电磁场理论的建立 对电磁现象的研究是从十六世纪下半叶英国伊丽莎白女王的侍医官吉尔伯特开始，然而他的研究方法很原始，基本上是定性地对现象的总结。 对电磁的近代研究是从十八世纪的卡文迪许、库仑开始，他们开创了用测量仪器对电磁现象作定量测量，并总结出定量的规律，引起了电磁学从定性到定量的飞跃。

Presentation on theme: "电磁场理论的建立 对电磁现象的研究是从十六世纪下半叶英国伊丽莎白女王的侍医官吉尔伯特开始，然而他的研究方法很原始，基本上是定性地对现象的总结。 对电磁的近代研究是从十八世纪的卡文迪许、库仑开始，他们开创了用测量仪器对电磁现象作定量测量，并总结出定量的规律，引起了电磁学从定性到定量的飞跃。"— Presentation transcript:

1 电磁场理论的建立 对电磁现象的研究是从十六世纪下半叶英国伊丽莎白女王的侍医官吉尔伯特开始，然而他的研究方法很原始，基本上是定性地对现象的总结。 对电磁的近代研究是从十八世纪的卡文迪许、库仑开始，他们开创了用测量仪器对电磁现象作定量测量，并总结出定量的规律，引起了电磁学从定性到定量的飞跃。

2 第一节 电现象与磁现象的早期研究 一、吉尔伯特的研究 他做了许多电和磁的实验，其中最有名的是所谓“小地球”实验。
第一节 电现象与磁现象的早期研究 一、吉尔伯特的研究 他做了许多电和磁的实验，其中最有名的是所谓“小地球”实验。 他发现不仅摩擦过的琥珀有吸引轻小物体的性质，而且一系列其他物体如金刚石、水晶、硫磺、明矾等也有这种性质，他把这种性质称为电性，他是第一个用“电力”、“电吸引”、“磁极”等术语的人。

3 第一节 电现象与磁现象的早期研究 吉尔伯特把电现象和磁现象进行比较，发现它们具有以下几个截然不同的性质： 1.磁性是磁体本身具有的，而电性是需要用摩擦的方法产生； 2.磁性有两种——吸引和排斥，而电性仅仅有吸引（吉尔伯特不知道有排斥）；

4 第一节 电现象与磁现象的早期研究 3.磁石只对可以磁化的物质才有力的作用，而带电体可以吸引任何轻小物体；
第一节 电现象与磁现象的早期研究 3.磁石只对可以磁化的物质才有力的作用，而带电体可以吸引任何轻小物体； 4.磁体之间的作用不受中间的纸片、亚麻布等物体的影响，而带电体之间的作用要受到中间这些物质的影响。当带电体浸在水中，电力的作用可以消失，而磁体的磁力在水中不会消失； 5.磁力是一种定向力，而电力是一种移动力。

5 二、物体导电性和两种电荷的发现 1663年德国人格里凯发明了第一台能产生大量电荷的摩擦起电机。
英国人格雷（公元1670－1736）在1729年研究了导电现象，发现摩擦过的玻璃管上所带的电荷可以传递到木塞上。 法国人杜菲（公元1698—1739）对格雷的实验有极大兴趣，他作了许多电学实验。1733年他发现绝缘的金属可以摩擦起电。

6 三、电荷的贮存与大气电现象的发现 荷兰莱顿大学的物理学教授穆欣布罗克（公元1692－1761）于1746年做了实验 ，得出结论：把电荷投放在玻璃瓶内可以把电保存下来。 后来另一位法国电学家诺莱特就把这个蓄电的瓶子称为莱顿瓶。 莱顿瓶的发明，为科学界提供了一种贮电的有效方法。 就在莱顿瓶发明的1746年，伦敦一位物理学家考林森通过邮寄向美国费城的本杰明·富兰克林赠送了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法。

7 三、电荷的贮存与大气电现象的发现 富兰克林（公元1706一1790）原来是费城的印刷商，他通过书本和科学上的来往获得了丰富知识，他利用莱顿瓶做出的第一项重要工作，是根据莱顿瓶内外两种电荷的相消性，在杜菲的“玻璃电”和“树脂电”的基础上提出正电和负电的概念。 富兰克林所做的第二项重要工作是统一了天电和地电。

8 第二节 定量研究的开始 ——库仑定律的发现 一、反平方定律的提出
第二节 定量研究的开始 ——库仑定律的发现 一、反平方定律的提出 1750年前后，彼得堡科学院院士埃皮努斯在实验中发现；当发生相互作用的电荷之间的距离缩短时，两者之间的吸引力和排斥力便增加。1766年富兰克林写信给他在德国的一位朋友普利斯特利（公元1733一1804），介绍了他在实验中发现在金属杯中的软木球完全不受金属杯电性的影响的现象。他请普利斯特利给予验证。

