电磁学的发展知识讲解.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,电磁学的发展,1820,年：安培提出右手定则，解释地磁起因，,建立了安培定律,。,1831,年：法拉第,发现电磁感应,，证实了,电与磁的统一性,。电磁的近距作用理论。,1826,年：确定,欧姆定律,。,1865,：麦克斯韦建立电磁场理论，预测了光的电磁性质,大综合,。,3.1 历史概述,3.2早期的磁学和电学研究,从摩擦起电和磁石引铁开始。指南针。,司南,，春秋战国,1600,年，英国医生,吉尔伯特,(William Gilbert,1540,1603),作出了第一批系统的研究工作。出版了英国的第一部科学著作,磁石,。,1660,年左右，德国科学家格里凯,(1602,1686),发明摩擦起电机（带有转动轴的硫磺球）。,1729,年，英国的格雷（,1670,1736,），引入导体概念,1733,年，法国的杜菲（,1698,1739,）发现绝缘的金属也可以通过摩擦的办法起电，认为所有的物体都可以摩擦起电。,3.2,早期的磁学和电学研究,对磁现象的研究-“小地球”实验：,在论磁性、磁体和巨大地磁体书中，记录了他把一块大天然磁石磨成球形，把小磁针放在球的表面，发现小磁针的方向和在地球上的情况完全一样。由此他认为，地球本身就是一个大磁体，存在南北两磁极。并且存在同性磁极相斥，异性磁极相吸。,莱顿瓶1745年，荷兰莱顿大学教授,马森布洛克,（Musschenbrock),发明了收集电荷的莱顿瓶,。,1746,年：德国的,克莱斯特,和荷兰,穆欣布罗克,几乎同时发明,莱顿瓶,一种储存电的玻璃瓶。,1746,年：富兰克林（,1706,1790,）近,10,年的电学研究。,证明闪电是一种电现象,从云中收集电荷给莱顿瓶充电,得到电火花，证明天电和地电一致。,发现了电荷守恒定律,1750,年，“电不因摩擦玻璃管而创生，而只是从摩擦者转移到了玻璃管，摩擦者失去的电与玻璃管获得的电严格相同”,电荷守恒原理。,3.2,早期的磁学和电学研究,3.3 库仑定律的发现,1755,年，富兰克林发现，电荷只分布在导体表面，导体内部没有静电效应。,1767,年，的普列斯特利,(,英，,1733,1804),推论：,“电的吸引遵从与万有引力相同的定律”,1771,年，卡文迪什（英，,1731-1810,）由电荷只分布在带电体表面的事实，推测出电吸引力或排斥力,“很可能反比于电荷间距离的平方”,。卡文迪什在电学方面的绝大部分研究成果都没有及时发表,对于电学研究的历史发展没有起到实际的作用。,1785,年至,1789,年间，法国军事工程师库仑（,1736,1806,）通过扭秤实验和电摆实验研究了静电的排斥力和吸引力，发表了,4,篇关于电学研究的论文，得出库仑定律。库仑还分别通过扭秤法和摆动法来测定磁力，也得出了同距离平方成反比的规律。,库仑定律的建立，使电磁学进入了定量研究,。,3.3 库仑定律的发现,3.3 库仑定律的发现,3.4,动物电的研究和伏打电堆的发明,发现电流的第一人,：,1791,年，伽伐尼（意）在青蛙身上发现“动物电”电流。,电流的发现，把电学的研究工作从静电推进到动电的领域。,电池的发明：意大利物理学家伏打（,A.Volta,1745-1827,）,1792,年，重复了伽伐尼的实验。,否定了伽伐尼动物电说。认为电来自两种不同金属的接触。,只要将相联接的两种金属浸在液体或潮湿的物质中，就会产生电势差。,1800,年，制成了伏打电池。,得到了拿破仑授予的金质奖章。并成为法国科学院的院士。,伏打的电堆,能够提供莱顿瓶无法给出的持续而强大的电流,，为研究电流的各种效应提供了条件。从此电学进入了飞速发展时期。,3.4动物电的研究和伏打电堆的发明,出生,:,1745,年,2,月,18,日,米兰公国,科莫,逝世,:,1827,年,3,月,5,日（,82,岁）,伦巴第,-,威尼斯王国,科莫,职业,:,物理学家,目前已知的全球第一个电池,Drawing of Alessandro Voltas,voltaic pile,invented in 1800,the first electric battery.It was built of many individual cells,each consisting of a disk of copper and a disk of zinc or silver separated by a disk of cloth soaked in acid or brine.A 23 cell pile like this would have produced around 36 volts.Alterations:removed caption,Voltas original illustation of a Crown of Cups and a Voltaic pile batteries.Published in 1800,35电流的磁效应,吉尔伯特,正确地区分了电力和磁力，但把它们视作,无关的两种现象,。