物理学史电磁学的建立

物理学史电磁学的建立第1页，共60页，2023年，2月20日，星期一一电磁现象的早期认识公元前7世纪，古希腊哲学家泰勒斯已经发现用毛织物摩擦过的琥珀能吸引某些轻小物体。Electricity（电）这个字的起源就来自希腊文的“琥珀”(electron)。公元前7世纪，古希腊哲学家泰勒斯已经发现用毛织物摩擦过的琥珀能吸引某些轻小物体。Electricity（电）这个字的起源就来自希腊文的“琥珀”(electron)。第2页，共60页，2023年，2月20日，星期一

首先对电和磁现象进行系统实验研究的是英国的威廉·吉尔伯特（WilliamGilbert，1544—1603）。他认识到电力和磁力是性质不同的两种力。他第一个将琥珀和毛皮摩擦后吸引轻小物体的性质叫做“电”。1600年，吉尔伯特发表了《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》（Demagnete，magneticisquecorporibusetdemagnomagnetetellure，简称《磁石论》）。他总结了前人对磁的研究，周密地讨论了地磁的性质，记载了大量实验，使磁学从经验转变为科学。书中他也记载了电学方面的研究。(一)吉尔伯特与<<磁石论>>第3页，共60页，2023年，2月20日，星期一第一卷介绍了他的磁性“小地球”实验，得出结论：地球本身就是一个巨大的磁体，其两极位于地理的南极和北极附近；第二卷详细地论述了电现象的实验研究与结论，还把电与磁的性质进行了比较；第三卷记载了天然磁石的定向性；第四卷说明了磁偏角与不同地点和高度的关系；第五卷介绍了测定磁倾角的仪器及各地磁倾角的大小；第六卷试图用物体的磁力来解释行星运动，当然，他没有成功。《磁石论》共分六卷。第4页，共60页，2023年，2月20日，星期一（二）莱顿瓶的发明1720年，格雷(S.Gray，1675—1736)研究了电的传导现象，发现导体与绝缘体的区别。随后，他又发现导体的静电感应现象。1734年法国人杜菲（Charles-FrancoisduFay，1696～1739）在实验中发现带电的玻璃和带电的琥珀是相互吸引的，但是两块带电的琥珀或者两块带电的玻璃则是相互排斥的。杜菲根据大量的实验事实断定电有两种：一种是与琥珀带的电性质相同，叫做“琥珀电”；一种是与玻璃带的电性质相同，叫做“玻璃电”。1745年普鲁士（德国的前身）的一位副主教克莱斯特(EwaldGeorgvonKleist，1700-1748)在实验中利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时，受到猛烈的一击，他由此发现了放电现象。第5页，共60页，2023年，2月20日，星期一1746年，荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克（PietervonMusschenbrock,1692～1761）在克莱斯特发现的启发下发明了收集电荷的“莱顿瓶”。

马森布罗克看到好不容易取得的电很容易地在空气中消失，所以想寻找一种保存电的方法。有一天，他用一支枪管悬在空中，用起电机与枪管连着，另用一根铜线从枪管中引出，浸入一个盛有水的玻璃瓶中，他让一个助手一只手握着玻璃瓶，马森布罗克在一旁使劲摇动起电机。这时他的助手不小心将另一只手碰到枪管上，他猛然感到一次强烈的电击，喊了起来。马森布罗克于是与助手互换了一下，让助手摇起电机，他自己一手拿水瓶子，另一只手去碰枪管。

“我想告诉你一个新奇但是可怕的实验事实，但我警告你无论如何也不要再重复这个实验突然，我的手受到了一下力量很大的打击，使我的全身都震动了手臂和身体产生了一种无法形容的恐怖感觉。一句话，我以为我命休矣！”第6页，共60页，2023年，2月20日，星期一

