第三章经典电磁学

2）发明避雷针 富兰克林并不满足，将他的发现转化为了 新的发明。避雷针诞生了。 3）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。
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。
生物电现象
安培（1775-1836）：法 国科学家。安培在法国 长大时，正是法国社会 变革时期，他几乎没受 过正规教育，只好以他 父亲和百科全书做老师。 个人遭遇不好，家庭几 经磨难。即使这样，也 没有动摇安培对科学的 追求。
安培——电学中的牛顿
奥斯特发现电流磁效应引起法国科学界的极大兴趣。
• 比奥(LB．Biot，1774—1862)、沙伐(Felix Savart，1791—1841) 和拉普拉斯建立了电流元 激发磁场的理论：
等效
• 安培的方法 “从对事实的观察开始，尽可能地改变伴随条件，并 佐以精确的测量，以便导出完全基于实验的一般规 律，再从这些规律导出这些力的数学表达式……这 就是牛顿所遵循的路线。”
安培的电流元之间作用力的又一个平方反比规 律的发现，使人们对大自然力之间的内在联系又有了 一个新的认识。安培的工作，正是沿着牛顿路线，仿 照力学的理论体系，创建了电动力学。他认定电流元 之间的相互作用是电磁现象的核心，电流元相当于力 学中的质点，他们间存在超距作用，相当于引力。
磁的新用途
磁的新用途
电磁起重机能吊起几百吨的钢铁
磁的新用途
• 新生细胞含磁量为衰老细胞的几倍，乃至 几十倍。提高细胞的含磁量可延缓细胞衰 老。研究还表明，年轻人血液中的磁含量 高于老年人。生物学家认为，现代人有的 需要补充磁力，有的则需要调整磁力。 磁 枕，磁被等磁疗产品发展迅速
5.安培和安培定律
A
B
法拉弟的手稿
•电磁感应定律： 闭合回路上产生的感应电动势和通过闭合回 路的磁通量的变化率成正比。
dΦ E dt
法 拉 第 在 作 演 讲
法拉第的讲义
•法拉第的思想 1）一贯追求科学真理，相信自然力的统一。 “我早已持有一种见解，它几乎达到深 信不移的程度，而且我想这也是其他许多自 然科学爱好者的见解，即物质之力所表现出 来的各种形式具有普遍的起源。” 奥斯特——动电生磁
•1895 年，洛伦兹提出洛伦兹力：
F q( E v B)
•质谱仪
•回旋加速器 •磁约束
8 麦克斯韦电磁场理论的建立
麦 克 斯 韦 像
从出生地来说他属 于爱丁堡，从功绩上来 说他属于全世界。 ——普朗克
在法拉第发现电磁感应定律那一年，即1831年， 麦克斯韦在英国的爱丁堡出生了。他从小聪明好问。 父亲是个机械设计师，很赏识自己儿子的才华，常带 他去听爱丁堡皇家学会的科学讲座。十岁时送他到爱 丁堡中学。在中学阶段，他就显示出了在数学和物理 方面的才能，十五岁那年就写了一篇关于卵形线作图 法的论文，被刊登在《爱丁堡皇家学会学报》上。 1847年，十六岁的麦克斯韦考入爱丁堡大学。1850年 又转入剑桥大学。他学习勤奋，成绩优异，经著名数 学家霍普金斯和斯托克斯的指点，很快就掌握了当时 先进的数学理论。这为他以后的发展打下了良好的基 础。1854年在剑桥大学毕业后，曾先后任亚伯丁马里 夏尔学院、伦敦皇家学院和剑桥大学物理学教授。他 的口才不行，讲课效果较差。
意大利科学家伽伐尼 （Luigi Galvani,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。
3
库仑定律
库 仑 像
库仑（1736-1806）: 法国人，当过法 国部队的技术军 官，后被选为法 国科学院院士。
•寻找“磁生电”
奥斯特——动电生磁
磁能生电否？
自然统一的信念， 法拉弟进行了十年 的探索
