麦克斯韦与电磁理论的建立

绪论

第一讲：为什么要学习“电磁场与电磁波”课程及该课程的主要内容

第二讲：早期人类对电和磁的认识

第三讲：电和磁的关系

第四讲：电磁理论的建立

电磁理论的建立

富兰克林库伦

奥斯特安培

法拉第

欧姆詹姆斯.克拉克.麦克斯韦

“超距作用”和“近距作用”的问题。

近距作用：相隔一定距离的两个物体之间的作用力必须通过某种中间媒介物质传递。

超距作用：相隔一定距离的两个物体之间存在直接的、瞬时的相互作用，不需要任何媒质

传递，也不需要任何传递时间。

近距作用的代表人物：

法国的哲学家、数学家、物理学

家——笛卡尔。

笛卡尔提出了“以太说”。

1686年，牛顿发表了万有引力定律：2 Mm F G R

整个18世纪和19世纪的前半叶，

超距作用的观点在物理学中居于

统治地位。

牛顿在给一位朋友的信中写道：

“很难想象没有其他无形的媒介，无生命无感觉的物质可以毋须相互接触而对其他物质产生作用和影响。……引力对于物质是天赋的、固有的和本质的，因此，没有其他东西的媒介，一个物体可超越距离通过真空对另一物体作用，……在我看来，这种思想荒唐之极。”

122q q F K R 库仑定律：1

q 2

q R 1785年，法国科学家库仑在实验规律的基础上，提出了第一个电学定律：库仑定律。

法拉第提出的“场”和“力线”的概念，

抛弃了超距作用观点，提出了近距作用的主张力线（场线）：

1856~1865年，十年中，麦克斯韦发展了法拉第“场”和“力线”理论，建立了电磁学的系统理论。并由理论上推论出，空间存在以有限速度传播的电磁波，其波速就是光速。

艾萨克·牛顿

詹姆斯.克拉克.麦克斯韦

电磁理论的完成者：詹姆斯.克拉克.麦克斯韦

1831年生于苏格兰爱丁堡

，其八岁丧母，性格内向孤僻。

16岁，进入爱丁堡大学学习数学和物理，他用三年时间完成了学业。

19岁，麦克斯韦来到人才

济济的剑桥大学三一学院数学系学习。

霍普金斯

霍普金斯曾对他这样评价：

在我教过的所有学生中，

毫无疑问，麦克斯韦是最杰出

的一位。

1854年，23岁的麦克斯韦，毕业留校工作。他刚毕业不久，就看到了法拉第的著作《电学实验研究》, 立即被书中新颖的实验和见解吸引住了。

他说：“我目前最重要的工作是把法拉第的物理观点用数学表达出来”。

1855年发表的《论法拉第的力线》的论文，在这篇论文中，法拉第的力线概念获得了精确的数学表述。

1860年，麦克斯韦拜访了法拉第，法拉第给他指出了研究的方向。

法拉第麦克斯韦

1862年，麦克斯韦发表了论文《论物理的力线》，在这篇论文中，不但进一步发展了法拉第的思想，他还引入了一个创造性的概念“位移电流”，指出有变化的电场，就存在位移电流。位移电流的提出是对法拉第电磁感应定律的重大突破。根据这个假设，麦克斯韦推导出了两个高度抽象的微分方程式，经后来完善，成为麦克斯韦方程组当中的重要方程。这两个方程揭示了：变化的电场可以产生变化的磁场，变化的磁场又可以产生变化的电场，那么变化的电磁场就会以波的形式向空间散布出去。由此麦克斯韦预言了电磁波的存在。

1864年，麦克斯韦发表了论文《电磁场的动力学理论》

在这篇论文中，麦克斯韦采用著名的数学家拉格朗日和哈密尔顿的所创立的数学方法，使麦克斯韦方程更加完善；并从中推导出了电场和磁场的波动方程，证明了电磁波的存在，并算出电磁波的速度等于光速，揭示了光的电磁本质。

1865年，麦克斯韦辞职回到家乡，系统地总结关于电磁学的研究成果，经过了八年的艰苦努力，完成了电磁场理论的经典巨著《电磁学通论》，并于1873年出版。

麦克斯韦方程组：C d ()d ∂⋅=+⋅∂⎰⎰⎰l S D H l J S t d d ∂⋅=-⋅∂⎰⎰⎰l S B E l S t d d ⋅=⎰⎰⎰⎰⎰V S V D S V ρd 0⋅=⎰⎰S B S 积分形式C ∂∇⨯=+∂D H J t ∂∇⨯=-∂B E t ∇⋅=V

D ρ0∇⋅=B 微分形式

1871年，麦克斯韦承担了著名的卡文迪什实验室的筹建工作，并担任第一任实验室主任。

该实验室对整个实验物理学的发展产生了极其重要的影响，众多著名科学家都曾在该实验室工作过。卡文迪许实验室甚至被誉为“诺贝尔物理学奖获得者的摇篮”。

在实验室筹建中，麦克斯韦发现并整理了100年前，卡文迪什在电学研究中大量的实验报告和论文手稿，与1879年出版了《尊敬的亨利•卡文迪什的电学研究》一书。

麦克斯韦指出：这些论文证明卡文迪什几乎预料到电学上所有的伟大事实，这些伟大事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。

1879年11月，麦克斯韦因病去世，终年只有49岁。

麦克斯韦生前创建的电磁理论，并没有得到人们的普遍重视，直到他去世的第9年，1887年，赫兹在实验室产生了电磁波，证明了麦克斯韦的电磁理论的正确，才被人们逐渐认可。这一理论奠定了20世纪的电力工业、电子工业和无线电技术的基础。

1999年，在新千年到来之际，世界著名的英国学术期刊《物理世界》，评选出了有史以来10名最伟大的物理学家。

爱因斯坦牛顿麦克斯韦波尔海伯森

伽利略费恩曼狄拉克薛定谔卢瑟福

1931年，爱因斯坦在麦克斯韦诞辰一百周年的纪念会上说：麦克斯韦的建树是牛顿以来，物理学最深刻和最富有成果的工作。麦克斯韦标志着一个科学时代的终结和另一个科学时代的开始。