从静电现象到电磁波

一、电磁感应现象的发现
法拉第的自然哲学思想：他与奥斯特一样，坚信自然力 的“统一性”，并追求这种统一性。他在实验记录中有 这样一段话：“长期以来，我就持有一种观点，几乎是 一种信仰，我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同 有的，就是物质的力表现出来时具有某种形态，都有一 个共同的根源，或者换句话说，它们是相互直接联系的， 也是相互依赖的，所以它们似乎是可以互相转化的。
莱顿瓶
莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶里瓶外分别贴有锡箔，瓶里的 锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属 球，电容器莱顿瓶很快在欧洲引起了强烈的反响，电 学家们不仅利用它们作了大量的实验，而且做了大量 的示范表演，有人用它来点燃酒精和火药。
本杰明. 富兰克林
• 他是美国历史上第一位享有国声誉的科学家和发明家 和音乐家。作过著名的“风筝实验”，在电学上成就 显著。
罗比逊实验装置
卡文迪许利用两个同心球的实验证明了上述规律，他得
到δ=0.02，可惜两人的工作都未发表。
法国的工程师、物理学家库仑建立了著名的库仑定律。 他发明了灵敏度很高的测量装置“电钮秤”。进行广泛 的电学和磁学实验，证明了电场力和磁场力都服从平方 反比规律。研究中，库仑也是把它们跟万有引力作类比， 事先建立了平方反比的概念。
三、安培对电流磁效应的深入研究
安培从磁体与磁体、电流与磁体相互作用，联想并 发现了通电导线之间有相互作用。并进一步发现了通电 螺线管与条形磁铁的等效性。发现磁性转动的方向与电 流方向的关系服从右手定则。
安培
载流直导线相互作用 载流螺线管与条形磁铁等效
“磁性起源假说”： 由此安培提出了著名的“磁性起源假 说”：物质磁性来自于内部有电流，构成磁性物质的每 个微粒都存在永不停息的环形电流，此环形电流使微粒 显示出磁性，N极和S极分布在环形电流的两侧。 可解释物体可被磁化的现象及磁体被分割后仍有N、S 极性现象。此假说，直到19世纪知道了原子结构和物质 结构的秘密，才真正知道这是“分子电流”。
另一种粒子，认定是汤川秀树所预言的介子，今称 介
子。由于在核力理论的基础上预言介子的存在，汤川 秀树获1949年诺贝尔物理学奖。。
§3.2 电流的产生及其磁效应
一、从动物电研究到伏打电堆发明
伽伐尼发现“动物电”：青蛙的肌肉因与手术刀接 触会发生痉挛现象。使电学的研究开始从静电转 向动电。
伏打电堆
汤川秀树也是类比法的成功运用者，他通过将核力和电 磁力类比，成功地提出了核力的介子理论。他说：“类 比是一种创造性思维的形式，……假定存在一个人所不 能理解的某物，他偶尔注意到这一物和他所熟悉的另一 物的相似性。他通过将两者比较就可以理解他在此刻之 前尚不能理解的某物。如果他的理解是恰当的，而且还 没有人达到这样的理解，那么可以说，他的思维确实是 创造性得到。”
r
r12
q2
在实际问题中，直接用到库仑定律的机会很少，常用的 却是从它推导出来的其他公式。为了使这些常用公式的 形式简单些，可以使库仑定律中的比例系数K复杂些。
K 1
4π 0
真空电容率: 0 8.854187817 10 12
C2/（N·m2）
计算表明，库仑力远大于万有引力 ，后者在讨 论中完全可忽略。
一、静磁和静电现象的早期研究
中国古代的贡献：最早文字记载“雷”、“电”，发明 指南针等。
最早总结前人对电磁研究的大量经验， 讨论电磁体性质的英国医生吉尔伯特，他 断言：电与磁是两种不同的现象。
相比静磁现象，静电研究困难得多。 直到第一台摩擦起电机发明后，对静电 研究才迅速开展起来。
吉尔伯特
摩擦起电
吉尔伯特
• 1600 年，近代磁学的奠基人、英国物理学家威廉·吉 尔伯特（1544—1603 年）所著《论磁石、磁性物体 和大磁体地球》一书出版。吉尔伯特曾在剑桥大学学 医，1569年获得医学博士学位，后来在伦敦行医， 1600 年成为伊丽莎白一世女王的御医。但吉尔伯特的 主要兴趣和成就不是在医学方面，而集中于磁和电的 研究。他的著作总结了自己多年工作的成果，其中包 括对自己所做的600多个实验的介绍。