1831年8月29日，法拉第在日记中写道 :
“使一个有10对极板，每板面积为4平方英寸的电池 充电。用一根铜导线将一个线圈，或更确切地说把B 边的线圈的两个端点联接，让铜线通过一个距离， 恰好经过一根磁针的上方(距铁环3英尺远)。然后把 电池联接在A边线圈的两端；这时立即观察到磁针 的效应，它振荡起来，最后又停在原先的位置上， 一旦断开A边与电池的联结，磁针再次被扰动。”
i B 3 [dl r ] r
dl
i
P
r
•安培的思考：自然界的对称性
dx

r

dy
•在1820年12月4日，又出了著名的安培定律
k dx dy sin sin sin f 2 r
为电流元平面之间的夹角
安培实验装置
•安培著名的分子电流假设
•富兰克林（1706-1790）简介:
在全家17个孩子 中排行15，其父是小 手工业者，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，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”。
富 兰 克 林 像
杜 尔 格 （ 法 ）
从 暴 君从 那苍 里天 取那 得里 了取 民得 权了 。雷 电 ，
2
电荷及电荷守恒定律
摩 擦 生 电 试 验
莱顿大学的瓶子
富兰克林(1706—1790)发现了尖端放电，发明了避 雷针，研究了雷电现象，从莱顿瓶的研究中，提出 了电荷守恒原理。1747年富兰克林用电流体假说阐 述了这一思想 实验中发现：电荷可以移动，可以转移，但不能从 “无”中产生，也不能自动消失，这就是电荷守恒 定律，它是一个严格的守恒定律。
Hale Waihona Puke Baidu
现 象 犹麻 如绳 “上 怒的 发纤 冲维 冠向 ”四 周 自 立 ，
:
*小插曲：为了验证“地电”与“天电”的相同 之处，富兰克林想到雷可以击死动物， 于是他就实验用“地电”去击杀火鸡， 结果被电打昏了。苏醒后，却不介意地 说：“我本想用电杀死一只火鸡，结果 差点电死了一个傻瓜。” •1753年，俄国的里赫曼在做大气电实验时不幸 中电身亡，为科学献身。
库仑扭称实验装置
q1q2 F K 2 er r
库仑的电摆实验 库仑把电的吸引力同地球对物体的吸引进行类比，设 计了电摆实验。 对重力摆
q1q2 对异号电荷，同样有： F K 2 er r
T r
4
奥 斯 特 像
磁针上的电碰撞实验－－电流的磁效应 奥斯特（1777-1851）：丹 麦人，发现电流磁效应的第 一人。
麦克斯韦在电磁学方面的贡献是总结了库仑、高斯、 安培、法拉第、诺埃曼、汤姆逊等人的研究成果特 别是把法拉第的力线和场的概念用数学方法加以描 述、论证、推广和提升，创立了一套完整的电磁场 理论。 麦克斯韦除了在电磁学方面的贡献外，还是分子运 动论的奠基人之一。
•通过类比，把法拉弟力线思想数学化
1856年麦克斯韦发表了《论法拉第力线》一文， 受到法拉第的赞赏。法拉第说：“我惊讶地看到， 这个主题居然处理得如此之好” 。麦克斯韦在文 中认为法拉第将磁现象归结为力和场的观点，是一 种更合适的科学语言。 五年后，《论物理力线》－内分四个部分，分别载 于1861年和1862年的《哲学杂志》
为了把一切电磁现象都归结为电流间的相互作 用，安培提出了他子电流假设。 螺线管表现像 一根磁铁， 设想 磁铁表面存在一 层电流的环流
好友菲涅耳提醒：磁铁是非良导体，宏 观电流将使磁铁发热，电流很快将消失
改进假设：磁性物质内存在无数微小的“分 子电流”，它们永不衰竭地沿闭合路径流动， 从而形成一个个小磁体
——
富兰克林像
1)费城实验：天电与地电的统一
富兰克林40岁时，观看了电学实验， 从而对电有了兴趣。其中有一个想法， 天电和地电是统一的吗?
