电磁学三大定律的历史演变

电磁学三大定律的历史演变

库隆定法不仅是电磁学的基本规律，也是物理的基本规律之一。库隆定法阐明了电磁体相互作用的规律，决定了静电场的性质，为所有电磁学奠定了基础。在探索阐明磁体相互作用的本质时，提出了力线概念，确立了近距离作用的概念，并结束了基于物质运动和距离的机械愿景在物理上的主导地位。库伦定法是物理上最精确的基本规则之一。自200多年前以来，为了提高单位数据的质量，人们一直在寻求改进。另一个原因是，单位数据的静质量mz是否为零。如果有偏差，mz。0，它会动摇物理建筑物的重要基础，如真空色散、亮度变化、电气阻力等。因此，有必要从每个角度考察库伦定法，全面提高对其的理解。1电力定律的确定库仑定律是关于两个静止点电荷相互作用力的规律,它指出,两个静止点电荷之间的作用力与点电荷电量的乘积成正比,与点电荷之间距离的平方成反比.后者又作为电力平方反比律.事实上无论是库仑定律还是其他物理学确立的电荷相互作用力规律都只涉及电力平方反比律,并未涉及电力与电量的关系,因为电力与电量的关系与电量的定义有关.最早提出电力平方反比律的是普里斯特列(J.Priestley,1733—1804).普里斯特列的好友,著名的电学家富兰克林(B.Franklin,1706—1790)曾观察到放在金属杯中的软木小球完全不受金属杯上电荷的影响.他把他观察到的现象写信告诉普里斯特列,希望他重做此实验,并确认这一事实.1766年普里斯特列做了实验,他使金属空腔容器带电,发现其内表面没有电荷,而且金属容器对于放在其内部的电荷明显地没有作用力.他立刻想到这一现象与万有引力情形非常相似,即放在均匀物质球壳内的物质不会受到来自壳体本身物质的作用力.因此,他猜测电力与万有引力有相同的规律,两个电荷间的作用力应与它们之间距离的平方成反比.这是一项很重要的类比猜测,但是,这一猜测在当时并未引起科学家们的重视,而普里斯特列本人对此猜测能否严格地予以证明又缺乏信心,这一发现就被搁置起来了.1769年爱丁堡的鲁宾逊(J.Robinson,1739—1805)首先用直接测量的方法确定电力的定律,他得到两个同号电荷的斥力与距离的2.06次方成反比.而两个异号电荷的吸引力比平方反比的方次要小些,他推断正确的电力定律是平方反比律.他的研究结果在1801年发表才为人所知.1772年英国著名物理学家卡文迪许(H.Cavendish,1731—1810)遵循普里斯特列的思想以实验验证电力平方反比律.如果实验测定带电的空腔导体的内表面确实没有电荷,就可以确定电力遵从平方反比律.卡文迪许实验得出的定量结果与13年后(1785年)库仑(A.Coulomb,1736—1806)用扭秤直接测量所得结果的精度相当.然而,卡文迪许实验是精确验证电力平方反比律的开创性工作,在他以后200年来,这个实验不断重复和改进,精度大大提高.卡文迪许是个性情孤僻、专心致志于学术研究而不计功名的科学家,他的许多研究成果都没有发表,100年后麦克斯韦(C.Maxwell,1831—1879)整理他的大量手稿时才将上述结果公诸于世.最著名的是法国物理学家库仑的工作.库仑曾从事毛发和金属丝扭转弹性的研究,这导致他在1777年发明了后来被称为库仑秤的扭转天平或扭秤.1784年库仑发表论文,介绍他发现的扭转力与线材直径、长度、扭转角度以及线材物理特性有关的常数之间的关系,还介绍了用扭秤测量各种弱力的方法.同年,库仑响应法国科学院有赏征集研究船用罗盘,他的科学生活开始从工程、建筑转向电、磁研究.1785年库仑设计制作了一台精确的扭秤,用扭秤实验证明同号电荷的斥力遵从平方反比律,用振荡法证明异号电荷的吸引力也遵从平方反比律.他的实验误差偏差平方为4×10-2.库仑的工作得到了普遍的承认,并以他的名字来命名电力定律.2麦克斯韦的电力直径反比律实验虽然库仑设计的扭秤实验非常精巧,实验技术也很高超,但是难以直接准确测量力和距离,其精度不高是显然的.电力平方反比律的精确实验验证有赖于带电金属空腔内表面不存在电荷分布的事实.1874年,剑桥大学接受卡文迪许后裔的捐赠成立卡文迪许实验室,条件之一是整理卡文迪许的手稿.麦克斯韦被委任为实验室的第一任主任,他承担了整理卡文迪许手稿的重任,于1879年交付出版.麦克斯韦从卡文迪许关于电力平方反比律的实验中看出其重要性,它可提供电力平方反比律的精确验证.麦克斯韦不仅严格地从理论上导出了确定电力偏离平方反比律的公式,而且还自己做实验确定电力偏离平方反比律的程度.他的理论成为近代精确验证电力平方反比律的依据,他的实验比起卡文迪许的实验在精度上提高了3个数量级,成为精确验证电力平方反比律的先声.这反映麦克斯韦对精确验证电力平方反比律极为重视.从麦克斯韦等人开始验证电力平方反比律,一直到今天还不断有人在做这方面的工作,他们的实验结果列于表1中.