电磁场的发展.doc

电磁场发展的历史回顾

电磁场理论发展的历史回顾
第一部分 概述
人类对电磁现象的认识经历了相当长的时间。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。真正对电磁现象进行研究是从英国御医吉尔伯特开始，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年米切尔提出磁极间的作用力服从平方反比定律。1785年公布了用扭秤实验得到了电力的平方反比定律，即著名的库伦定律，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研究阶段，开始了电磁学的新纪元。此后，19世纪二三十年代成了电磁学大发展的时期。1831年法拉第发现了电磁感应现象，证实了电与磁的统一性，而麦克斯韦从理论上总结了法拉第的物理观念，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，实现了物理学史上第三次大综合。
第二部分 电磁场的早期研究
1. 中国古代的电磁学
a) 对磁现象的认识。
公元前4世纪左右成书的《管子》中有“上有磁石者，其下有黄金”，这是关于磁的最早记载。《吕氏春秋》中也曾写道“磁石召铁，或引之也”。磁石可以指南的性质是我国人民的重大的发现。北宋时期的政治家和科学家沈括，在《梦溪笔谈》中记有“方家以磁石磨针锋，则能指南”，此外，他还发现了地磁偏角。
b) 对于电现象的认识
从雷电和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。王充在《论衡，雷虚篇》中写道：“云雨至则雷电击”，明确地提出云与雷电之间的关系。《淮南子，坠行训》中提到：“阴阳相薄为雷，激扬为电”，即雷电是阴阳两气对立的产物。明代刘基也说：“雷者，天气之郁而激而发也。阳气困于阴，必破，迫及而迸，迸而声为雷，光为电。我国古代电磁现象的记载虽多，却仅停留在现象的描述上。
2. 电磁现象的早期研究
第一个系统进行研究的是英国伊丽莎白女王的御医吉尔伯特，他著有《论磁，磁体和地球作为一个巨大的磁体》一书，以详细的实验检验和复杂的推测，展示了自己的科研成果。
3. 静电学的早期研究
（1）1663年德国马德堡的盖立克制造了一种用摩擦产生大量电荷的起电机。
（2）1729年英国人格雷研究导电现象，做了人体带点实验，并把物体分成非电性物体和电性物体。
（3）1733年法国人杜菲通过实验发现电荷有两种：树脂型的和玻璃型的，即负电和正电。
（4）德国卡明大教堂的副主教冯克莱斯特和荷兰莱顿大学的物理学教授马森布洛克于1745～1746年分别独立地发明了莱顿瓶。
（5）1746年美国人富兰克林对莱顿瓶的功效进行深入的分析，做了有名的“风筝实验”，证实了雷电也是一种电现象。
4. 定量研究的开端---库伦定律的发现（略）。
5. 电流磁效应的发现（见详细报告）。
第三部分 电磁场及电磁波的由来
19世纪初，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。他深信电与磁有联系。终于在1920年4月发现当接通电源有电流通过导线时，导线附近的磁针会发生偏转。
经历了10年之久的无数次失败之后，法拉第终于发现了电磁感应现象，认识到磁在发生某种“变化”的情况下会产生电。后来，法拉第提出了“场”的概念。两个带电体之间有力的作用，两根通电导线之间也有力的作用，为什么两个不接触的物体之间会有力的作用呢？牛顿在发表他的万有引力定律时，曾简单的认为引力是不需要物质传递，也不需要任何传递时间的一种作用。这种“超距作用”观点虽曾使牛顿本人深感困惑，但由于牛顿的权威，还是被当时大多数人所接受，并用于解释电荷之间和电流之间的相互作用。法拉第极具想象力，他认为，任何相互作用都不可能是超距的，而应通过某种媒质来传递。在电荷、电流或磁体周围存在着一种“场”的物质，正事这种“场”传递着电或磁的作用。实际是，早在1831年，法拉第就发现了“磁力线”。他用一张纸盖在磁棒上，撒上铁屑便形成了“磁力线”图形。于1845年，他才形成和明确提出了“场”的概念，这种看不见的“场”可用“力线”来形象的描绘。法拉第关于“场”的概念及其“力线”是物理学中具有开创性的见解。爱因斯坦认为:场的概念的提出“是自牛顿的时代以来最重要的发明”。“用在描述描述物理现象最重要的不是带电体，也不是粒子，而是带电体之间与粒子之间的空间中的场，这需要很大的科学想象力才能理解。”爱因斯坦还说过：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动者进步，并且是知识进化的源泉。”