9 二、库仑定律的建立 1769年，英国爱丁堡大学的约翰·罗比森直接用实验推测到了平方反比律。但是，这个发现很晚之后才发表出来。
英国科学家卡文迪许在1772年做了一个电学实验，他用一个金属球壳使之带电，发现电荷全部分布在球壳的外表面，球腔中任何一点都没有电的作用。

10 库仑定律 法国物理学家库仑（公元1736—1806），起先致力于扭转和摩擦方面的研究。由于发表了有关扭力的论文，于1781年当选为国家科学院院士。他从事研究毛发和金属丝的扭转弹性。1784年法国科学院发出船用罗盘最优结构的悬奖征文，库仑转而研究电力和磁力问题。1785年库仑自制了一台精巧的扭秤，作了电的斥力实验，建立了著名的库仑定律：两电荷之间的作用力与其距离的平方成反比，和两者所带电量的乘积成正比。

11 第三节 电流的发现 一、伽伐尼电流的发现 意大利生理学家伽伐尼（ 公元1737—1798），1780年在解剖青蛙时偶然发现了“动物电”。有一次伽伐尼将剥去皮的青蛙放在金属板上，他的一位助手把解剖刀的刀尖碰到青蛙腿上的神经，蛙腿发生了剧烈的痉挛。另一位助手发现不远地方的起电机上发生了一个火花。伽伐尼知道后，立即重做了这个实验，观察到同样的现象。 总结出，动物体内存在着一种特殊的电液，金属只是起着传导的作用，这种电液后来被称为动物电或伽伐尼电。

12 第三节 电流的发现 1800年伏打给英国皇家学会的一个报告中说。“无疑你们会感到惊讶，我所要介绍的装置，只是用一些不同的导体按一定的方式叠置起来的装置。用30片、40片、60片、甚至更多的铜片（当然最好的是银片）将它们中的每一片与一片锡片（最好是锌片）接触，然后充一层水或导电性能比纯水更好的食盐水、碱水等液层，或填上一层用这些液体浸透的纸皮或皮革等，……，就能产生相当多的电荷。”

13 第四节 电磁联系的发现 一、电流磁效应的发现
第四节 电磁联系的发现 一、电流磁效应的发现 丹麦物理学家奥斯特（公元1777—1851）首次发现电流磁效应，揭开了电和磁两种现象的内在联系，从此开始了电磁学的真正研究。 1820年4月在一次关于电和磁的讲课快结束时，他抱着试试看的心情做了实验，在一根根细的铂丝导线的下面放一个用玻璃罩罩着的小磁针，用伽伐尼电池将铂丝通电，他发现磁针偏转，这现象虽然未引起听讲人的注意，却使他非常激动！此后奥斯特花了三个月的时间，连续作了六十多个有关实验，终于在1820年7月发表了题为《电的冲突对磁针的作用的一些实验》的论文，向科学界宣布了“电流的磁效应”。

14 二、安培定律与分子电流假说 法国物理学家安培（公元1775－1836）出生于里昂附近一个商人家庭。少年时代就表现出惊人的记忆力和非凡的数学才能，完全靠自学而获得自然科学、哲学、历史和文学等方面的丰富知识。1799年开始一边担任教学工作一边对数学进行系统的研究，1808年担任法国帝国大学总督学，1809年成为巴黎工艺大学数学教授，1814年成为法国科学院院土，1824年担任法兰西学院实验物理学教授，1827年被选为英国皇家学会会员。由于他在电学上的杰出成就，人们用他的名字来命名电流强度的单位。

15 二、安培定律与分子电流假说 安培在听了阿拉果的介绍以后，第二天重复了奥斯特的实验，并加以发展。实验进展非常迅速，在短短的二十天内，取得了一系列重大成果，写成三篇论文，在9月18日、9月25日和10月9日的科学院会议上，连续报告了他的重大发现。安培重复作了电流对磁针作用的实验，从中发现磁针转动的方向与电流方向的关系服从右手定则，后人称它为安培右手定则。

16 二、安培定律与分子电流假说 安培在假设了两个电流元之间的相互作用力沿着它们的连线和上述四个实验的基础上，总结出了两个电流元之间的作用力正比于它们的长度和电流强度，而与它们之间距离的平方成反比的公式，即提出了著名的安培定律。 他进一步去寻找电磁现象的本质原因，在1821年1月，提出了著名的分子电流假说，认为每个分子的圆形电流形成一个小磁体，当它们在外磁场的作用下呈规则排列时，就使物体呈现出宏观磁性。

