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电磁学发展史 北京师范大学数学与科学学院2015级本科生康希 一 磁与静电 古希腊哲学家泰勒斯 公元前600年前后 泰勒斯看在到当时的希腊人通过摩擦琥珀吸引羽毛 用磁铁矿石吸引铁片的现象 曾对其原因进行过一番思考 据说他的解释是 万物皆有灵 磁吸铁 故磁有灵 这里所说的 磁 就是磁铁矿石 希腊人把琥珀叫做 elektron 与英文 电 同音 他们认为琥珀吸引羽毛是神灵或者魔力的作用 在东方 中国人民早在公元前2500年前后就已经具有天然的磁石知识 古人将磁石称为慈石来形容磁石 以为母也 故能引其子 的功能 据 吕氏春秋 一书记载 中国在公元前1000年前后就已经有的指南针 他们在古代就已经用磁针来辨别方向了 13 14世纪 罗盘在航海中得到了应用 这种罗盘在1492年哥伦布发现美洲新大陆以及1519年麦哲伦发现环绕地球一周的航线时发挥了重要的作用 十三世纪前后 欧洲学术复兴 通过实验研究自然规律蔚然成风 当时通过磁学实验 发现了磁石有两极 并命名为N极和S极 并证实了异性磁极相吸 同性磁极相斥 还发现一根磁针断为两半时 每一半又各自成为一根独立的小磁针 吉尔伯特总结了多年来关于磁的实验结果 于1600年出 论磁学 书中指出地球本身就是一块大磁石 并且详细地阐述了罗盘的磁倾角问题 吉尔伯特还认真研究了摩擦琥珀吸引羽毛的现象 指出这种现象不仅存在于琥珀上 而且存在于硫磺 毛皮 陶瓷 火漆 纸 丝绸 金属 橡胶等是摩擦起电物质系列 把这个系列中的两种物质相互摩擦 系列中排在前面的物质将带正电 排在后面的物质将带负电 当时主要的研究方法就是思考 而吉尔伯特主张真正的研究应该以实验为基础 他提出这种主张并付诸实践 在这点上 可以说吉尔伯特是近代科学研究方法的开创者 1663年 盖里克发明摩擦起电机 1720年 英国牧师格雷研究了电的传导现象 1733年 杜非分别了两种电 松脂电和玻璃电 1746年 富兰克林提出了正电 负电的概念一直沿用至今 电这个神奇的精灵总是一闪而逝 与对它好奇 并热心研究它的人捉迷藏 但它还是没有逃过人类智慧 终于有一天 人们在莱顿瓶里捉住了它 莱顿瓶1745年 荷兰莱顿城莱顿大学教授马森布洛克 Musschenbrock 发现了莱顿瓶 为贮存电荷找到了一个方法 莱顿瓶就是一个玻璃瓶 在瓶里和瓶外分别贴有锡箔 瓶里锡箔通过金属链与金属棒连接 棒的上端是一个金属球 法国人诺莱特在一座巴黎大教堂前邀请了法国路易十五的皇室成员临场观看 七百名修道士手拉手排成一行 排头的修道士用手握住莱顿瓶 当莱顿瓶充电后 让排尾的修道士触摸莱顿瓶的引线 顿时 七百名修道士几乎同时跳了起来 在场的人目瞪口呆 从而展示了电的巨大威力 雷电在公元前的中国 打雷被认为是神的行为 说是有五位司雷电的神仙 其长者称为雷祖 雷祖之下是雷公和电母 打雷就是雷公在天上敲大鼓 闪电就是电母用两面镜子把光射向下界 亚里斯多德时代认为雷的发生是由于大地上的水蒸气上升 形成雷雨云 雷雨云遇到冷空气凝缩而变成雷雨 同时伴随出现强光 认为雷是静电而产生的是英国人沃尔 那是1708年的事 1748年 富兰克林基于同样的认识设计了避雷针 富兰克林 1706 1790 美国人 科学家和政治家 天上的电和地电是统一的吗 1752年7月 一个电闪雷鸣的上午 他将一个风筝放到空中 风筝下有一根铁丝 铁丝下栓一根麻绳 麻绳的下一端拴丝线 绳线接触处栓了一把钥匙 同时他还把从云端 吸取 的电荷收集在莱顿瓶中 并进行其它实验 现象 麻绳上得纤维向四周自立 犹如 怒发冲冠 铜钥匙可以给莱顿瓶充电 与摩擦电性质完全相同 小插曲 为了验证 地电 与 天电 的相同处 