1882 年，英国维姆胡斯创造了圆盘式静电感应起电机， 其中两同轴玻璃圆板可反向高速转动，摩擦起电的效 率很高，并能产生高电压。这种起电机一直沿用至今， 在各中学的物理课堂上作电学演示实验时，就经常用 到它。
经过英国、德国几代科学家改进摩擦起电机，其效力 和威力都有了很大提高，能够产生强大的火花。特别 是能从人身上生出火花来，引起世人的惊奇，使促人 们对电的本质、物质结构以及雷电现象等进行探索， 从而促进了电学的发展。
一次演讲中，偶然发现导线通电时，在它的下方的小 磁针有一微小晃动。他抓住了这个现象，经过3个月的反 复实验，发现了电流磁效应。揭开了研究电与磁内在联 系的序幕。
奥斯特的实验迅速在两个方面取得惊人的突进：
一个是技术上立即诞生了电流计和制成了电磁铁。
另一个是架起了一座连通电和磁之间的桥梁，导致电 与磁关系的一系列发现，使电磁学作为一个整体的学 科出现。
• 吉尔伯特发现，磁体永远有两个极：北极和南极，在 分割磁体时，也永远不会得到只有一个磁极的磁体； 同名的磁极相互排斥，异名的磁极相互吸引；在磁体 影响下，铁制物品可以获得磁性；如果在天然磁石两 极包上铁，能够使其磁性显著增强。
• 吉尔伯特最重要的科学贡献，是发现了地球本身是一 个巨大的磁体。他的这一结论是从实验中导出的。
两个带电体的库仑力计算
Q2
Q1
q1
rr
q2
三、从库仑定律的建立看，类比方法的重要性
库仑测得δ=0.04，但他断定力与距离成平方反比，是
成功运用类比方法的结果。
麦克斯韦对类比法的论述：“为了不用物理理论而得 到物理思想，我们必须熟悉物理类比的存在。所谓物理 类比，我指的是一种科学定律与另一种科学定律之间的 部分相似性。它使得这两种科学可以相互说明。”
电学、磁学构成了经典物理学的另一重要分支。随着 一个个电磁学研究成果的取得，企图把全部物理学归纳 为力学的机械论观点宣告彻底失败。
本章将涉及下面一些科学家以及他们的重大发现，他 们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。
库 仑
奥 斯 特
安 培
法 拉 第
麦 克 斯 韦
§3.1 静电和静磁现象的研究
第三章 从静电现象到电磁波
“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
伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他们把科学 思维和实验研究很好地结合在一起，为力学的发展开辟 了一条正确的道路。
起电机
世界上第一个发明摩擦起电机的人是德国（当时称普 鲁士）萨克森的马德堡市市长格里克。虽然他是市长， 公务繁忙，但是对自然科学研究还是投入了大量的时 间和精力。
他把带有一个木柄的黄色硫磺球。放在一个木制的托 架上，使它可以自由转动，他用一只手握住木柄，使 硫磺球绕轴旋转，另一只手按在球体上，随着球的不 停转动，硫磺球表面就会因摩擦而生电，充满大量的 电荷，这就是第一个起电机。
库仑于1875年用电扭实验，通过与万有引力类比，确 信并提出了库仑定律 。
百度文库
库仑定律：在真空中，两个静止的点电荷之间的相互作用
力的大小与它们的电量的乘积成正比，与它们之间的距 离的平方成反比，作用力的方向沿着它们的联线，同号 相斥，异号相吸。
r F12
K
q1q2 r2
rr 102
r
q1
单位矢量: rr120 rrr1122
• 为了深入探讨电运动的规律，创造的许多专用名词如 正电、负电、导电体、电池、充电、放电等成为世界 通用的词汇。
• 他借用了数学上正负的概念，第一个科学地用正电、 负电概念表示电荷性质。并提出了电荷不能创生、也 不能消灭的思想，后人在此基础上发现了电荷守恒定 律。
• 他最先提出了避雷针的设想，由此而制造的避雷针， 避免了雷击灾难，破除了迷信。
必须指出：有时简单的类比也会导致错误的结果。如惠 更斯类比声波，认为光波也是纵波就错了。可见类比结 果是否正确还得由实验检验。
