(1.8)-讲稿7-电磁（2）物理史话

讲稿讲授内容备注第2页共5页引题：上节课详细讲述了人类认识电磁现象经历的曲折过程，今天开始进入下一阶段的学习电磁场理论建立过程一、电磁联系的发现1、电流磁效应的发现丹麦物理学家奥斯特（公元1777—1851）首次发现电流磁效应，揭开了电和磁两种现象的内在联系，从此开始了电磁学的真正研究。1820年4月在一根根细的铂丝导线的下面放一个用玻璃罩罩着的小磁针，用伽伐尼电池将铂丝通电，他发现磁针偏转，这现象虽然未引起听讲人的注意，却使他非常激动！奥斯特花了三个月的时间作了六十多个有关实验1820年7月发表了题为《电的冲突对磁针的作用的一些实验》的论文，向科学界宣布了“电流的磁效应”。奥斯特奥斯特（公元1777—1851）丹麦物理学家1777年8月14日生于一个药剂师家庭1794年考入哥本哈根大学1799年获博士学位1801～1803年去德、法等国访问，结识了许多物理学家及化学家1806年起任哥本哈根大学物理学教授1815年起任丹麦皇家学会常务秘书1820年因电流磁效应这一杰出发现获英国皇家学会科普利奖章1829年起任哥本哈根工学院院长1851年3月9日在哥本哈根逝世贡献1820年发现电流的磁效应奥斯特曾经对化学亲合力等作了研究。1822年他精密地测定了水的压缩系数值，论证了水的可压缩性。1823年他还对温差电作出了成功的研究。对库仑扭秤也作了一些重要的改进。在1825年最早提炼出铝，但纯度不高，以致这项成就在冶金史上归属于德国化学家F.维勒(1827)。他最后一项研究是40年代末期对抗磁体的研究，试图用反极性的反感应效应来解释物质的抗磁性。同一时期M.法拉第在这方面的成就超过了奥斯特及其法国的同辈。出版了《奥斯特科学论文》集设立奥斯特奖章奥斯特的功绩受到了学术界的公认，为了纪念他，国际上从1934年起命名磁场强度的单位为奥斯特，简称“奥”。1937年美国物理教师协会还专门设立了奥斯特奖章，来奖励教学有成绩的优秀物理教师。2、安培定律与分子电流假说安培(Andre-MarieAmpere,1775-1836)法国物理学家，出生于里昂附近一个商人家庭少年时代就具备非凡记忆力和的数学才能，完全靠自学而获得自然科学、哲学、历史和文学等方面的丰富知识。1799年起担任教学工作同时对数学进行系统的研究1808年担任法国帝国大学总督学1809年成为巴黎工艺大学数学教授1814年成为法国科学院院土1824年担任法兰西学院实验物理学教授1827年被选为英国皇家学会会员。安培最主要的成就（1820—1827年）①发现了安培定则得知奥斯特发现电流磁效应的实验两周后就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②发现电流的相互作用规律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③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④提出分子电流假说他根据磁是由运动的电荷产生的这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。提出了著名的分子电流假说。⑤总结了电流元之间的作用规律——安培定律安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验，并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。他在数学和化学方面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安培定律与分子电流假说安培在听了阿拉果的介绍以后，第二天重复了奥斯特的实验，并加以发展。实验进展非常迅速，在短短的二十天内，取得了一系列重大成果，写成三篇论文，在9月18日、9月25日和10月9日的科学院会议上，连续报告了他的重大发现。