富兰克林想到雷可以击死动物 于是他就实验用 地电 去击杀火鸡 结果被电打昏了 苏醒后 却不介意地说 我本想用电杀死一只火鸡 结果差点电死了一个傻瓜 然而 风险是的确存在的 1753年 俄国的利赫曼在做大气放电实验时不幸中电身亡 为科学献身 富兰克林的工作 揭开了雷电的奥秘 统一了 天电 和 地电 震惊了科学界 富兰克林还将其发现转化为应用 避雷针诞生了 从定性到定量 库仑定律的发现 1 库仑生平 1736 1806 法国人 1779年因研究磁石问题获奖励 1781年因关于摩擦的研究获法国科学院奖励 同年因论述扭力的论文被选为法国科学院院士 2 同种电荷的斥力测量 库仑的扭秤实验由于金属丝的扭力正比于扭转角 将扭丝悬挂起来 通过扭转角的大小即可测量电荷间作用力的大小 其精度可达万分之一格令 1785年库仑据此制成电秤 用以测定电力 叫作库仑扭秤 但对于异种电荷 由于两球相吸 接触后电荷中和 无法继续进行实验 3 异种电荷的引力测量 库仑电摆实验和单摆类比 由于地球对物体的作用力反比于两者之间距离的平方 所以地面上的单摆的摆动周期正比于摆锤离地心的距离 若电荷间的引力也遵循距离平方的反比关系 则由带电体间引力产生的物体的摆动 其摆动周期T必定也正比于两带电体之间的距离r 从而设计电摆实验 库仑通过对实验结果的分析与处理 得出电的引力和斥力都遵守平方反比规律 并于1785年在法国科学院发表论文 提出著名的库仑定律 库仑定律的建立使电磁学进入了定量的研究 使电磁学真正成为一门科学 类比的研究方法 如果不是与万有引力进行类比 单靠实验具体数据的积累 严格的库仑定律的形式将很难得到 由此我们可以看到类比在科学研究中的作用 二 由静电到 动电 电流 贾法尼 1737 1798 的研究 意大利人 解剖学教授 1780年他与学生解剖青蛙 发现电火花会使蛙腿抽搐 后来他又发现当用铜钩倒挂蛙腿 再用铁梁横挑 蛙腿也会痉挛 1791年发表了论文 论肌肉运动中的电力 他是发现电流的第一人 但认为是一种动物电 意大利帕维大学教授伏达 否定了伽伐尼动物说 他认为 电来自两种不同金属的接触 青蛙只不过是起了验电器的作用 意大利帕维亚大学教授伏达 1745 1827 发明了第一个直流电源伏达电池 电压的单位 伏特 就是以他的名字命名的 电池的发明 提供了产生恒定电流的电源 使电学从静电走向动电 为人们研究电流的各种效应提供了条件 从此电学进入了飞速发展时期 贾法尼和伏达是朋友 贾法尼相当坚持自己的看法 伏达的反对意见触使贾法尼更进一步的研究 这一次他乾脆不用任何金属做导体 剥出一条青蛙腿的神经 一端缚在另一条腿的肌肉上 另一端和脊髓相接 结果腿仍然会有抽搐现象 证明了表现在青蛙腿上的电刺激 可以仅仅来自动物本身 这就是所谓的贾法尼电池 贾法尼电流 贾法尼创造出动物电 导致电生理学的建立 欧姆定律欧姆 1787 1854 德国人 在傅立叶的热传导理论的启发下进行的电学研究 他将付里叶在热学中提出的热流 热阻 类比电学中的电流 电阻 温度差类比电势差 认为导线中两点之间的电流也许正比于这两点间的某种推动力之差 欧姆称之为电张力 通过实验验证 在1826年发现了欧姆定律 使与电流相关的物理量可以测定和推出 人们为纪念他 将电阻的单位定为 欧姆 三 电生磁自吉尔伯特开始以来的二百多年 电和磁一直是毫无关系的两门学科 围绕电与磁寻找自然现象之间的联系 成为一种潮流 1820年 奥斯特发现了电流的磁效应 继泰勒斯2400年之后 建立了电与磁的联系 顿牟缀芥 磁石引针 说明电现象和磁现象的相似性 电力与磁力都遵守平方反比定律 说明它们有类似的规律 但电与磁有没有联系呢 17世纪初 吉尔伯特断言 他们之间没有因果关系 库仑也持相同观点 