虽然马森布罗克不愿再做这个实验，但他由此得出结论：把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来。只是当时搞不清楚起保存电作用的究竟是瓶子还是瓶子里的水，后来人们就把这个蓄电的瓶子称作“莱顿瓶”，这个实验称为“莱顿瓶实验”。这种“电震”现象的发现，轰动一时，极大的增加了人们对莱顿瓶的关注。第7页，共60页，2023年，2月20日，星期一莱顿瓶的发明，使物理学家们第一次有办法存储大量电荷，并对其性质进行研究。第8页，共60页，2023年，2月20日，星期一法国人诺莱特在巴黎进行的莱顿瓶表演（法国国王路易十五及皇室成员临场观看）第9页，共60页，2023年，2月20日，星期一（三）两种电流质假说的提出与争论1747年，富兰克林提出了单元电液理论。认为带电的两物体是通过电液的迁移，其一具有比正常情况少一些的电液，另一个物体具有了比正常情况多一些的电液。相互接触后，又恢复到都具有正常数量的电液，则两个物体都不显电性。他提出了正电和负电的概念，他认为缺少电液，就是带负电，可以用“—”号表示；带超过正常情况的电液就带正电，用“

+”号表示。正、负电可互相抵消。正、负电的提出，为定量研究电现象提供了基础，使人们第一次可以用数学来表示带电现象，其重要性是显而易见的。

为了解释摩擦起电及电的吸引和排斥现象，法国人杜菲（Charles-FrancoisduFay，1696～1739）认为存在两种流质，可以通过摩擦的形式把它们分开，使两个物体带异种电荷而相互吸引，当它们结合时，又彼此中和。这个假设后来被称为杜菲的“双流说”。第10页，共60页，2023年，2月20日，星期一

富兰克林的理论足以解释当时人们已知的绝大部分静电现象。现在我们知道，所谓的电液是不存在的，比较容易迁移的是带负电的载体——电子，用电液迁移来解释电现象并不科学。尽管这样，正、负电的概念和电荷守恒的观念是至今仍然有效的科学观念，是富兰克林对电学的一大贡献。第11页，共60页，2023年，2月20日，星期一（四）富兰克林及其电荷守恒定律

富兰克林还认为摩擦只能使电液从一个物体转移到另一个物体上，即“电不是摩擦玻璃管而产生的，而只是从摩擦者转移到了玻璃管，摩擦者失去的电与玻璃管获得的电严格相同”。这就告诉人们，在任一绝缘体系中电的总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒原理。

富兰克林所做的另一项重大贡献是统一了天电和地电。当时的欧洲和美国的大多数人认为雷电是“上帝之火”，是天神发怒的结果。为破除这种迷信，富兰克林通过亲自进行大量的实验，证明了雷电的电与摩擦电本质上是一样的。彻底破除了人们对雷电的恐惧、迷信心理。富兰克林据此提出了制造避雷针的设想，使建筑物免遭雷击。第12页，共60页，2023年，2月20日，星期一费城实验

在1752年7月的一个雷雨天富兰克林做了著名的费城实验：风筝上安上一根尖细的铁丝，用来捕捉电，并用麻绳与这铁丝相连，麻绳的末端拴一把铜钥匙，钥匙塞在莱顿瓶中间。第13页，共60页，2023年，2月20日，星期一

富兰克林（BenjaminFranklin，1706—1790年）是18世纪美国的实业家、科学家、社会活动家、思想家和外交家，美国《独立宣言》和美国宪法的起草人之一。

富兰克林出身于相当贫寒的家庭，一生只念过两年书。但他利用业余时间刻苦自学，广泛地接受了多方面的知识，终于成为电学研究的先驱。他曾说过；"你热爱生命吗？那么别浪费时间，因为时间是组成生命的材料。"第14页，共60页，2023年，2月20日，星期一（五）伽伐尼电流的发现1780年，意大利科学家伽伐尼（LuigiGalvani,1737～1798)在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现，一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验，又观察到同样的现象。

他以严谨的科学态度，选择各种不同的金属，例如铜和铁或铜和银，接在一起，而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会发生这样的现象。他认为这是一种生物电现象，并于1791年发表了题为《关于电对肌肉运动的作用》的论文。