17 二、安培定律与分子电流假说 在安培提出电流元相互作用之前，法国科学家毕奥和沙伐尔于10月30日，在法国科学院的会议上报告了，载流长直导线对磁极的作用正比于电流强度，反比于它们之间距离的实验成果，后来法国数学家拉普拉斯应用数学方法，帮助他们把实验结果提到理论的高度，得出了毕奥—沙伐尔—拉普拉斯定律。 安培总结了当时有关动电研究的成果，于1822年发表了《电动力学的观察汇编》，1827年发表了《电动力学原理概论》，为以后建立电动力学系统理论作出了奠基性的贡献。

18 三、欧姆定律的确立 德国物理学家欧姆（公元1787一1854），出生于锁匠家庭，1805年进人埃尔兰根大学学习，1811年取得哲学博士学位。他一边担任中学教师一边进行科学研究。1833年被聘为纽伦堡理工学院物理教授，1841年英国皇家学会授予他柯普利奖章，1849年他被聘为慕尼黑大学教授，终生未婚。后来人们为了纪念他，以他的名字命名电阻单位。

19 第五节 法拉第与电磁感应现象 一、“衰减”现象的发现
第五节 法拉第与电磁感应现象 一、“衰减”现象的发现 1824年阿拉果用一条磁针作成单摆，让它在静止的金属盆上面按一定频率摆动，发现它的运动像受到阻碍作用一样很快衰减下来。1825年让上述实验装置中的金属盆转动，发现磁针会发生偏转，甚至会作连续转动。 1825年塞贝克用一块磁铁做成单摆，放在金属附近摆动，他发现单摆摆动的振幅衰减要比附近没有金属时快得多。

20 二、法拉第及其主导思想 英国实验物理学家法拉第（公元1791－1867），出生于伦敦附近的一个铁匠家庭，因为家庭贫穷，小学没有毕业就到伦敦一家书店当装订书的学徒，利用书店的有利条件，争取空余时间努力学习，他从阅读科学书籍中获得了丰富的知识，尤其是《大英百科全书》和《化学漫谈》这两本书使他收益不浅。

21 二、法拉第及其主导思想 1820年奥斯特实验对法拉第影响很大，从此他开始了电磁方面的研究，他工作了四十年，在电磁学方面的实验研究成果，全部汇总在他的巨著《电学的实验研究》中，此书共三十篇分为三卷分别于1839、1844、1855年出版，此外，法拉第还写了极为详细的日记共8册，其中如实地记录了他的研究设想、计划、成果和实验经过，记录了他的成功经验和失败的教训。

22 二、法拉第及其主导思想 由于法拉第在研究工作上的成就，于1821年被推选为皇家学院实验室主任；1824年被选为皇家学会的会员；1825年任皇家研究院院长；1846年荣获伦福德奖章和皇家勋章。人们为了纪念他，以他的名字命名了电容的单位。 十九世纪初，欧洲哲学家提出“自然力”之统一的思想。这种思想对法拉第影响很深，使法拉第形成了对物理力的统一性、不可破灭性和可转移性的观念。

23 三、电磁感应的发现 从1831年发现电磁感应现象到1851年确立电磁感应定律，历经20年。
德国物理学家楞茨（公元1804—1865）要在获悉法拉第的发现之后，重作了许多实验，于1832年发现感应电动势与线圈的直经，绕组导线的直径和材料都没关系。1833年提出了确定感生电流方向的法则，即“楞茨定律”。这个定律是电磁感应符合能量转换和守恒定律的具体表现。

24 四、力线与杨的概念 法拉第不相信超距作用的观点，为了对电、磁现象作出正确的解释，他提出了场的概念和力线的图象。
他用电力线和磁力线来形象地表示电场和磁场的物理图象。力线上任一点的切线方向就是场强的方向，力线密的地方，场强就强；力线疏的地方，场强就弱。场源不变时，力线图也不变，场源变化时。力线也发生变化。

25 四、力线与杨的概念 法拉第关于场的概念和力线的图象，为以后麦克斯韦从数学上建立电磁场理论奠定了基础。J．J．汤姆逊对法拉第的力线评价很高，他说：“在法拉第的许多贡献中，最伟大的一个就是力线概念了。我想电场和磁场的许多性质，借助它就可以最简单而且富有暗示性地表示出来”。自从法拉第建立了场的概念和力线的图象以后，超距作用的观点逐渐衰败，而新型的近距作用的观点日益强化和完善。

26 第六节 麦克斯韦的电磁场理论 一、麦克斯韦 英国理论物理学家麦克斯韦（公元1831—1879），1831年11月13日生于苏格兰的爱丁堡。他的父亲是一个知识渊博的律师，使麦克斯韦从小受到良好的教育，在中学学习期间，麦克斯韦在数学和诗歌两门课程的成绩特优秀。14岁时就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文。第一次显露出他出众的才华，1847年麦克斯韦进入爱丁堡大学学习数学和物理、1850年转入剑桥大学，成为著名数学家霍普金斯的研究生。

