电磁学的发展及启示

麦克斯韦电磁场理论
• 麦克斯韦认为变化的磁场在其周围的空间激发涡 旋电场；变化的电场引起媒质电位移的变化，电 位移的变化与电流一样在周围的空间激发涡旋磁 场。
通过数学运算，麦克斯韦预言了电磁波的存在，电 磁波的传播速度同光速一样。而光不过是波长在某 一范围的电磁波，从而把电、磁和光现象统一在了 起来。
富兰克林对雷电现象的研究
富兰克林(1706-1790):
富兰克林是独立宣言和美国 宪法的起草人之一，为祖国的独 立和解放作出了贡献的政治活动 家。家境贫困。他在10岁时缀学， 12岁当印刷所学徒，阅读了许多 书籍，和几个青年创办了“共读 社”，后来成为科学家和政治家。 自己写的墓志铭:“印刷工富兰 克林”。
– 1800年3月20日，伏打（1745～1827年) （意大利物理学家）制造了第一个能产 生持续电流的化学电池。
其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和 用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体，叫做伏打电堆。
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 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”。
• 1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。 赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证 实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开 创了无线电电子技术的新纪元。
百度文库赫兹的电磁波实验装置
用来检测电磁波的有缺口 24 金属环状线圈
电磁学对通信技术发展的作用
——电流磁效应的发现打开了电应用的新领域
– 1825年斯特金发明电磁铁。
– 1837年惠斯通和莫尔斯分别独立发明了电报机，莫 尔斯还发明了一套电码，利用他所制造的电报机可 通过在移动的纸条上打上点和划来传递信息。
– 1861年贝尔发明了电话，作为收话机，它仍用于现 代，而其发话机则被爱迪生的发明的碳发话机以及 休士的发明的传声器所改进。
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电磁学对通信技术发展的作用
– 1895年，意大利马可尼成功地进行了2.5公里 距离的无线电报传送实验。
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化学电源的发展
• 1800年卡莱尔和尼科尔森用低压电流分解水； • 1807年，戴维利用庞大的电池组先后电解得到 钾、钠、钙、镁等金属；1811年他用2000个电 池组成的电池组制成了碳极电弧；从19世纪50 年代起它成为灯塔、剧院等场所使用的强烈光 电源， • 直到70年代才逐渐被爱迪生发明的白炽灯所代 替。 • 此外伏打电池也促进了电镀的发展，电镀是 1839年由西门子等人发明的。
1833年 楞茨定律
– 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（Heinrich Friedrich Emil Lenz） 是俄国物理学家和地 球物理学家，
1886 赫兹的电磁波实验
•
1886年10月，德国物理学家——赫兹用放电线 圈做火花放电实验，偶然发现近旁未闭合的绝 缘导电线圈中有电火花跳过，便敏锐地想到这 可能是电磁共振。
• 1887年11月5日，赫兹在寄给亥姆霍兹一篇题为《论 在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文中， 总 结了这个重要发现。
电磁学 的发展及启示
——材料科学与工程学院 赵辉
2014年6月
“自从牛顿奠定理论物理学基础以来， 物理学的公理基础——换句话说，就是 我们关于实在结构的概念——最伟大的 变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁学 方面的工作所引起的。”
——爱因斯坦
电磁学之中国古代 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。 我国东汉时期，王充在《论衡》一书中提 到"顿牟掇芥"等问题，也是说摩擦过的琥 珀能吸引轻小物体。
从苍天那里取得了雷电，从 暴君那里取得了民权。
——杜尔格（法）
富兰克林的主要贡献
费城实验
发明避雷针:富兰克林将他的发现转化为了新的发明。 避雷针诞生了。 科学兴趣广泛:命名了正电，负电，发现了电荷守恒 定律，研究了火炉的改良，植物的移植，传染病的 防治。
写出了《电学的实验和研究》的著作。
伏打电堆