第15页，共60页，2023年，2月20日，星期一1791年意大利物理学家亚历山德罗·

伏打(AlessandroVolta，1745～1827)得知伽伐尼的这一发现，引起了他的极大兴趣，作了一系列实验，甚至还在自己身上做实验。他用两种金属接成一根弯杆，一端放在嘴里，另一端和眼睛接触，在接触的瞬间就有光亮的感觉产生。他用舌头舔着一枚金币和一枚银币，然后用导线把硬币连接起来，就在连接的瞬间，舌头有发麻的感觉。这些实验证明：电不仅能够产生颤动，而且还会影响视觉和味觉神经。1793年伏打发表一篇论文，总结了自己的实验，不同意伽伐尼关于动物生电的观点。伏打在伽伐尼实险的基础上，致力研究两种不同金属的接触。他得出了新的结论，认为两金属不仅仅是导体，而且是由它们产生电流的。用伏打自己的话来说：金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为“金属的”或“接触的”电流。他为了尊重伽伐尼的最先发现权，把这种电流称为“伽伐尼电流”。第16页，共60页，2023年，2月20日，星期一

伏打发现当金属浸入某些液体时，也会发生同样的电流效应。伏打开始是用几只碗盛了盐水，把几对黄铜和锌做成的电极连接起来，就有电流产生。1800年3月20日，伏打宣布了一个重要的发现，这就是著名的“伏打电池”（左图）。他用30块、40块、60块或更多的铜片（最好是用银片），每一片都和一块锡片（最好是锌片）接触，并且用相同数目的水层或比纯水更好些的导电液体层，好食盐水或碱水等，或是浸透这些液体的纸壳或皮革……。银片和锌片是两种不同的金属，盐水或其他导电溶液作为电解液，它们构成了电流回路。这是一种比较原始的电池，是由很多银锌电池连接而成的电池组。

伏打（AlessandroVolta,1745～1827）意大利物理学家。1745年2月18日生于科莫。学生时代就会对自然科学有浓厚兴趣。1774～1779年任科莫大学预科物理学教授。1779～1815年任帕多瓦大学哲学系主任。1819年退休后回到故乡科莫。1827年3月5日在该地逝世。（六）伏打电堆的发明第17页，共60页，2023年，2月20日，星期一

伏打证明这个堆的一端带正电，另一端带负电，当时引起极大的轰动。这是第一个能人为产生稳定、持续电流的装置，为电流现象的研究提供了物质基础，也为电流效应的应用打开了前景，并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具，促使电学研究有一个巨大的进展。伏打的成就受到各界普遍赞赏，科学界用他的姓氏命名电势，电势差（电压）的单位，为“伏特”（就是伏打，音译演变的），简称“伏”。第18页，共60页，2023年，2月20日，星期一2电磁学的建立

从18世纪中期开始，对电磁现象的研究进入了定量阶段。电荷间的相互作用规律被发现。1820年，奥斯特发现了电流的磁效应。19世纪20年代，安培发表了“电动力学的观察汇编”和《电动力学理论》等集当时电理论研究之大成的著作。至此电磁学理论基本建立。（一）卡文迪许及其平方反比定律18世纪中叶，牛顿力学已经取得辉煌胜利，人们借助于万有引力的规律，对电力和磁力作了种种猜测。

德国柏林科学院院士爱皮努斯(F.U.T.Aepinus，1724—1802)1759年对电力作了研究。他在书中假设电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减少而增大，于是对静电感应现象作出了更完善的解释。不过，他并没有实际测量电荷间的作用力，因而只是一种猜测。第19页，共60页，2023年，2月20日，星期一1760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。

富兰克林的空罐实验（也叫冰桶实验）对电力规律有重要启示。1755年，他在给兰宁(JohnLining)的信中，提到过这样的实验：

“我把一只品脱银罐放在电支架（即绝缘支架）上，使它带电，用丝线吊着一个直径约为1英寸的木椭球，放进银罐中，直到触及罐的底部，但是，当取出时，却没有发现接触使它带电，象从外部接触的那样。”第20页，共60页，2023年，2月20日，星期一

富兰克林的这封信不久跟其他有关天电和尖端放电等问题的信件，被人们整理公开发表流传甚广，很多人都知道这个空罐实验，不过也和富兰克林一样，不知如何解释这一实验现象。富兰克林有一位英国友人，名叫普利斯特利（JosephPriestley，1733—1804），是化学家，对电学也很有研究。富兰克林写信告诉他这个实验并向他求教。普利斯特利专门重复了这个实验，在1767年的《电学历史和现状及其原始实验》一书中他写道：“难道我们就不可以从这个实验得出结论：电的吸引与万有引力服从同一定律，即距离的平方，因为很容易证明，假如地球是一个球壳，在壳内的物体受到一边的吸引作用，决不会大于另一边的吸引。”