27 第六节 麦克斯韦的电磁场理论 1854年以第二名的毕业成绩获得史密斯奖金，毕业后麦克斯韦就开始了电磁学的研究。1856年在马瑞斯凯学院任自然哲学教授，1860年到伦敦皇家学院任自然哲学和天文学教授，这期间他有机会拜访同一学院工作的法拉第，他信服法拉第的物理思想。1865年麦克斯韦辞去教授职务，专心总结关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著《论电和磁》并于1873年出版。

28 第六节 麦克斯韦的电磁场理论 1871年麦克斯韦被聘为剑桥大学物理实验室主任，负责筹建卡文迪许实验室，1874年被任命为卡文迪许实验室第一任主任。1879年11月5日，麦克斯韦因得癌症而病故。 麦克斯韦虽然只活了49岁，但他却写了许多篇论文，在物理学方面有：弹性物体的平衡、固体转动定律、土星环的稳定性、颜色视觉、气体分子速率分布等方面的成果，他的主要贡献是电磁场理论和光的电磁学说。人们为了纪念他，把磁通量的单位命名为“麦克斯韦”。

29 二、电磁场理论的建立 麦克斯韦系统地研究了前人关于电磁学的实验成果和理论成就，以他非凡的数学才能，严密的逻辑推理，建立了完整的电磁场理论。他共发表了四篇关于电磁场理论的论文，从这四篇文章中，可以看出麦克斯韦对电磁场理论的建立不是一蹴而成的，而是不断探索，不断深入研究才取得最后的成功。

30 二、电磁场理论的建立 1855年，麦克斯韦发表了《论法拉第的力线》的第一篇论文，麦克斯韦运用类比的方法，把电磁学与流体力学作比较，他把正负电荷比作流体的源和沟、电力线比作流管、电场比作流速等。从而麦克斯韦用数学重新概括了欧姆定律等六条基本定律。

31 二、电磁场理论的建立 1862年，麦克斯韦发表了《论物理的力线》的第二篇论文。提出“位移电流”的假说。
1865年，麦克斯韦发表了《电磁场动力学》的第三篇论文，他用场论的观点对电磁理论进行了总结，他认为电磁相互作用，仅与距离有关而且依赖于相对速度，因此应该从带电体和磁体周围的媒质中发生的过程来考虑问题，而不以超距作用为出发点，从而提出了电磁场理论。

32 二、电磁场理论的建立 麦克斯韦为了对电磁现象能够进行定量的计算，把已经发现的库仑定律、安培定律……高斯定理、环路定理等，用二十个变量列出二十个方程，成为电磁场的一般方程组。现在把电磁场的基本规律只归纳为四个方程，即麦克斯韦方程组的微分形式 。

33 二、电磁场理论的建立 麦克斯韦断定光是一种短波长的电磁波。他在论文中写道：“这一速度与光速如此接近，看来我们有充分的理由断定，光本身（包括热辐射和其他形式的辐射）是以波动形式在电磁场中按电磁波规律传播的一种电磁振动。”这就是麦克斯韦所创立的光的电磁波学说。

34 二、电磁场理论的建立 这样，他把原来互相独立的电学、磁学和光学三个物理部门结合起来，成为十九世纪中叶物理学上实现的一次大综合。
1873年，麦克斯韦发表了《电磁场通论》一书，这是一部集电磁理论之大成的经典著作。

35 三、电磁波的检验 赫兹（公元1857—1894）是柏林大学物理学教授亥姆霍兹的学生，他在老师的影响下，认真钻研了各种电磁学理论，深为麦克斯韦理论所吸引，决心用实验来证实电磁场理论。 1885年，赫兹作了一个放电实验，他作了一个具有初级和次级绕组的振荡线圈。

36 三、电磁波的检验 1886年，赫兹集中精力于验证电磁波是否存在的研究，他用一个感应圈，在近旁再放一个开口回路。
1888年，赫兹测量了电磁波的速度，证实了在直线传播时，电磁波的传播速度与光速相同。接着赫兹又证实了电磁波与光波一样具有反射、折射、聚焦、偏振等性质。从而证实了麦克斯韦光的电磁理论的正确性。

37 三、电磁波的检验 赫兹用实验证实了位移电流和电磁波的存在，证实了电磁波与光波的一致性，这不仅给于电磁场理论以决定性的证明，从而使麦克斯韦的理论得到了人们的普遍承认，而且也为人类利用无线电奠定了重大的实验基础。赫兹因成功的实验而获得了柏林科学院奖。