第3章物理学史电磁学1

第七节 专题讨论：麦克斯韦的创新思维
科技创新是生产力、经济发展和社会进步的生命 力所在，创新是最宝贵的。什么是科技创新？如何实现 科技创新？伟大的物理学家麦克斯韦的故事，给出了极 好的回答。 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell) 被誉为“自牛顿以来世界上最伟大的数学物理学家”、 “历史上最具影响的一百人之一”，并被英国广播公司 评为“近千年来最伟大的思想家之一”。他在短短的一 生(1831～1879年)中，对科学作出了巨大贡献，他在电 磁学和气体分子动理论方面的革命性研究确立了他在物 理学史上的重要地位。 麦克斯韦兴趣广泛、才智过人，他扎实的数学根 基与创新思维是他在科学研究中取得功的关键。在他的 整个科学历程中，自始至终贯穿着创新思想。
二、对电现象的认识
我国古代对电的认识，是从雷电及摩擦起电现象开始的。早在3000多年前的殷商 时期，甲骨文中就有了“雷”及“电”的形声字。西周初期，在青铜器上就已经出现 加雨字偏旁的“電”字。
王充在《论衡·雷虚篇》中写道卫：“云雨至则雷电击，”明确地提出云与雷电 之同的关系。在其后的古代典籍中，关于雷电及其灾害的记述十分丰富，其中尤以明 代张居正（1525～1582）关于球形闪电的记载最为精彩，他在细致人微的观察的基础 上，详细地记述了闪电火球大小、形状、颜色、出现的时同等，留下了可靠而宝贵的 文字资料。在细致观察的同时，人们也在探讨雷电的成因，《淮南子·坠形训》中提 到客：“阴阳相薄为雷，激扬为电，”即雷电是阴阳两气对立的产物。王充也持类似 看法，明代刘基（1311～1375）说得更为明确：“雷者，天气之郁而激而发也，阳气 困于阴，必迫，迫极而进，进而声为雷，光为电。”可见，当时已有人认识到雷电是 同一自然现象的不同表现。
他于1540年5月24日生在英国科尔切斯特市一个大法官家里。年轻时就读 于剑桥大学圣约翰学院，攻读医学，获医学博士学位。毕业后已成为英国名 医。由于他医术高明，1601年担任英国女王伊丽莎白一世的御吉尔伯特在科 学方面的兴趣，远远超出了医学范围。在化学和天文学方面有渊博的知识， 但他研究的主要领域还是在物理学中。他用观察、实验方法科学地研究了磁 与电的现象，并把多年的研究成果，写成名著《论磁》，于1600年在伦敦出 版。《论磁》共有六卷，书中的所有结论都是建立在观察与实验基础上的。 医，直到1603年12月10日逝世。
在我国，摩擦起电现象的记述颇丰，其常用材料早期多为琥珀及玳瑁。早在东汉 王充的《论衡》中也有“顿牟掇芥”，这里的顿牟也是指玳瑁，意思是经过摩擦的玳 瑁可以吸引芥籽或细小的物体。
对于静电现象的描述，西晋张华的记载最为生动，他在《博物志》中写道：“今 人梳头，脱著衣时，随梳解结有光者，且有咤声。”
近代电学正是在对雷电及摩擦起电的大量记载和认识的基础上发展起来的，我国 古代学者对电的研究，大大地丰富了人们对电的认识。 可惜的是，我国古代对电现象的记载虽多，却仅停留在现象的描述上。
尖端放电也是一种常见的电现象。对尖端放电现象的观察和研究，使古人发明了 避雷器，防止雷击。早在三国和南北朝时期，古籍中就出现过“避雷室”。有本书叫 《荆州记》，作者是南朝人盛弘之，他记载：“湖阳县，春秋多国，樊重之邑也。重 母畏雷，为母玄石室，叫避之，悉以文石为阶砌，至今犹存。”这个类似于避雷的屋 子，讲的是一个孝子因为妈妈怕雷，就用某种石头建了个绝缘的屋子。一些高的大殿 和庙宇，常有所谓"雷公柱"，古塔的尖顶多涂金属膜或鎏金。 中国古代很多建筑物都有了初级避雷装置，就是屋脊两头、都有一个仰起的龙头， 龙口吐出曲折的金属舌头，伸向天空。舌根连接一根细的铁丝，直通地下，若雷电击 中了屋宇，电流就会从龙舌沿线下行地底，起不了破坏作用。 古代兵器多为长矛、剑、戟，而矛、戟锋刃尖利，常常可导致尖端放电发生，这 一现象多有描述，如《汉书·西域记》中就有“元始中（公元3年)矛端生火”，晋代 《搜神记》中也有相同记述：“戟锋皆有火光，遥望如悬烛。”
第一节 概述