风 筝 实 验 图
1752年7月，一个电闪雷鸣的上 午，他将一个风筝放到空中，风筝下 有一根铁丝，铁丝下栓一根麻绳，麻 绳的下一端拴丝线，绳线接触处栓了 一把钥匙。
The Nobel Prize in Physics 1902
"in recognition of the extraordinary service they rendered by their researches into the influence of magnetism upon radiation phenomena"
法拉第——变磁生电
奠定了电磁学的基 础，导致了电动机发电 机的出现。
2）提出力线和场的思想 法拉第从大量的实验中想象出描写电磁作 用的力线，经数学家证明了其概念的正确，他 为场的理论建立作出贡献。 汤姆逊说:“我想电场和磁场的许多性质， 借助力线就可以最简单而富有暗示地表示出 来。” 麦克斯韦:“在数学家看到相互超距吸引 力的中心的时候，法拉第则用他特有的思维的 眼睛看到穿过全空间的力线。……”
法 拉 第 像
认会 的 年 的的 学 时 领会 徒 代 铁 袖员 ， 的 匠 。， 临 早 的 是死期儿 那时，子 时是作法 斯 物所过拉 托 理有装第 列 学科订， 托 家学工在 夫 公学人青
——
当法拉第在演示他的电磁感应现象时，一位 贵妇曾问道：“您的电流计指针动一下有什么意 义呢？”法拉第回答道：“夫人，当一个婴孩诞 生的时候，您会想到他将会完成何等事业吗？”
经典电磁学
1
历史回顾 •早期定性研究
关于电：先秦:“阴阳相薄，感而为雷， 激而为霆。霆，电也。” 关于磁：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。
•英国人吉尔伯特 •（1544-1623）——论磁:
曾为英国伊丽 莎白一世的御医， 1600年发表《论磁 石》，总结了前人 的经验，记载了大 量实验。
6 电磁感应定律
法拉第是英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的 科学家。1791年9月22日出生于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。 这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。 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。 法拉第主要从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究， 并在这些领域取得了一系列重大发现。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。
的偏领 头爱域 ＊脑那内﹃ 巴。种，在 斯﹄有机观 德 准遇察 备只的
I
S
N
物理学思想：奥斯特信奉康德哲学：自然界各种基 本力量可以相互转化的。1803年:“我们将把整个 宇宙容纳在一个体系中。”他认为“自然力之统 一”。 物理类比：电和磁的联系，就像电和发热发光的 现象有联系一样。他深信电和磁有某种联系。 1820年7月21日，发表了 《关于磁体周围电冲突的实 验》，报导了60多次的实验 结果，引起了学术界的轰动。
法拉第如此至爱的这个“婴儿”，的确有着 惊人之举。1867年西门子根据这一原理创造了发 电机，从此人类有了“电”，它至今仍为我们带 来光明和幸福。当我们在尽情享受电灯、电视、 电影……这一切现代文明的时候，我们怎能不感 谢这位铁匠的儿子呢？
7
洛伦兹与洛伦兹力
(洛伦兹Hendrik Antoon Lorentz，1853—1928)是荷兰 物理学家、数学家。1853年7 月18日生于阿纳姆。1870年入 莱顿大学学习数学、物理学， 1875年获博士学位。25岁起任 莱顿大学理论物理学教授，达 35年。
洛伦兹是经典电子论的创立者。当光 源放在磁场中时，光源的原子内电子的振 动将发生改变，使电子的振动频率增大或 减小，导致光谱线的增宽或分裂。 1896年10月，洛伦兹的学生塞曼发现， 在强磁场中钠光谱的D线有明显的增宽， 即产生塞曼效应，证实了洛伦兹的预言。 塞曼和洛伦兹共同获得1902年诺贝尔物 理学奖。