的数学基础。”

1861年麦克斯韦写了第二篇论文《论物理力线》,内容分4个部分,分别载于1861年和1862年的《哲学》杂志上。“目的是研究介质中的应力和运动的某些状态的力学效果,并将它们与观察到的电磁现象加以比较,从而为了解力线的实质作准备。”麦克斯韦为此创建了“位移电流”。“位移电流”的假设在电磁场理论中具有非常重要的地位。1865年麦克斯韦发表了关于电磁场理论的第三篇论文《电磁场的动力学理论》,全面地论述了电磁场理论。

对麦克斯韦的功绩,爱因斯坦作了很高的评价,他在纪念麦克斯韦逝世100周年的文集中写道:“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连在一起的。这次革命的最大部分出自麦克斯韦。”

洛伦兹在1892年发表了《麦克斯韦电磁学理论及其对运动物体的应用》,在对麦克斯韦电磁场理论修订的基础上提出了著名的经典电子论。他将电磁波(包括可见光)经过物质时呈现的各种宏观电磁现象,都归结为电磁波与物质中在准弹性力作用下电子的相互作用的结果。从这一简单的假设出发,洛伦兹成功地解释了物质中一系列的电磁现象,以及物质在电磁场中运动的一些效应。洛伦兹的电子论为塞曼效应提供了理论依据和科学解释。在洛伦兹的电子论中,电子的运动是一切电磁场的根源。

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