1731年一名英国商人的一箱新刀在闪电过后带上了磁性 1751年 富兰克林发现缝纫针经过莱顿瓶放电后磁化了 1774年 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 奥斯特 HansChristianOersted 1777 1851年 丹麦物理学家 化学家 经过大量实验 1820年奥斯特发现通电导线周围小磁针发生偏转 于1820年7月21日在法国杂志 化学与物理学年鉴 上发表了他的研究成果 电流的磁效应的发现 在当时的科学界中 引起极大的震惊和重视 奥斯特的这一伟大发现 被作为划时代的一页载入了史册 为了纪念他 从1934年起 磁场强度单位命名为奥斯特 奥斯特的发现和牛顿力学的基本原理是相互矛盾的 在牛顿力学中 自然界的力只能是作用于物体连线上的吸引或排斥力 即直接推拉性质的 中心力 而奥斯特发现的却是一种 旋转力 他称之为 螺旋线 实际上就是关于磁的横向效应或电流所引起的涡流磁场的直观描述 是 场 的思想的开端 奥斯特第一个揭示出了电与磁之间的内在联系 为电流计 电报和电机的发明制造开辟了道路 并为电磁场理论的发展奠定了基础 毕奥 萨伐尔定律 电生磁的量化 电流激发磁场的基本规律是电流元激发磁场的规律 叫做毕奥 萨伐尔定律 它是法国科学家毕奥 1774 1862 和萨伐尔 1791 1874 在研究长直导线中电流的磁场对磁极作用力的基础上提出的 电流元在给定点所产生的磁感应强度的大小与成正比 与到电流元的距离平方成反比 与电流元和矢径夹角的正弦成正比 安德烈 玛丽 安培 1775年 1836年 法国物理学家 在电磁作用方面的研究成就卓著 对数学和化学也有贡献 电流的国际单位安培即以其姓氏命名 1820年奥斯特发表了关于电流磁效应的报告 这引起了法国学术界的震动 安培听了奥斯特的实验细节的报告后 第二天就重复了奥斯特的实验 并且发现了电流的方向和它的磁场的方向有着一定的规律 可以用右手来表示它们之间的关系 这就是安培定则或右手螺旋定则 安培进一步想 既然电流周围产生了磁作用 假如把两根通电导线放在一起 那么这两股电流各自产生的磁场也会相互施加作用力 安培设计了这样的实验 证实了它们之间存在着相互作用 并且推算出了这种力所遵循的数学公式 于是一条完整的定律便诞生了 这就是安培定律 安培最主要的成就是 发现了安培定则提出了磁针转动方向和电流方向的关系及从右手定则的报告 以后这个定则被命名为安培定则 发现电流的相互作用规律接着他又提出了电流方向相同的两条平行载流导线互相吸引 电流方向相反的两条平行载流导线互相排斥 对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论 发明了电流计安培还发现 电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性和磁铁相似 创制出第一个螺线管 在这个基础上发明了探测和量度电流的电流计 提出分子电流假说他提出了著名的分子电流假说 安培认为构成磁体的分子内部存在一种环形电流 分子电流 总结了电流元之间的作用规律 安培定律安培运用高度的数学技巧总结出电流元之间作用力的定律 描述两电流元之间的相互作用同两电流元的大小 间距以及相对取向之间的关系 后来人们把这定律称为安培定律 安培第一个把研究动电的理论称为 电动力学 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 他在数学和化学方面也有不少贡献 他曾研究过概率论和积分偏微方程 他几乎与H 戴维同时认识元素氯和碘 导出过阿伏伽德罗定律 论证过恒温下体积和压强之间的关系 还试图寻找各种元素的分类和排列顺序关系 四 磁生电运动电荷 电流 