不过，普利斯特利的结论并没有得到科学界的普遍重视，因为他并没有特别明确地进行论证，仍然停留在猜测的阶段，一直拖了18年，才由库仑正式提出。第21页，共60页，2023年，2月20日，星期一

其实早在1773年，卡文迪许比库仑早12年就发现了“库仑定律”。可惜他没有发表他的研究结果。

他在1773年用两个同心金属壳作实验，外球壳由两个半球装置而成，两半球合起来正好形成内球的同心球。卡文迪什这样描述他的装置：“我取一个直径为12.1英寸的球，用一根实心的玻璃棒穿过中心当作轴，并覆盖以封蜡。……然后把这个球封在两个中空的半球中间，半正极接到半球，使半球带电。”

卡文迪什用一根导线将内外球联起来，外球壳带电后，取走导线，打开外球壳，用验电器试验内球是否带电。结果发现验电器没有指示，证明内球没有带电，电荷完全分布在外球上。

卡文迪什将这个实验重复了多次，确定电力服从平方反比定律，指数偏差不超过0.02。卡文迪什这个实验的设计相当巧妙。他用的是当年最原始的电测仪器，却获得了相当可靠而且精确的结果。他成功的关键在于掌握了牛顿万有引力定律这一理论武器，通过数学处理，将直接测量变为间接测量，从而得到了电力的平方反比定律。第22页，共60页，2023年，2月20日，星期一（二）库仑定律的建立

库仑（Charlse-AugustindeCoulomb1736～1806年）是法国工程师和物理学家。青少年时期，库仑受过良好的教育。离开学校后，库仑当过军事工程队的工程师，对材料的性质、物体上应力和应变的计算十分在行。1781年库仑研究了摩擦定律，研究了丝线和金属丝的扭转，确立了弹性扭转的定律。根据这些成果，1784年库仑制成了测量力的仪器--扭秤。1785年，他借助扭秤在实验上确立了静电学基本定律即库仑定律。同年，他在给法国科学院的《电力定律》的论文中详细地介绍了他的实验装置，测试经过和实验结果。第23页，共60页，2023年，2月20日，星期一库仑扭秤第24页，共60页，2023年，2月20日，星期一（三）奥斯特的发现

奥斯特丹麦物理学家奥斯特(HansChristianOersted，1777—1851)1777年8月14日生于丹麦朗格兰德岛一个药剂师家庭．12岁开始帮助父亲在药房里干活，同时坚持学习化学．由于刻苦攻读，17岁以优异的成绩考取了哥本哈根大学的免费生．他一边当家庭教师，一边在学校学习药物学、天文、数学、物理、化学等．1806年任哥本哈根大学物理学教授，1821年被选为英国皇家学会会员，1823年被选为法国科学院院士，后来任丹麦皇家科学协会会长．第25页，共60页，2023年，2月20日，星期一

电和磁有没有联系？这是先人经常思索的问题。17世纪初，吉尔伯特就断言，它们之间没有因果关系，库仑也持同样观点。然而实际事例不断吸引人们注意。例如：1731年有一名英国商人诉述，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，缝纫针磁化了。

电真的会产生磁吗？这个疑问促使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？”许多人纷纷作实验进行研究，但是，在伏打发明电堆以前，这类实验很难成功，因为没有产生稳恒电流的条件。不过，即使有了伏打电堆，也不一定能立即找到电和磁的联系。1819年冬，奥斯特在哥本哈根开设了一个讲座，讲授电磁学方面的课题。在备课中，奥斯特分析了前人在电流方向上寻找磁效应都未成功的事实，想到磁效应可能像电流通过导线产生热和光那样是向四周散射的，即是一种横向力，而不是纵向的。第26页，共60页，2023年，2月20日，星期一1820年春，奥斯特安排了一个这方面的实验，他采用讲演时常用的电池槽，让电流通过一根很细的铂丝，把一个带玻璃罩的指南针放在铂丝下面，实验没有取得明显的效果．1820年4月的一天晚上，奥斯特在讲课中突然出现了一个想法，讲课快结束时，他说：让我把导线与磁针平行放置来试试看．当他接通电源时，他发现小磁针微微动了一下．这一现象使奥斯特又惊又喜，他紧紧抓住这一现象，连续进行了3个月的实验研究，终于在1820年7月21日发表了题为《关于磁针上的电流碰撞的实验》的论文。