汤川秀树
1929年毕业于京都帝国大学理学院物理系。 1935 年，汤川秀树在大阪大学任讲师时，发表核力的介子 场理论，用来解释原子核内的作用力，预言了介子的 存在。介子是质量处于电子和质子之间的粒子。1937 年，C.D.安德森在宇宙线中发现一种比电子约重200 倍的粒子，当时误认为就是介子，后来发现其性质跟 介子应有的不同，实质是介子衰变后的产物，今称μ子。 经 C.F.鲍威尔等人的研究，于1947年在宇宙线中发现
从泰勒斯发现摩擦琥珀可以起电后的2300 多年的时间 里，摩擦起电几乎成了人们获得电的唯一方法。随着 时间的推移，欧洲人对自然界的兴趣越来越浓，他们 不断地提出问题，例如琥珀经过摩擦可以吸引轻微的 东西，那么摩擦得猛烈一点，吸引力会不会增加呢？ 琥珀会不会带上更多的电呢？摩擦起电促使欧洲科学 家继续研究、继续探索。
安培也通过理论研究，提出了计算两载流回路之间的相
互作用力的方法。对于作用在长为l 两载流直导线上的力
为
II
f l 0 1 2 2πd
其中 I1和 是I 2 两导线中的电流，d为两平行导线间的距离，在 国际单位制中，常量 为真0 空磁导率，
4π 107 N/A 2 0
§3.3 电磁感应定律
• 吉尔伯特的实验和研究还发展了有关电的知识。在他 之前，人们对电的认识基本上停留在古希腊哲学家泰 勒斯所描述的琥珀经摩擦会产生电的水平上。吉尔伯 特设计制作了一台验电器，由一个尖顶支枢支承一根 能够灵活转动的指针。他把钻石、宝石、玻璃、水晶、 硫磺、树脂等各种物体摩擦后靠近指针，看指针是否 被吸引向这些物体。通过这样的实验，他得出结论： 琥珀的性质是许多其他物质共有的。他把这些物质称 为“带电体”，而把金属物质列为“非带电体”的主 要项目。他当时还不知道，金属这类导电物质在摩擦 时产生的电荷会很快失去。 在吉尔伯特之后，对磁和电的现象的研究进展缓 慢，很长时间内没有多少新的发现。
• 他是一位优秀的政治家，是美国独立战争的老战士。 他参加起草了《独立宣言》和美国宪法，积极主张废 除奴隶制度，深受美国人民的崇敬。他是美国第一位 驻外大使(法国),所以在世界上也享有较高的声誉。
二、库仑定律
类比万有引力，科学家猜测 电荷间作用力与距离平方成 反比。
罗比逊实验，发现:
f
1 r 2
指数偏差: 0.06
伏打从实验发现了金属的接触电势差，
从而发明了伏打电堆。从此使电学从静电领
拿
域到电流（动电）领域，实现了一大飞跃。
破
伏打电堆的发明，提供了产生恒定电流的电
仑
源——化学电源，使人们有可能从各个方面
研究电流的各种效应。电学进入了一个飞速
发展的时期——电流和电磁效应的新时期。
现在用的干电池就是经过改时后的伏打
我国古代对摩擦生电方面的发现和记载也是很多的。 东汉初期的科学家王充就在他的著作《论衡》一书中 有记载。
世界上第一个认真研究这一现象的人是16 世纪末的英 国医生威廉·吉尔伯特。他是英国女王伊丽莎白一世的 御医，以研究磁力现象而著称于科学史。他对泰勒斯 的故事十分感兴趣，动手做了大量的实验，还特地在 女王面前作了琥珀吸引羽毛的表演，吉尔伯特把这一 现象称为“电”。“电”这个字的英文读音 “Electricity”就是希腊文“琥珀”一词的译音，吉尔 伯特第一个提出了“电”这个概念。
伏 打
电池。
电 堆
二、奥斯特发现电流磁效应
奥斯特基于
奥
（1）自然哲学思想——自然各种基本力
斯 特
可以相互转化。
（2）已发现一些电可能会发生磁 的迹象。
坚信电磁间有联系，并发展电是否能产生磁的研究。
法国著名生物学家巴斯德在讲述奥斯特的发现时，说 过一句名言：
“在观察领域的一切机遇只偏爱有那些准备的头脑。”
一根玻璃棒，用一种丝绸布把它摩擦一会儿，它就
能把桌上的羽毛片或小纸屑吸起来，这是“摩擦起 电”。
其实，人们很早就知道了摩擦起电。大约在2500 年以 前，古希腊有七位“圣人”，其中之一便是著名哲学
家泰勒斯，经过摩擦之后的琥珀会吸引轻小的物体泰
勒斯当时还无法解释，但是他认识到这是一个很重要 的现象，就把它详细地记录了下来。