周围存在磁场 而电和磁又是有相互联系的 那么磁场是否可以产生电场呢 在法拉第工作的前后 还有不少物理学家热衷于该问题 电磁感应 的研究 瑞士物理学家科拉顿在1825年曾用一块磁铁在螺线管中移动 观察线圈中是否有感生电流产生 为了排除磁铁对灵敏电流计的影响 他把很长的导线把连接于螺线管的电流计放在另一个房间 他在两个房间跑来跑去进行实验和观察 因此未能观察到磁电感应现象 他同样没想到效应的暂态性 1830年 美国物理学家亨利曾先于法拉第发现电磁感应现象 但他没有立即发表实验结果 1832年 俄国物理学家楞次受法拉第启发 开始做这方面的研究 并发现了感应电流方向的规律 戴维 1778 1827 戴维先后在电化学 建立酸的氢学说 发现碘元素 发明矿用安全灯 创制电弧灯等方面作出贡献 1303年他被选为英国皇家学会会员 1807年出任皇家学会秘书 1820年被选为皇家学会会长 发现与培养法拉第的 伯乐 迈克尔 法拉第 1791 1867 十九世纪最伟大的实验物理学家之一 同时又是杰出的化学家和自然哲学家 他在电磁学研究方面的卓越贡献如同伽利略 牛顿在力学方面的贡献一样 具有划时代的意义 1815年后在皇家学院工作 长达50余年 他的工作异常勤奋 研究领域十分广泛 1818 1823年研制合金钢期间 首创金相分析方法 1823年从事气体液化工作 标志着人类系统进行气体液化工作的开始 采用低温加压方法 液化了氯化氢 硫化氢 二氧化硫 氢等 1824年起研制光学玻璃 这次研究导致在1845年利用自己研制出的一种重玻璃 硅酸硼铅 发现磁致旋光效应 1825年在把鲸油和鳝油制成的燃气分馏中发现苯 最杰出的工作是电磁感应的发现和场的概念的提出 电磁感应的发现 通过奥斯特实验 法拉第认为电与磁是一对和谐的对称现象 既然电能生磁 他坚信磁亦能生电 经过10年探索 历经多次失败后 1831年8月26日终于获得成功 这次实验因为是用伏打电池在给一组线圈通电 或断电 的瞬间 在另一组线圈获得的感生电流 他称之为 伏打电感应 同年10月17日完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验 他称之为 磁电感应 经过大量实验后 他终于实现了 磁生电 的夙愿 宣告了电气时代的到来 作为19世纪伟大实验物理学家的法拉第 他并不满足于现象的发现 还力求探索现象后面隐藏着的本质 他既十分重视实验研究 又格外重视理论思维的作用 法拉第已经孕育着电磁波的存在以及光是一种电磁振动的杰出思想 尽管还带有一定的模糊性 为解释电磁感应现象 他提出 电致紧张态 与 磁力线 等新概念 同时对当时盛行的超距作用说产生了强烈的怀疑 法拉第认为 电和磁作用通过中间介质 从一个物体传到另一个物体的思想 于是 介质成了 场 的场所 场这个概念正是来源于法拉第 正如爱因斯坦所说 引入场的概念 是法拉第的最富有独创性的思想 是牛顿以来最重要的发现 牛顿及其他学者的空间 被视作物体与电荷的容器 而法拉第的空间 是现象的容器 它参与了现象 所以说法拉第是电磁场学说的创始人 他的深邃的物理思想 强烈地吸引了年轻的麦克斯韦 麦克斯韦认为 法拉第的电磁场理论比当时流行的超距作用电动力学更为合理 他正是抱着用严格的数学语言来表述法拉第理论的决心闯入电磁学领域的 法拉第名言 希望你们年青的一代 也能象蜡烛为人照明那样 有一分热 发一分光 忠诚而脚踏实地地为人类伟大的事业贡献自己的力量 科学家不应是个人的崇拜者 而应当是事物的崇拜者 真理的探求应是他唯一的目标 只有无知 没有不满 法拉第一生致力于科学研究事业 不恋钱财 不图虚荣 为科学事业贡献了毕生精力 1867年8月25日 这位对科学作出巨大贡献的老人坐在他的椅子上安安静静地去世了 