安培重复作了电流对磁针作用的实验，从中发现磁针转动的方向与电流方向的关系服从右手定则，后人称它为安培右手定则。安培定律与分子电流假说安培在假设了两个电流元之间的相互作用力沿着它们的连线和上述四个实验的基础上，总结出了两个电流元之间的作用力正比于它们的长度和电流强度，而与它们之间距离的平方成反比的公式，即提出了著名的安培定律。他进一步去寻找电磁现象的本质原因，在1821年1月，提出了著名的分子电流假说，认为每个分子的圆形电流形成一个小磁体，当它们在外磁场的作用下呈规则排列时，就使物体呈现出宏观磁性安培总结了当时有关动电研究的成果，于1822年发表了《电动力学的观察汇编》，1827年发表了《电动力学原理概论》，为以后建立电动力学系统理论作出了奠基性的贡献。趣事1．怀表变卵石怀表被扔进了塞纳河。2．马车车厢做“黑板”3．“电学中的牛顿”麦克斯韦称赞安培的工作是“科学上最光辉的成就之一，还把安培誉为“电学中的牛顿”。安培在他的一生中，只有很短的时期从事物理工作，可是他却能以独特的、透彻的分析，论述带电导线的磁效应，因此我们称他是电动力学的先创者，他是当之无愧的。3、毕奥—沙伐尔定律在安培提出电流元相互作用之前，法国科学家毕奥和沙伐尔于10月30日，在法国科学院的会议上报告了，载流长直导线对磁极的作用正比于电流强度，反比于它们之间距离的实验成果，后来法国数学家拉普拉斯应用数学方法，帮助他们把实验结果提到理论的高度，得出了毕奥—沙伐尔—拉普拉斯定律。4、欧姆定律的确立德国物理学家欧姆（公元1787一1854）出生于锁匠家庭，1805年进人埃尔兰根大学学习1811年取得哲学博士学位。他一边担任中学教师一边进行科学研究1833年被聘为纽伦堡理工学院物理教授1841年英国皇家学会授予他柯普利奖章1849年他被聘为慕尼黑大学教授，终生未婚。为了纪念他，以他的名字命名电阻单位。二、法拉第与电磁感应现象1、“衰减”现象的发现1824年阿拉果用一条磁针作成单摆，让它在静止的金属盆上面按一定频率摆动，发现它的运动像受到阻碍作用一样很快衰减下来。1825年让上述实验装置中的金属盆转动，发现磁针会发生偏转，甚至会作连续转动。1825年塞贝克用一块磁铁做成单摆，放在金属附近摆动，他发现单摆摆动的振幅衰减要比附近没有金属时快得多。2、法拉第及其主导思想英国实验物理学家法拉第（公元1791－1867），出生于伦敦附近的一个铁匠家庭，因为家庭贫穷，小学没有毕业就到伦敦一家书店当装订书的学徒，利用书店的有利条件，争取空余时间努力学习，他从阅读科学书籍中获得了丰富的知识，尤其是《大英百科全书》和《化学漫谈》这两本书使他收益不浅。1820年奥斯特实验对法拉第影响很大，从此他开始了电磁方面的研究，他工作了四十年，在电磁学方面的实验研究成果，全部汇总在他的巨著《电学的实验研究》中，此书共三十篇分为三卷分别于1839、1844、1855年出版，此外，法拉第还写了极为详细的日记共8册，其中如实地记录了他的研究设想、计划、成果和实验经过，记录了他的成功经验和失败的教训。由于法拉第在研究工作上的成就于1821年被推选为皇家学院实验室主任；1824年被选为皇家学会的会员；1825年任皇家研究院院长；1846年荣获伦福德奖章和皇家勋章。人们为了纪念他，以他的名字命名了电容的单位。十九世纪初，欧洲哲学家提出“自然力”之统一的思想。这种思想对法拉第影响很深，使法拉第形成了对物理力的统一性、不可破灭性和可转移性的观念。从1831年发现电磁感应现象到1851年确立电磁感应定律，历经20年。德国物理学家楞茨（公元1804—1865）要在获悉法拉第的发现之后，重作了许多实验，于1832年发现感应电动势与线圈的直经，绕组导线的直径和材料都没关系。1833年提出了确定感生电流方向的法则，即“楞茨定律”。这个定律是电磁感应符合能量转换和守恒定律的具体表现。法拉第不相信超距作用的观点，为了对电、磁现象作出正确的解释，他提出了场的概念和力线的图象。他用电力线和磁力线来形象地表示电场和磁场的物理图象。力线上任一点的切线方向就是场强的方向，力线密的地方，场强就强；力线疏的地方，场强就弱。