奥斯特从实验总结出：电流的作用仅存在于载流导线的周围；沿着螺纹方向垂直于导线；电流对磁针的作用可以穿过各种不同的介质；作用的强弱决定于介质，也决定于导线到磁针的距离和电流的强弱；铜和其他一些材料做的针不受电流作用；通电的环形导体相当于一个磁针，具有两个磁极，等等。第27页，共60页，2023年，2月20日，星期一奥斯特奥斯特实验第28页，共60页，2023年，2月20日，星期一

奥斯特发现的电流磁效应，是科学史上的重大发现．它立即引起了那些懂得它的重要性和价值的人们的注意。在这一重大发现之后，一系列的新发现接连出现。第29页，共60页，2023年，2月20日，星期一（四）安陪定律的建立

奥斯特发现电流磁效应的消息传到德国和瑞士后，正在日内瓦的法国科学家阿拉果（Arago）闻讯赶回巴黎，向法国科学院报告并演示了奥斯特的实验，引起法国科学界的极大兴趣。毕奥（J.B.Biot，1774—1862）和萨伐（FelixSavart，1791—1841）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(Ampére，André-Marie，1775—1836)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，为了定量研究电流之间的相互作用，他设计了四个极其精巧的实验，并在这些实验的基础上进行数学推导，得到普遍的电动力公式，为电动力学奠定了基础。这四个实验用的都是示零法，得到了精确可靠的结果。第30页，共60页，2023年，2月20日，星期一

安培(Ampére，André-Marie，1775—1836)是法国物理学家、数学家．1775年1月22日生于里昂一个商人家庭．父亲为他安排了按照自己的意愿来学习的环境．他自幼聪明好学，具有惊人的记忆力，尤其是在数学方面有非凡的天赋．12岁学习了微积分，13岁发表关于螺旋线的论文．18岁时，除了拉丁语，还通晓意大利语和希腊语．1805年定居巴黎，担任法兰西学院的物理教授，1814年参加了法国科学会，1818年担任巴黎大学总督学，1827年被选为英国皇家学会会员。他还是柏林科学院和斯德哥尔摩科学院院士。第31页，共60页，2023年，2月20日，星期一

第一个实验证明电流反向，作用力也反向。安培用一无定向秤检验对折的通电导线有无磁力作用。所谓无定向秤，实际上是两个方向相反的通电线圈，悬吊在水银槽下。如果两个线圈受力不均衡，就会发生偏转。实验结果是：当对折导线通电时，无定向秤丝毫不动，证明强度相等、方向相反的两个靠得很近的电流对另一电流产生的吸力和斥力在绝对值上是相等的。

第二个实验证明磁作用的方向性。安培仍用无定向秤，将对折导线中的一根绕成螺旋状，，结果也是没有作用，说明弯曲的电流和直线的电流是等效的，因此可以把弯曲电流看成是许多小段电流（即电流元）组成，它的作用就是各小段电流的矢量和。第32页，共60页，2023年，2月20日，星期一

第三个实验研究作用力的方向。安培把圆弧形导体架在水银槽上，经水银槽通电。改变通电回路或用各种通电线圈对它作用，圆弧导体都不动，说明作用力一定垂直于载流导体。

第四个实验检验作用力与电流及距离的关系。安培用三个相似的线圈，，其半径之比分别等于其距离之比。通电后，中间的线圈丝毫不动，说明第一个线圈和第三个线圈对第二个线圈的作用相互抵消。由此得出结论：载流导线的长度与作用距离增加相同倍数时，作用不变。安培研究电流相互作用的仪器第33页，共60页，2023年，2月20日，星期一

在上述实验的基础上，安培于1820年12月4日推出了反映电流间的相互作用的公式，即两个电流元之间的作用力跟它们之间距离的平方成反比，这就是著名的安培定律。安培最初发表的公式如下：安培定律目前的表达式为：第34页，共60页，2023年，2月20日，星期一

安培还进一步探索了磁的本质，于1821年1月提出了分子电流假说，认为每个分子形成的圆形电流就相当于一根小磁针。安培把磁和电流联系起来，从本质上认识了磁和电的统一。