关于电和磁现象的系统研究，始于18世纪。1750年米切尔磁极间的 作用力服从平方反比定律。1785年库仑公布了用扭秤实验得到了电力平 方反比定律使电磁学进入了定量研究的阶段。 1780年伽伐尼研究电对动物机体的作用，做了有名的伽伐尼实验， 1800年伏打发明电堆，获得了产生稳定电流的手段，这导致1820年奥斯 特发现了电流的磁效应，使电磁学的研究从电磁分离跃至电磁相互联系 的阶段，开始了电磁学的新纪元。 法拉第对电磁学做出杰出贡献，1831年发现电磁感应现象，证实了电 与磁的统一性。法拉第引入场的概念和力线的图像后，把人们从超距作 用中解放出来，建立了近距作用的概念。麦克斯韦从理论上总结了法拉 第的物理概念，用一套方程组概括实验上发现的电磁规律，建立了电磁 场理论，并将光与电磁现象统一起来，为利用电和磁开辟了广阔前景， 实现了物理史上第三次大综合。
第二节 中国古代的电磁学知识
中华民族曾创造了光辉灿烂的古代文化，对人类文明的发展作出了巨大的贡献。 中国古代对物理知识的认识历史悠久、内容丰富。中国古代对磁现象的研究和应用曾 在世界上处于领先地位。其中最突出的就是指南针的发明和使用，罗盘的制造远远走 在欧洲人的前面。
一、 对磁现象的认识
在中国古代、磁的发现比静电要早，我国是对磁现象认识最早的国家之一，公元前4 世纪左右成书的《管子》中就有“上有慈石者，其下有铜金”的记载，这是关于磁 的最早记载，类似的记载，在其后的《吕氏春秋》中也可以找到：“慈之召铁，或 引之也。”东汉高秀在《吕氏春秋注》中谈到：“石，铁之母也。以有慈石，故能 引其子。石之不慈者，亦不能引也。”在东汉以前的古籍中，一直将磁写做慈。相 映成趣的是磁石在许多国家的语言中都有慈爱之意。 我国古代典籍中也记载了一些磁石吸铁和同性相斥的应用事例。例如《史记·封禅 Leabharlann Baidu》说汉武帝命方士栾大用磁石做成棋子“自相触击”；古代，还常常将磁石用作 医疗。
贡献及影响
1、吉尔伯特在物理学中的贡献是开创了电学和磁学的近代研究。1600年他 发表了一部巨著《论磁》，系统地总结和阐述了他对磁的研究成果。使他在 物理学史上留下了不朽的位置。 2、吉尔伯特对电也作过详细研究。他用琥珀、金刚石、蓝宝石、硫磺、明 矾等做样品，作了一系列实验，发现经过摩擦，它们都可以具有吸引轻小物 体的性质。他认识到这是一种物质普遍具有的现象，因此根据希腊文琥珀 (η λ ε κ τ ο ρ ν )引入"电的"(electric)一词，并且把象琥珀这样经过摩 擦后能吸引轻小物体的物体称做"带电体"。吉尔伯特还发明了第一只验电器。 3、吉尔伯特对近代物理学的重大贡献还在于他提出了质量、力等新概念。 在《论磁》中，吉尔伯特说，一个均匀磁石的磁力强度与其质量成正比，这 大概是历史上第一次独立于重量而提到质量，通过"磁力"这一特殊的力，吉 尔伯特揭示了自然界中某种普遍的相互作用。
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell，1831〜1879)，出生于苏 格兰爱丁堡，英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基 人之一。1831年6月13日生于苏格兰爱丁堡，1879年11月5日卒于剑桥。 1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理，毕业于剑桥大学。他成年时期的大 部分时光是在大学里当教授，最后是在剑桥大学任教。1873年出版的《论电和磁》， 也被尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。麦克斯 韦被普遍认为是对物理学最有影响力的物理学家之一。没有电磁学就没有现代电工 学，也就不可能有现代文明。
