电磁场与电磁波-麦克斯韦与法拉第的贡献

1、电子1101班 晋泽平 宝艳青他们就像伽利略和牛顿一样，相辅相成。他们就像伽利略和牛顿一样，相辅相成。 爱因斯坦爱因斯坦 人类在两千多年前便已经认识到了磁现象和电现象，然而从人们开始认识到电与磁，到把他们联系起来，直至最后形成电磁学，却是一个复杂而曲折的过程。在这过程中，有两个不得不提的人，他们就是法拉第和麦克斯韦。1791年9月22日法拉第出生在萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭。因家庭贫困仅上过几年小学，13岁时便在一家书店里当学徒。书店的工作使他有机会读到许多科学书籍，也因此对科学产生了浓厚的兴趣。在哥哥的资助下，他有幸参加了学者塔特姆领导的青年科学组织伦敦城哲学会。法拉第的好学精神感动了一位

2、书店的老主顾，在他的帮助下，法拉第有幸聆听了著名化学家戴维的演讲。他把演讲内容全部记录下来并整理清楚，回去和朋友们认真讨论研究。他还把整理好的演讲记录送给戴维，并且附信，表明自己愿意献身科学事业。结果他如愿以偿。22岁上做了戴维的实验助手。从此，法拉第开始了他的科学生涯。戴维虽然在科学上有许多了不起的贡献，但他说，我对科学最大的贡献是发现了法拉第。1820年，奥斯特发现电流的磁效应，受到科学界的关注，1821年，英国哲学年鉴的主编约请戴维撰写一篇文章，评述自奥斯特的发现以来电磁学实验的理论发展概况。戴维把这一工作交给了法拉第。法拉第在收集资料的过程中，对电磁现象产生了极大的热情，并开始转向电磁

3、学的研究。他仔细地分析了电流的磁效应等现象，认为既然电能够产生磁，反过来，磁也应该能产生电。于是，他企图从静止的磁力对导线或线圈的作用中产生电流，但是努力失败了。经过近10年的不断实验，到1831年法拉第终于发现，一个通电线圈的磁力虽然不能在另一个线圈中引起电流，但是当通电线圈的电流刚接通或中断的时候，另一个线圈中的电流计指针有微小偏转。法拉第心明眼亮，经过反复实验，都证实了当磁作用力发生变化时，另一个线圈中就有电流产生。他又设计了各种各样实验，比如两个线圈发生相对运动，磁作用力的变化同样也能产生电流。这样，法拉第终于用实验揭开了电磁感应定律。法拉第的这个发现扫清了探索电磁本质道路上的拦路虎，

4、开通了在电池之外大量产生电流的新道路。根据这个实验，1831年10月28日法拉第发明了圆盘发动机，这是法拉第第二项重大的电发明。这个圆盘发电机，结构虽然简单，但它却是人类创造出的第一个发电机。现代世界上产生电力的发电机就是从它开始的。 1854年，麦克斯韦刚从剑桥毕业不过几星期。他读到了法拉第的电学实验研究，立即被书中新颖的实验和见解吸引住了。在当时人们对法拉第的观点和理论看法不一，有不少非议。作为实验大师，法拉第有许多过人的地方，唯独数学功夫不够，他的创见都是用直观形式表达的，比如他在描述电场时首次提出了力线的概念。但一般的理论物理学家都不承认法拉第的学说。 麦克斯韦特意给汤姆逊写信，向他求

5、教有关电学的知识。汤姆逊比麦克斯韦大7岁，对麦克斯韦从事电学研究给予过极大的帮助。在汤姆逊的指导下，麦克斯韦得到启示，相信法拉第的新论中有着不为人所了解的真理。1855 ，24岁的麦克斯韦麦表论法拉第的力线，这是他第一篇关于电磁学的论文。在论文中，麦克斯韦通过数学方法，把电流周围存在力线这个现象，概括做一个高等数学里的矢量微分方程。 论法拉第的力线这篇论文，虽然基本上是对法拉第力线概念的数学“翻译”，却是十分重要的一步。因为麦克斯韦一开始就使用了数学方法，而且选定了法拉第学说的精髓力线思想，当做自己研究的起点。麦克斯韦到伦敦以后特地拜访法拉第。这是一次难忘的会晤。这两位伟人，他们不但在年龄上相

6、差40岁，法拉第主要是实验探索，麦克斯韦擅长理论概括。可是他们对物质世界的看法却产生了共鸣。 4年以前，法拉第曾经称赞过论法拉第的力线这篇论文，他没有料到论文的作者竟这样年轻。当麦克斯韦征求他对论文的看法的时候，法拉第沉思地说，“但是，你不应该停留在用数学来解释我的观点，你应该突破它！”法拉第的话像一盏明灯，照亮了青年物理学家麦克斯韦前进的道路。在讨论以太模型的时候，麦克斯韦对自己发现的一个重要事实引起了极大的注意。他分析了法拉第对电介质的研究以后，确认在电场变化着的电介质中，也存在电流，他把这称做“位移电流”。另外，他还计算出这种电流的速度。麦克斯韦惊奇地发现：位移电流的速度恰好等于光速！这

7、意味着他计算出了电磁波的传播速度同光速是相等的，这是个非常了不起的发现，正是这个发现，促使麦克斯韦4年以后断定光就是电磁波。 1862年，麦克斯韦在英国哲学杂志第4卷23期上，发表了第二篇电磁学论文论物理学的力线。文章一登出来，立刻引起了广泛的注意。它同1855年的论法拉第的力线相比，有了质的飞跃。论文不再是法拉第观点的单纯数学翻译，而是作了重大的引申和发展。其中具有决定意义的一步，是引进了“位移电流”的概念。从理论上引出位移电流的概念，实在是电磁学上继法拉第电磁感应以后的一项重大突破。根据这个科学假设，麦克斯韦推导出两个高度抽象的微分方程式 （方程式直到1865年才最后完善），这就是著名的麦

8、克斯韦方程式。这组方程式，从两方面发展了法拉第的成就。一是位移电流，它表明不但变化着的磁场产生电场，而且变化着的电场也产生磁场；二是方程式不但完满地解释了电磁感应现象，而且还在理论上进行了总结。1865年，他发表了第三篇电磁学论文电磁场动力学在这篇重要文献中，麦克斯韦方程的形式更完善了。他采用法国数学家、力学家拉格朗日（17361813）和爱尔兰数学家、物理学家哈密顿（18051865）创立的数学方法，由那组方程式直接推导出了电场和磁场的波动方程，电磁波的传播速度根据那个波动方程的系数计算，正好等于光速！这同麦克斯韦4年以前推算的那个比值完全一样。 直到这个时候，电磁波的存在是确定无疑的了！因

9、此他大胆断定，光也是一种电磁波。法拉第当年关于光的电磁理论的朦胧猜想，就这样由麦克斯韦变成了科学的理论。法拉第和麦克斯韦的名字，从此联系在一起，就跟伽利略和牛顿的名字一样，在物理学上永放光彩。1865年，麦克斯韦正式宣布光的电磁学理论以后不久，就辞去皇家学院的工作，回到他的家乡格伦莱庄园系统地总结研究成果，撰写电磁学专著。经过几年苦干，他写的电磁学通论在1873年问世。这是一部电磁理论的经典著作，麦克斯韦系统地总结了19世纪中叶前后，库仑、安培、奥斯特、法拉第和他本人对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论。这部巨著的重大意义，完全可以同牛顿的数学原理（力学）和达尔文的物种起源（生物学）相比较，它也是人类智慧的结晶。电磁理论的宏伟大厦，经过几代人的努力，巍然矗立起来了！麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科