场源不变时，力线图也不变，场源变化时。力线也发生变化。法拉第关于场的概念和力线的图象，为以后麦克斯韦从数学上建立电磁场理论奠定了基础。J．J．汤姆逊对法拉第的力线评价很高，他说：“在法拉第的许多贡献中，最伟大的一个就是力线概念了。我想电场和磁场的许多性质，借助它就可以最简单而且富有暗示性地表示出来”。自从法拉第建立了场的概念和力线的图象以后，超距作用的观点逐渐衰败，而新型的近距作用的观点日益强化和完善。三、麦克斯韦的电磁场理论1.麦克斯韦英国理论物理学家麦克斯韦（公元1831—1879），1831年11月13日生于苏格兰的爱丁堡。他的父亲是一个知识渊博的律师，使麦克斯韦从小受到良好的教育，在中学学习期间，麦克斯韦在数学和诗歌两门课程的成绩特优秀。14岁时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。第一次显露出他出众的才华，1847年麦克斯韦进入爱丁堡大学学习数学和物理1850年转入剑桥大学，成为著名数学家霍普金斯的研究生。1854年以第二名的毕业成绩获得史密斯奖金，毕业后麦克斯韦就开始了电磁学的研究。1856年在马瑞斯凯学院任自然哲学教授1860年到伦敦皇家学院任自然哲学和天文学教授，这期间他有机会拜访同一学院工作的法拉第，他信服法拉第的物理思想1865年麦克斯韦辞去教授职务，专心总结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年麦克斯韦被聘为剑桥大学物理实验室主任，负责筹建卡文迪许实验室1874年被任命为卡文迪许实验室第一任主任。1879年11月5日，麦克斯韦因得癌症而病故。2.麦克斯韦的贡献麦克斯韦虽然只活了49岁，但他却写了许多篇论文，在物理学方面有：弹性物体的平衡、固体转动定律、土星环的稳定性、颜色视觉、气体分子速率分布等方面的成果，他的主要贡献是电磁场理论和光的电磁学说。人们为了纪念他，把磁通量的单位命名为“麦克斯韦”。麦克斯韦系统地研究了前人关于电磁学的实验成果和理论成就，以他非凡的数学才能，严密的逻辑推理，建立了完整的电磁场理论。他共发表了四篇关于电磁场理论的论文，从这四篇文章中，可以看出麦克斯韦对电磁场理论的建立不是一蹴而成的，而是不断探索，不断深入研究才取得最后的成功。1855年，麦克斯韦发表了《论法拉第的力线》的第一篇论文，麦克斯韦运用类比的方法，把电磁学与流体力学作比较，他把正负电荷比作流体的源和沟、电力线比作流管、电场比作流速等。从而麦克斯韦用数学重新概括了欧姆定律等六条基本定律。1862年，麦克斯韦发表了《论物理的力线》的第二篇论文。提出“位移电流”的假说。1865年，麦克斯韦发表了《电磁场动力学》的第三篇论文，他用场论的观点对电磁理论进行了总结，他认为电磁相互作用，仅与距离有关而且依赖于相对速度，因此应该从带电体和磁体周围的媒质中发生的过程来考虑问题，而不以超距作用为出发点，从而提出了电磁场理论。麦克斯韦为了对电磁现象能够进行定量的计算，把已经发现的库仑定律、安培定律……高斯定理、环路定理等，用二十个变量列出二十个方程，成为电磁场的一般方程组。现在把电磁场的基本规律只归纳为四个方程，即麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦断定光是一种短波长的电磁波。他在论文中写道：“这一速度与光速如此接近，看来我们有充分的理由断定，光本身（包括热辐射和其他形式的辐射）是以波动形式在电磁场中按电磁波规律传播的一种电磁振动。”这就是麦克斯韦所创立的光的电磁波学说。这样，他把原来互相独立的电学、磁学和光学三个物理部门结合起来，成为十九世纪中叶物理学上实现的一次大综合。1873年，麦克斯韦发表了《电磁场通论》一书，这是一部集电磁理论之大成的经典著作。3.赫兹（公元1857—1894）是柏林大学物理学教授亥姆霍兹的学生，他在老师的影响下，认真钻研了各种电磁学理论，深为麦克斯韦理论所吸引，决心用实验来证实电磁场理论。1885年，赫兹作了一个放电实验，他作了一个具有初级