1827年，安培在其发表的《电动力学理论》总结了已知的电磁现象，得到了磁场的安培环路定理等。安培把牛顿力学引入电学，创立了电动力学，被麦克斯韦誉为“电学中的牛顿”。

安培定律的公式从形式上看，与牛顿的万有引力定律非常相似。安培正是遵循牛顿的路线，仿照力学的理论体系，创建了电动力学。他认定电流元之间的相互作用力是电磁现象的核心，电流元相当于力学中的质点，它们之间存在超距作用，就象万有引力一样。第35页，共60页，2023年，2月20日，星期一（五）欧姆定律的建立欧姆研究电路的实验装置

欧姆(GeorgSimonOhm，1789—1845)1789年3月16日出生在南德意志巴伐利亚的爱尔朗根。他在1805年考入爱尔朗根大学，但他只读了三个学期就被父亲送到了瑞士农村。欧姆的父亲认为农村的清新空气和纯朴的社会关系，将会更有利于欧姆潜心学习。在这以后的岁月里，欧姆一边自学，一边担任中学教师和家庭教师。1811年，欧姆再度进入爱尔朗根大学，并于同年月10月获得了博士学位。

在安培专注于电流磁效应的研究时，德国的欧姆就开始了对导线中电流规律的研究工作。第36页，共60页，2023年，2月20日，星期一他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，即现在所称的电动势。

开始他用伏打电堆作电源，但是因为电流不稳定，效果不好。后来他接受别人的建议改用温差电池作电源，从而保证了电流的稳定性。但是如何测量电流的大小，这在当时还是一个没有解决的难题。他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤结合起来，巧妙地设计了一个电流扭秤。实验中他用粗细相同、长度不同的八根铜导线进行了测量，得出了如下的等式：

X＝a／(b＋x)式中X为磁效应强度，即电流的大小；a是与激发力(即温度差)有关的常数，即电动势；x表示导线的长度，b是与电路其余部分的电阻有关的常数，b＋x实际上表示电路的总电阻。这个结果于1826年发表。第37页，共60页，2023年，2月20日，星期一1827年欧姆又在《动电电路的数学研究》一书中，把他的实验规律总结成如下公式：

Ｓ＝γE式中S表示电流；E表示电动力，即导线两端的电势差，γ为导线对电流的传导率，其倒数即为电阻。

欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视，经济极其困难，使欧姆精神抑郁。直到1841年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利奖章，才引起德国科学界的重视。

欧姆在自己的许多著作里还证明了：电阻与导体的长度成正比，与导体的横截面积和传导性成反比；在稳定电流的情况下，电荷不仅在导体的表面上，而且在导体的整个截面上运动。第38页，共60页，2023年，2月20日，星期一三.电磁感应现象的发现与研究

电磁感应现象的发现是电磁学发展史中又一重大的里程碑。对电磁感应现象的研究使人们对电与磁的关系有了更深刻的认识，使电磁学理论更趋于完善。（一）法拉第电磁感应现象的发现1820年奥斯特发现电流的磁效应之后，英国物理学家法拉第于1821年提出“由磁产生电的大胆设想，并开始了艰苦的探索。1821年9月他发现通电的导线能绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型。接着经过无数次实验的失败，终于在1831年发现了电磁感应定律。这一划时代的伟大发现，使人类掌握了电磁运动相互转变以及机械能和电能相互转变的方法，成为现代发电机、电动机、变压器技术的基础。第39页，共60页，2023年，2月20日，星期一法拉第(MichaelFaraday1791--1867)是英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家。1791年9月22日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。由于他爱好科学研究，专心致志，受到英国化学家戴维的赏识，1813年3月由戴维举荐到皇家研究所任实验室助手。

任实验室助手是法拉第一生的转折点，从此他踏上了献身科学研究的道路。同年10月戴维到欧洲大陆作科学考察，讲学，法拉第作为他的秘书、助手随同前往。1815年5月回到皇家研究所在戴维指导下进行化学研究。1824年1月当选皇家学会会员，1825年2月任皇家研究所实验室主任，1833----1862任皇家研究所化学教授。1846年荣获伦福德奖章和皇家勋章。1867年8月25日逝世。第40页，共60页，2023年，2月20日，星期一