(a)
(b)
一类实验是磁铁与线圈有相对运动时，线圈 中产生了电流； 另一类实验是当一个线圈中电流发生变化时， 在它附近的其他线圈中也产生了电流。法拉 第将这些现象与静电感应类比，把这些现象 正式定名为电磁感应。

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法拉第电磁感应定律的重要意义：
– 一方面，依据电磁感应的原理，人们制造出了 发电机，电能的大规模生产和远距离输送成为 可能； – 另一方面，电磁感应现象在电工技术、电子技 术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。 – 人类社会从此迈进了电气化时代。 • 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、磁场的概 念。
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1600年吉尔伯特与<<磁石论>>
– 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”。
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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。

安培(Ampé re，1775— 1836)是法国物理学家、 数学家

安培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，
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。
安培研究电流相互 作用的仪器
dF12 K
I1 I 2 dL2 dL1 r12 r123
• 1773年杜菲（1698-1739）经过实验区分出 两种电荷，他分别为松脂电（负电）和玻 璃电（正电），并总结出静电作用的基本 特性：同性相斥，异性相吸。 • 莱顿瓶的发明使电现象得到更深入的研究， 这是克莱斯特和马森布落克在1745-1746年 分别做出。
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· · · · · ·


电磁感应的发现
• 1831年 法拉第发现了电磁感应定律
– 1821年9月他发现通电的导线能绕磁铁旋 转 – 1831年发现了电磁感应定律。
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法拉第(Michael Faraday 1791--1867)是英国物理 学家、化学家，也是著 名的自学成才的科学家
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法拉第的实验大体上可以归为两类：
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奥斯特实验
• 在1820年4月发现电流的磁效应：当电流 通过导线时，引起导线近旁的磁针偏转。
丹麦物理学家奥斯特 (Hans Christian Oersted， 1777—1851)
通电导线周围和永磁体周围一样都存在磁场。
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安培定律
1820年7月，安培关于载流螺线管 与磁铁等效性的实验；
电磁学之西方国家
• 在17世纪前，大多数是观察和零碎的知识，到17世 纪后才有一些系统的研究，而定量的研究则更晚。 • 18世纪中叶以后，磁力和电力的平方反比定律相继 发现，静电学和静磁场开始沿牛顿力学的发展登上 科学的舞台。 • 18世纪末，随着电堆的发明，人们有可能人为地产 生和控制电流。 • 19世纪，电流的磁效应、化学效应、热效应相继的 发现，其规律得到了定量的表述，电学和磁学得到 了和谐统一的发展，建立了统一的电磁理论，并证 实了电磁波的存在。

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
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电磁场理论的建立
• 1865年麦克斯韦建立电磁场理论：
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》。
用麦克斯韦通过类比，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。
– 1899年, 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功； – 1901年，跨越大西洋的3200公里距离的试验成 功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，于 1909年与布劳恩(C. F. Braun, 1850-1918)一起获 得诺贝尔物理学奖。无线电报的发明，开始了 利用电磁波时代。
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赫兹(H. R. Hertz, 1857— 1894)德国物理学家
• 接着，赫兹还通过实验确认了电磁波是横波， 具有与光类似的特性，如反射、折射、衍射 等，并且实验了两列电磁波的干涉，同时证
实了在直线传播时，电磁波的传播速度 与光速相同，从而全面验证了麦克斯韦 的电磁理论的正确性。
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赫兹电磁波实验的意义
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。
• 1660年，盖里克（1602-1668）发明摩擦起电机。
• 1705年豪克斯比（1666-1713）用空心玻璃球代 替硫磺球，发现效果一样。 • 1720年，格雷（1675-1736）研究了电的传导现 象，发现导体和绝缘体的区别。随后，他又发现 了导体的静电感应现象。
1600年吉尔伯特与<<磁石论>>
威廉· 吉尔伯特 （William Gilbert， 1544—1603）
• 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 。
– 英国伊丽莎白女王的御医、英国皇家 科学院物理学家。 – 主要在电学和磁力学方面有很大贡献。
– 吉尔伯特的工作是实验和学术知识结 合的典范。