与法拉第一样，麦克斯韦也是一位具有想象力的科学家，他把场、力线与流体、流线作类比，即把正负电荷比作流体的源于汇、电力线比作流线、电场强度比作流速等，从而可以用研究流体的数学方法来描写电场或磁场，把法拉第的物理“翻译”成数学。麦克斯韦抓住了电磁理论的两根主线：其一是“变化的磁场产生电场”，这是法拉第发现电磁感应现象之后提出的；另一则是“变化的电场产生磁场”，这是麦克斯韦根据奥斯特发现电流的磁效应等加上他本人的创造后建立的。认识到电场和磁场在“变化”的情况下，形成不可分割的和谐统一体---电磁场，并把电磁场的基本规律用及其精辟的数学语言---四个方程表达出来。这就是著名的麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组是他所建立的电磁场理论体系的核心，也是继牛顿之后人类对自然界认识的又一次大综合。
麦克斯韦方程组的一个重要结果就是预言了电磁波的存在。从麦克斯韦方程组可以推得：变化的电场在其周围产生与之垂直的磁场，变化的磁场在其周围也会产生与之垂直的电场，变化的电场和变化的磁场沿着与两者均垂直的方向传播，这就是电磁波。
1886年10月，赫兹在做一个放电实验时，偶然发现其近旁的一个线圈也发出火花，他敏锐的想到这可能是电磁共振。回路中的振荡电流在电容器的两极间形成交变电场，变化的电场产生磁场，变化的磁场又产生电场，从而形成电磁波，电磁波的交变电磁场使附近开口的金属圈中也产生高频振荡，高压致使开口处发生火花。赫兹的实验轰动了当时整个物理学界，全世界许多实验室立即投入了电磁波及其应用的研究。人们进行了许多实验，不仅证明了光是一种电磁波，而且发现了更多形势的电磁波。
第四部分 重大历史事件及重要理论的提出
1. 16世纪，诺曼在《新奇的吸引力》一书中描述了磁倾角的发现。
2. 1600年吉尔伯特著《磁石》一书，系统地论述了地球是个大磁
a) 描述了许多磁学实验，初次提出了摩擦吸引轻物体不是由于磁力。
3. 1745年克莱斯特发明了储存电的方法；次年马森布洛克在莱顿又独立发明莱顿瓶。
4. 1747年富兰克林发表了电的单流质理论，提出了正点和负电的概念。
5. 1750年提出磁力平方反比定律。
6. 1752年富兰克林做风筝实验：引天电到地面。
7. 1820年，奥斯特发现了导线通电产生磁效应。
8. 1822年，安培进一步研究电流之间的相互作用，提出了安培作用率定律。
9. 1831年，法拉第发现了电磁感应现象。
10. 1834年，楞次建立了楞次定律。
11. 1845年，法拉第发现了强磁场使光的偏振面旋转，称为法拉第效应。
12. 1857年韦伯与柯尔劳胥测定了电荷的静电单位和电磁单位之比，发现了该值接近于真空中的光速。
13. 1864年，麦克斯韦提出了电磁场的基本方程组，并推出电磁波的存在，预测光是一种电磁波，为光的电磁理论奠定了基础。
14. 1869年安德纽斯由实验发现了气-液相变的临界现象。希托夫用磁场使阴极射线偏转。
15. 1884年霍尔发现了电流通过金属，在磁场作用下产生横向电动势的霍尔效应。
16. 1887年赫兹做电磁波实验，证实了麦克斯韦的电磁场理论。同时他发现了光电效应。
17. 1895年洛仑兹发表了电磁场对运动电荷作用力的公式，即洛仑兹力。
18. 1896年塞曼发现了磁场使光谱线分裂 ，称塞曼效应。
19. 1901年考夫曼从镭辐射线测贝塔射线在电场和磁场中的偏转，从而发现了电子质量随速度变化。
20. 1907年，外斯发表了铁磁性的分子场理论，提出了磁畴假设。
21. 1919年卢瑟福首次实现了人工核反应。
22. 1947年库什精确测量了电子磁矩，发现了实验结果与理论预计有微小偏差。
第五部分 重要发现及定律
1. 法拉第---法拉第电磁感应
2. 吉尔伯特---“小地球”实验
3. 安培---安培环路定律
4. 奥斯特---电流的磁效应
5. 富兰克林---“风筝实验”
6. 赫兹---放电试验
7. 卡文迪许---卡文迪许扭秤实验
8. 楞次---楞次定律
9. 麦克斯韦---麦克斯韦方程组
10. 伦琴---伦琴射线

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