法拉第对各项试验作了总结，向英国皇家学会报告说：产生感应电流的情况可以分为五类：

1．变化中的电流；

2．变化中的磁场；

3．运动的稳恒电流；

4．运动中的磁铁；

5．在磁场中运动的导体。

法拉第对电磁学的贡献不仅是发现了电磁感应，他还发现了光磁效应（也叫法拉第效应）、电解定律和物质的抗磁性。他在大量实验的基础上创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。第41页，共60页，2023年，2月20日，星期一(二)亨利及自感现象的发现1829年，美国物理学家亨利改进电磁铁，他用绝缘导线密绕在铁芯上，制成了能提起近一吨重物的强电磁铁。同年，亨利在用实验证明不同长度的导线对电磁铁的提举力的影响时，发现了电流的自感现象：断开通有电流的长导线可以产生明亮的火花。1832年，他在发表的论文中宣布发现了自感现象。1835年1月，亨利向美国哲学会介绍了他的研究结果，他用14个实验定性地确定了各种形状导体的电感的相对大小。他还发现了变压器工作的基本定律。亨利（JosephHenry，1797.12.17—1878.5.13）

1797年12月17日生于美国纽约州奥尔贝尼市。1822年毕业于奥尔贝尼学院，1826年被聘为奥尔贝尼学院物理学教授。1867年任美国科学院第一任院长。1878年5月13日亨利在华盛顿去世。第42页，共60页，2023年，2月20日，星期一1830年8月，亨利在实验中已经观察到了电磁感应现象，这比法拉第发现电磁感应现象早一年。但是当时亨利正在集中精力制作更大的电磁铁，没有及时发表这一实验成果，失去了发明权。第43页，共60页，2023年，2月20日，星期一

法拉第只是定性地用文字表述了电磁感应现象。1833年楞茨（Lenz）进一步发现楞茨定律，说明感应电流的方向。1845年才由纽曼（F.E.Neumann，1798—1895）以定律的形式提出电磁感应的定量规律。

楞次（HeinrichFriedrichEmilLenz）是俄国物理学家和地球物理学家，生于爱沙尼亚的多尔帕特（今爱沙尼亚共和国的塔尔图），16岁以优异成绩考入家乡的多尔帕特大学。早年曾参加地球物理观测活动，发现并正确解释了大西洋、太平洋、印度洋海水含盐量不同的现象。1828年被挑选为俄国圣彼得堡科学院的初级科学助理，1830年被选为圣彼得堡科学院通讯院士，1834年选为院士。1845年倡导组织了俄国地球物理学会。1836年至1865年任圣彼得堡大学教授，兼任海军和师范等院校物理学教授。1865年寒假，楞次在意大利罗马中风去世。（三）楞次定律的发现第44页，共60页，2023年，2月20日，星期一

楞次主要从事电学的研究。1832年当他知道了法拉第研究“磁生电”取得了成功，很受鼓舞，也开始进行一系列电磁实验。1833年楞次把他的工作总结在《论动电感应引起的电流的方向》一文中，指出感应电流的方向是这样确定的：它所产生的磁场方向与引起感应的原磁场的变化方向相反。这对充实、完善电磁感应规律是一大贡献。后被称为楞次定律，这一定律表明，电磁感应现象也是尊从能量守恒定律的。第45页，共60页，2023年，2月20日，星期一（四）法拉第的“力线”思想

法拉第从广泛的实验研究中构想出描绘电磁作用的“力线”图象。他认为电荷和磁极周围的空间充满了力线，靠力线（包括电力线和磁力线）将电荷（或磁极）联系在一起。力线就象是从电荷（或磁极）发出、又落到电荷（或磁极）的一根根皮筋一样，具有在长度方向力图收缩，在侧向力图扩张的趋势。他以丰富的想象力阐述电磁作用的本质。1851年他在论文《论磁力线》中指出：“无论导线事垂直还是倾斜地切过磁力线，也无论它是沿着某一方向或沿着另一方向，这根导线都能把它所切割过的力线中的力汇集在一起”，因此“形成电流的力应该正比于切割磁力线的数量”。第46页，共60页，2023年，2月20日，星期一