一、锋芒初露 麦克斯韦自幼在数学领域就表现了他的创造才能。在不满15岁时，他写了一篇关 于卵形线几何作图法的论文，据说这个问题只有大数学家笛卡儿曾研究过。麦克斯韦 所用的作图法与笛卡儿的方法不同，而且更简便，更有新意。他不仅给出绘制卵形线 的方法，还导出了这种曲线的数学方程，麦克斯韦的父亲知道这件事后兴奋不已，把 儿子的这篇论文寄给了自己的好友——爱丁堡大学的福布斯教授。福布斯教授认真审 周了麦克斯韦的论文后，觉得很有意义，便在爱丁堡皇家学会上代他宣读了这篇论文 (因为当时麦克斯韦太小)，接着这篇论文又发表在《爱丁堡皇家学会学报》上，麦克斯 韦初露锋芒，小小年纪就引起了当时数学界的注意。 二、经典电影学领域的创新 麦克斯韦不但自幼在数学领域表现了他的创新才能，而且自学生时代起在物理学 领域也同样显示了他的创新思想。 伟大的物理学家法拉第通过长期而专注的科学研究，提出了力线的概念，用来描 述电力和磁力，这就是电磁场概念的雏形。麦克斯韦在学生时代就被法拉第对电和磁 的研究所吸引，在爱丁堡大学读书时花了许课余时间钻研法拉第的著作，对法拉第提 出的力线概念特别感兴趣。麦克斯韦继承了法拉第的磁感线观念，在法拉第思想的基 础上，进一步把磁感线概念数学化理论化，磁感线的数学化初步成功后，麦克斯韦进 一步致力于电场线的数字化。
在发现磁石指极性的前后，东汉张衡（公元110年左右），就利用纯机械的结构，创造了“指南车”。 但张衡的方法已经失传。三国时期（公元235年）魏国的马钧，他造出的指南车被魏明帝“御用”。 指南针一经发明，就很快应用于航海。指南针配上固定的方位盘，就成了罗盘，南宋时叫做“地螺”。
沈括曾对指南针作过深入研究。他在《梦溪笔谈》中记有“方家以磁石磨针锋，则 能指南”。他在书中还记载了指南针的制作方法和四种安装方法。此外，沈括还发现了 地磁偏移角。他说，磁针指南，“然常微偏东，不全南也。” 沈括(1031～1095)是我国北宋时期二位政治家和科学家，是历史上著名的学识渊博 的人，于各门科学造诣都很深。他研究的学问涉面很广，在不少科学中都取得很大成就。 他一生论著颇丰，晚年定居梦溪园。著有《梦溪笔谈》，这部书见解独到，内容丰富， 在我国乃至世界历史上均享有盛名。沈括是我国历史上闪耀着智慧光辉的灿烂明星。 遗憾的是，尽管关于磁的认识极为丰富，而关于磁现象的本质及解释往往又是含糊 的，缺乏深人细致的研究，以致在我国历史上，一直未能产生可与英国吉尔伯特《论磁》 媲美的著作。
叁
电磁场理论的建立
一
概
述
目 录
Contents
二
中国古代的电磁学知识
七
专题讨论：麦克斯韦的创新思维
第一节 概述
人类对电磁现象的认识经历了相当长的时期。静电现象与磁现象很早 就引起了人们的注意，公元前六七百年就发现了磁石吸铁，磁石指南和 摩擦生电现象。真正的对电磁现象进行研究是从英国御医吉尔伯特开始 的，1600年他发表了《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》，开创 了电磁现象研究的新纪元。 关于电和磁现象的系统研究，始于18世纪。1750年米切尔磁极间的 作用力服从平方反比定律。1785年库仑公布了用扭秤实验得到了电力平 方反比定律使电磁学进入了定量研究的阶段。 1780年伽伐尼研究电对动物机体的作用，做了有名的伽伐尼实验， 1800年伏打发明电堆，获得了产生稳定电流的手段，这导致1820年奥斯 特发现了电流的磁效应，使电磁学的研究从电磁分离跃至电磁相互联系 的阶段，开始了电磁学的新纪元。
众所周知，中国古代四大发明中就有指南针。的确，磁石可以指南的性质是我国人民的重大发现。磁 性指南器大约出现在我国战国时期，最初，是用天然磁石磨成，样子像一只勺，底圆，可以在平滑的“底 盘”上自由旋转，静止时勺柄会指向南方，古人称作“司南”。 磁指南器的应用到宋代有了突破性的进展。宋代曾公亮编著的《武经总要》中记述了一种利用人工磁 化方法制造的指南鱼。“平放鱼在水面令浮，其首常南向午也。”这是指南针过渡的重要一步。
迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791年9月22日－1867年8月 25日），英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家。生于萨 里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭，仅上过小学。他详细地研究在载流导线四 周的磁场，想出了磁场线的点子，因此建立了电磁场的概念。他观察到磁 场会影响光线的传播，找出了两者之间的关系，还发现了电磁感应的原理、 抗磁性、法拉第电解定律。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。