一. 早期的电磁学研究 1777年,法国物理学家库仑通过研究毛发和金属丝的扭转弹性而发明了扭秤,如图2所示。1785-1786年,他用这种扭秤测量了电荷之间的作用力,并且从牛顿的万有引力规律得到启发,用类比的方法得到了电荷相互作用力与距离的平反成反比的规律,后来被称为库仑定律。 在早期的电磁学研究中,还值得提到的一个科学家是大家都已经在中学物理课本中学过的欧姆定律的创立者-欧姆。欧姆,1787年3月16日生于德国埃尔兰根城,父亲是锁匠。父亲自学了数学和物理方面的知识,并教给少年时期的欧姆,唤起了欧姆对科学的兴趣。16岁时他进入埃尔兰根大学研究数学、物理与哲学,由于经济困难,中途缀学,到1813年才完成博士学业。欧姆是一个很有天才和科学抱负的人,他长期担任中学教师,由于缺少资料和仪器,给他的研究工作带来不少困难,但他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈地进行科学研究,自己动手制作仪器。 欧姆对导线中的电流进行了研究。他从傅立叶发现的热传导规律受到启发,导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为,电流现象与此相似,猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力,即现在所称的电动势,并且花了很大的精力在这方面进行研究。开始他用伏打电堆作电源,但是因为电流不稳定,效果不好。后来他接受别人的建议改用温差电池作电源,从而保证了电流的稳定性。但是如何测量电流的大小,这在当时还是一个没有解决的难题。开始,欧姆利用电流的热效应,用热胀冷缩的方法来测量电流,但这种方法难以得到精确的结果。后来他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤结合起来,巧妙地设计了一个电流扭秤,用一根扭丝悬挂一磁针,让通电导线和磁针都沿子午线方向平行放置。再用铋和铜温差电池,一端浸在沸水中,另一端浸在碎冰中,并用两个水银槽作电极,与铜线相连。当导线中通过电流时,磁针的偏转角与导线中的电流成正比。实验中他用粗细相同、长度不同的八根铜导线进行了测量,得出了欧姆定律,也就是通过导体的电流与电势差成正比与电阻成反比。这个结果发表于1826年,次年他又出版了《关于电路的数学研究》,给出了欧姆定律的理论推导。 欧姆定律发现初期,许多物理学家不能正确理解和评价这一发现,并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视,经济极其困难,使欧姆精神抑郁。直到1841年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌,才引起德国科学界的重视。 二.安培和法拉第奠定了电动力学基础 既然电流有磁效应,那么磁是否也会有电流效应呢?根据物理的相互作用原理,这个结果应该是显然的,因此不少人为此做了很多实验,试图发现磁的电流效应。但是这个现象直到奥斯特发现电流磁效应的10多年后,才被英国物理学家法拉第和美国物理学家亨利发现。
法拉第是一个伟大的实验物理学家,他在电磁学方面的主要贡献就是现在称之为法拉第电磁感应定律,并且提出了力线和场的概念。前面提到的安培和奥斯特等人的工作说明了电和磁之间存在着必然的联系,法拉第发现的电磁感应定律比他们前进了一大步。他用实验证明了电不仅可以转化为磁,磁也同样可以转变为电。运动中的电能感应出磁,同样运动中的磁也能感应出电。法拉第的发现为大规模利用电力提供了基础,后来人们利用法拉第电磁感应定律制造了感应发电机,从此蒸气机时代进入了电气化时代。1831年,法拉第用铁粉做实验,形象地证明了磁力线的存在。他指出,这种力线不是几何的,而是一种具有物理性质的客观存在。从这个实验说明,电荷或者磁极周围空间并不是以前那样认为是一无所有的、空虚的,而是充满了向各个方向散发的这种力线。他把这种力线存在的空间称之为场,各种力就是通过这种场进行传递的。 法拉第精于实验研究,麦克斯韦擅长于理论分析概括,他们相辅相成,导致了科学上的重大突破。1855年,24岁的麦克斯韦发表了他的论文《论法拉第的力线》,对法拉第的力线概念进行了数学分析。1862年,他继续发表了《论物理的力线》。在这篇论文中,他不但解释了法拉第的实验研究结果,而且还发展了法拉第的场的思想,提出了涡旋电场和位移电流的概念,初步提出了完整的电磁学理论。 1873年,麦克斯韦完成了电磁理论的经典著作《电磁学通论》,建立了著名的麦克斯韦方程组,以非常优美简洁的数学语言概括了全部电磁现象。这一方程组有积分形式和微分形式。其积分形式有四个等式组成。 ,就是说通过任意闭合曲面的电通量等于它包围住的自由电荷的代数和 ,说明在任何电场中电场强度沿着任意闭合曲线的积分等于通过此闭合曲线包围面积的磁通量随时间变化律的负值。 ,即在任何磁场中,通过任意封闭曲面的磁通量等于零。 ,说明任何磁场中磁场强度沿着任意闭合曲线的积分等于通过此闭合曲线所包围面积内的全电流。 通过麦克斯韦的科学经历,我们可以看到数学在物理学科中的重要作用。麦克斯韦精通数学,他用精确的数学语言把实验结果升华为理论,用数学完美的形式使得法拉第的实验结果更加和谐美丽,显示了数学的巨大威力。 由于没有实验的验证,麦克斯韦理论当时得不到大多数科学家的理解。物理学家劳厄说:“象赫尔姆赫兹和玻尔兹曼这样有异常才能的人为了理解它也需要花几年的力气。”因此,支持他理论的科学家就更加少了。1883年,赫兹注意到一个有关的新研究,有人提出,如果电磁波存在,那么莱顿瓶在振荡放电的时候,应该产生电磁波。1886年,赫兹在进行放电实验时,发现近傍一个没有闭和的线圈也出现了火花,他得到启发,很快制出了可以检测电磁波的电波环。如图9所示,电波环的结构非常简单,在一根弯成环状的粗铜线两端,安上两个金属球,小球间的距离可以进行调整。赫兹经历了无数次失败,不断改变实验设计和装置,反复调整实验仪器。终于观察到,调节电波环的两个金属球之间的间隙,当感应圈两极的金属球之间有火花跳过时,可以使在电波环的间隙处也有火花跳过,这样,他就终于检测到了电磁波。 |
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