法拉第是电磁场理论的奠基人，他首先提出了磁力线、电力线的概念，在电磁感应、电化学、静电感应的研究中进一步深化和发展了力线思想，并第一次提出场的思想，建立了电场法、磁场的概念，否定了超距作用观点。爱因斯坦曾指出，场的思想是法拉第最富有创造性的思想，是自牛顿以来最重要的发现。麦克斯韦正是继承和发展了法拉第的场的思想，为之找到了完美的数学表示形式从而建立了电磁场理论。

法拉第研究了电介质对电力作用的影响，认识到这一影响表明电力不可能是超距作用，而是通过电介质状态的变化；即使没有电介质，空间也会产生某种变化，布满了力线。后来，法拉第又进一步研究了磁介质，解释了顺磁性和反磁性。电磁感应现象则解释为磁铁周围存在某种“电应力状态”（electrotonicstate），当导线在其附近运动时，受到应力作用而有电荷作定向运动；回路中产生电动势则是由于穿过回路的磁力线数目发生了变化。第47页，共60页，2023年，2月20日，星期一（五）法拉第及其《电学实验研究》

法拉第一生作出了很多的科学贡献，发表了大量实验方面的论文，后来这些论文汇集在三卷本的名为《电学实验研究》的巨著中。这部由三千多节组成的巨著真实而详细地记录了他一生中成功的和失败的16041个实验，凝聚了他的实验研究成果和对物理学的深刻见解，对以后的几代物理学家甚至对现代物理学家都有深刻的教益。1867年，就在法拉第逝世的那一年，一位名叫爱迪生(T.A.Edison,1847-1931)的美国青年在波士顿街头的一个旧书摊上买到几本残缺不全的法拉第著作，其中就有《电学实验研究》。爱迪生后来说：“这一笔小钱花得很值，是自己一生中收益最大的投资。”法拉第《电学实验研究》对爱迪生一生的发明创造富有启迪。第48页，共60页，2023年，2月20日，星期一

麦克斯韦(JamesClerkMaxwell，1831－1879)，英国物理学家，经典电磁理论的奠基人．1831年8月31日出生于爱丁堡。自幼聪颖，15岁就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文，已显露出出众的才华。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理。1850年转入剑桥大学三一学院数学系学习，1854年以第二名的成绩获史密斯奖学金，毕业留校任职两年。

1856年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授。1860年到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授。1861年选为伦敦皇家学会会员。1865年春辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著《论电和磁》并于1873年出版，1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪什实验物理学教授，负责筹建著名的卡文迪什实验室，1874年建成后担任这个实验室的第一任主任。

1879年11月5日麦克斯韦因患癌症在剑桥逝世，终年仅48岁。四电磁场理论的建立（一）麦克斯韦生平第49页，共60页，2023年，2月20日，星期一Maxwell全面总结了电磁学研究的成果,并在此基础上提出了“涡旋电场”和“位移电流”假说，建立了完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的又一次大综合。他在创建电磁场理论的奋斗中作了三次飞跃，前后历程达十余年。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.汤姆生的类比方法，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，E和H就是；另一类相当于流体的流量，D和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，而力则应沿线段积分。（二）麦克斯韦电磁场理论第50页，共60页，2023年，2月20日，星期一

隔了5年以后，麦克斯韦又回过来研究电磁理论，写了第二篇论文，题为《论物理力线》。内容分四个部分，分别载于1861年和1862年的《哲学杂志》上。他的“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。”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。在这篇论文中，麦克斯韦提出了电磁场的普遍方程组，共20个方程，包括20个变量。

这20个变量是：电磁动量F、G、H；磁力（即磁场强度）α、β、γ；电动热P、Q、R；传导电流p、q、r；电位移f、g、h；全电流（包括位移的变化）p′、q′、r′；自由电荷电量e；以及电位ψ。20个方程是：电位移方程、磁场力方程、电流方程、电动势方程、电弹性方程、电阻方程、自由电荷方程、连续性方程。实际相当于8个方程，其中6个是矢量方程。第51页，共60页，2023年，2月20日，星期一第52页，共60页，2023年，2月20日，星期一

直到1890年，赫兹才给出简化的对称形式，整个方程组只包括四个矢量方程，一直沿用至今。第53页，共60页，2023年，2月