他被安葬在海洛特公墓 遵照他的遗嘱 他的墓碑上只刻下三行字 迈克尔 法拉第生于1791年9月22日殁于1867年8月25日 1832年 法国人毕克西发明了手摇式直流发电机 1866年 德国的西门子发明了自励式直流发电机 1869年 比利时的格拉姆制成了环形电枢 发明了环形电枢发电机 这种发电机是用水力来转动发电机转子的 1882年 美国的戈登制造出了输出功率447KW 高3米 重22吨的两相式巨型发电机 1896年 特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运 3750KW 5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市 1889年 西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂 1892年成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德 1834年 俄罗斯的雅可比试制出了由电磁铁构成的直流电动机 1838年 这种电动机开动了一艘船 电动机电源用了320个电池 1836年 美国的文波特和英国的戴比德逊也造出了直流电动机 用作印刷机的动力设备 由于这些电动机都以电池作为电源 所以未能广泛普及 1887年 特斯拉两相电动机作为实用化感应电动机的发展计划开始启动 1897年 西屋公司制成了感应电动机 设立专业公司致力于电动机的普及 亨利与自感 亨利 美国物理学家 1832年亨利在论文 在长螺线管中的电自感 中公布了自己的一个新发现 一只线圈的电流不仅能在另一只线圈中感生出电流 而且也能在自身中感生出电流 在这个线圈中实际观测到的电流则为原电流的许多倍 这种现象叫自感 楞次与楞次定律1833年 楞次在圣彼得堡科学院宣读了他的题为 关于用电动力学方法决定感生电流方向 的论文 提出了楞次定律 一条由电磁感应得出感应电动势方向的电磁学定律 亥姆霍兹证明楞次定律是电磁现象的能量守恒定律 五 麦克斯韦方程组19世纪中期 描述电场 磁场的性质以及电 磁场相互关系的库仑定律 高斯定理 安培定律 法拉第电磁感应定律已相继建立 法拉第关于力线和场的概念已经提出 创立电磁场理论的条件已趋成熟 麦克斯韦洞悉已有的电磁场理论 发现内部的不对称性和矛盾 大胆提出 位移电流 和 涡旋电场 假说 并用一组方程概括了原有的各个电磁学定律 对电磁场理论进行了一次大综合 实现了科学认识的革命性变革 卡文迪许 HenryCavendish 1731 1810年 英国化学家 物理学家 发现一对电荷间的作用力跟它们之间的距离平方成反比 这就是后来库仑导出的库仑定律内容的一部分 他提出每个带电体的周围有 电气 与电场理论很接近 卡文迪许演示了电容器的电容与插入平板中的物质有关 电势的概念也是卡文迪许首先提出的 这对静电理论的发展起了重要作用 他还提出了导体上的电势与通过电流成正比的关系 卡文迪许在热学理论 计温学 气象学 大地磁学等方面都有研究 1798年他完成最后的实验时 已年近七十 在物理学上他最主要的成就是通过扭秤实验验证了牛顿的万有引力定律 确定了引力常数和地球平均密度 卡文迪许验证万有引力定律的实验采用自己设计的 扭秤 为工具 后人称为著名的 卡文迪许实验 人们为纪念这位大科学家 特意为他树立了纪念碑 卡文迪许一生勤俭 逝世后留下了大笔遗产 其中一部分由它的家族在1871年捐赠给剑桥大学创办卡文迪许实验室 这个实验室曾经对物理科学的进步作出了巨大的贡献 先后培养出26名诺贝尔奖获得者 人物简介詹姆斯 克拉克 麦克斯韦 JamesClerkMaxwell1831 1879 是19世纪伟大的英国物理学家 数