可见,200年来电力平方反比律的精度提高了十几个数量级,使它成为当今物理学中最精确的实验定律之一.这种精确检验是有重要意义的.我们知道,作为经典电磁场理论总结的麦克斯韦方程组是在库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律的基础上建立的,与库仑定律不同,后两个定律难以直接从实验检验,其精度不明,然而从库仑定律和洛仑兹变换也同样可以得出麦克斯韦方程组,这不仅表明库仑定律是整个电磁场理论的基础,而且它确保了麦克斯韦方程组的精度,从而也实际上确保了安培定律和法拉第电磁感应定律的精度.3近距作用对于库仑定律的适用范围,包括著名的卢瑟福(E.Rutherford,1871-1937)α粒子散射实验以及地球物理实验在内的大量实验表明,库仑定律在10-13-109cm的尺度范围内是可靠的.库仑定律的成立条件是静止点电荷.静止是指两点电荷相对静止,且相对于观察者静止(均在惯性系中).库仑定律可以推广到静止源电荷对运动电荷的作用,但不能推广到运动源电荷对静止或运动电荷的作用,因为有推迟效应,同时还表明运动电荷的相互作用违反牛顿第三定律(尽管速度不大时差别很小),但正是这里体现了近距作用.牛顿第三定律本身只适用于相互接触的物体.对于不接触的运动物体间的相互作用(如电磁力、引力),如果是瞬时的无需媒介的超距作用,牛顿第三定律适用,否则失效,但动量守恒定律仍成立,只是需要计及场的动量.在某一惯性系为静止的两点电荷,在另一惯性系是运动的,前者只是静电作用,后者则有电和磁的相互作用,这正是表明电磁相互作用的统一性.库仑定律与其他物质无关.一些教科书在叙述库仑定律时,常常说是真空中两个点电荷间的相互作用力,这样说是为了不考虑其他电荷的影响.实际上,有其他物质存在时库仑定律仍然成立,库仑定律与其他物质是否存在无关.但是,在有其他物质存在时,这些物质会受到原来两个电荷的电场的作用,从而产生极化电荷或感应电荷,因此,原来两个电荷中的每一个,都要受到这些极化电荷或感应电荷的影响,这时它们所受的作用力就比较复杂了.带同种电荷的物体也可能互相吸引.有的教科书在介绍库仑定律时说:“带同号电荷的物体互相排斥;带异号电荷的物体则互相吸引.”事实上,物体互相排斥或吸引,不仅决定了它们所带的电荷之间的相互作用力,还决定了它们之间的万有引力和磁力;地面上一般物体之间的万有引力由于太小,可以略去不计,但磁力则有时很强,不能略去,例如矫顽力很高的永磁铁,它们之间磁的相互作用力可以远远超过它们所带电荷之间的相互作用力.即使是仅考虑物体所带电荷之间的相互作用力,带同种电荷的物体也可能互相吸引.4保证了受体辐射的公式平方反比律与光子的静止质量mz是否为零有密切的关系.mz是有限的非零值或是零,有本质的区别,并且会给物理学带来一系列原则问题.现有的理论以mz=0为前提.如果mz≠0,则电动力学的规范不变性被破坏,使电动力学一些基本性质失去依据;电荷将不守恒;光子偏振态不再是2而是3,这将影响光学;黑体辐射公式要修改;会出现真空色散(不同频率光波在真空传播速度不同),破坏光速不变,等等.近代观点认为,各种相互作用都是某种粒子的交换引起的,光子就是电磁相互作用的体现者,如果mz≠0,则电磁力为非长程力,电力平方反比律应有偏差;反之,mz=0则δ=0,因此mz与δ有关.1930年,普罗卡指出,如果mz≠0,静电场的泊松方程应修改为(∇2-μ2)>=-4πρ,μ=mzc/ħ,普罗卡方程的解的形式为>~(1/r)e-μr(汤川势),多了一个指数因子,由E~∇>及E~1/r2+r即可找出δ与μ(即mz)的关系.利用1971年的结果,δ<3×10-16,得出mZ<2×10-47g.由于mz是否严格为零的重要性,不断用各种方法(包括天体物理方法)测量mz的上限.迄今为止最强的限制是用天体物理的磁压法得出的,为mz<10-60g,与其他已知粒子相比(如电子的mz~10-21g)是很小的.在很多问题中可以忽略,但是否严格为零仍引起普通的关注.5狭义相对论:“力线”和“场域”库仑定律是静电学基础.静电学研究带电体的相互作用和静电场的性质.前者由库仑定律及迭加原理所解决;后者由库仑定律证明高斯定理和环路定律表明静电场为有源无旋场.历史上,在库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律的基础上,麦克斯韦提出涡旋电场和位移电流假设,揭示了电磁场的内在联系,得到了电磁场运动变化所遵从的规律——麦克斯韦方程组.但这并不是得出麦克斯韦方程组的唯一途径,由库仑定律和洛仑兹变换也可得出麦克斯韦方程组.这表明,从静止电荷的静电场可以得到运动电荷的电磁场,狭义相对论真正统一了电磁现象