这种认识持续了二百多年。,1735,年，一份刊物上记载了雷电使刀、,钢针磁化的现象,。,1751,年，富兰克林也发现了用莱顿瓶放电的方法可以,使钢针磁化或退磁,。,1820年,丹麦物理学家,奥斯特,(17771851),发现电流的磁效应。,电磁学进入到一个迅速发展的时期。,3.5电流的磁效应,1812年,，奥斯特发表了关于化学力和电力的同一性的研究，总结了他关于电、伽伐尼电流、磁、光、热及化学亲和力的研究成果。,推测电流或许就会产生磁效应,。,1820年4月，奥斯特在一次讲课中,，发现磁针在通电导线的作用下动了一下!这才恍然大悟，原来以前总把电流的磁力想象为纵向，实际应为横向。经过反复实验，查明了电流具有磁效应。1820年7月21日，发表了电流对磁针的作用的实验。,重大意义：,第一个解释出了电与磁之间的内在联系。,为电报和电机的发明开辟了道路。,为电磁场理论的发展奠定了基础。,3.5电流的磁效应,奥斯特的发现,与牛顿力学的基本原理是尖锐矛盾的,。,牛顿力学认为自然界的力只能是作用于物体连线上的吸引或排斥,“,中心力”,，奥斯特的所发现,“,旋转力”,。,打破了电与磁的无关性的传统信条,。,3.5电流的磁效应,3.6 安培奠定电动力学基础,奥斯特的新发现使法国的安培、阿拉果、毕奥、萨伐尔等人作出迅速反应。,安培的一篇论文（,9,月,18,日）：提出了著名的,右手定则,；还提出,磁铁类似于有电流流通的线圈,。用实验证明了,线圈对磁铁有作用,，进而又考察了,线圈之间的相互作用,。在发现圆电流的相互作用后，安培转而研究,线电流的相互作用,。,为了把一切磁的现象都归结为电流间的相互作用，安培提出了著名的,分子电流假说,。这是一个超越了他的时代的假说。,3.6 安培奠定电动力学基础,安培定律的提出,为解释奥斯特效应，,安培把磁的本质归结为电流,，认为所有电磁作用都是电流与电流的作用，称为,“电动力”,。,为了把当时已发现的电磁作用定律综合成一个系统的理论体系，安培像牛顿把质量分解为无数质点那样，把电流设想为无数,电流元,的集合，认为只要找到电流元之间相互作用力的关系式，就可以通过数学方法推导出所有电磁现象的定量结果。,安培认为最核心的概念应该是与质点相对应的实体“电流元”以及它们之间超距作用的有心力，他把这种理论称之为,“电动力学”,。,3.6 安培奠定电动力学基础,从,1820,年,10,月开始寻找“电流元”之间的作用力公式,1820,年,12,月,4,日，提出了著名的安培定律,又一个平方反比规律的发现，是人们对大自然力之间的内在联系有了一个新的认识。安培的工作，为以后电动力学的研究和发展，开拓了一个新的基础。,1827,年，安培才推导出安培定律中的系数,K,。,3.6 安培奠定电动力学基础,安培一开始就决心严格地参照牛顿力学的全套方法处理电磁现象。他说：“首先观察事实，尽可能地变换条件以精确的测量来实现这一步，以便推导出以经验为唯一基础的一般定律，并独立于所有关于产生现象的力的性质的假说来推导这些力的数学值，也就是获得表示它们的公式。这就是牛顿所走过的道路，也是对物理学作出重大贡献的法兰西学术界近年普遍遵循的途径。同样，它也引导着我全力投入到电动力学现象的研究中。”,他所说的,“牛顿所走过的道路”,，即从观察运动现象入手，通过精确的实验研究以找到关于力的规律，然后再以这些力的规律对有关自然现象作出解释和预测。所以安培认为最核心的概念应该是与质点相对应的实体“电流元”以及它们之间超距作用的有心力，他把这种理论称之为“电动力学”。,安培(1775-1836),3.6 安培奠定电动力学基础,麦克斯韦对安培的评价：,“安培借以建立电流之间机械作用定律的实验研究，是科学上最辉煌的成就之一”,。“整个的理论和实验看来似乎是从这位电学中的牛顿 的头脑中跳出来的并且已经成熟和完全装备完了的，它在形式上是完整的，在准确性方面是无懈可击的，并且它汇总成为一个必将永远是电动力学的基本公式的关系式，由之可以导出一切现象。”,3.6 安培奠定电动力学基础,欧姆，德国人，家境贫困，中断大学学业后当了中学老师。后被慕尼黑大学任命为教授。,3.7 欧姆定律的发现,欧姆,在傅里叶的热传导理论的启发下,进行电学研究。,傅里叶假设导热杆中两点之间的热流量与这两点的温度差成正比，然后用数学方法建立了热传导定律。欧姆将付里叶在热学中提出的热流、热阻，,类比,电学中的电流、电阻，温度差类比电势差，猜想导线中两点之间电流也许正比于这两点的某种推动力之差。欧姆称之为电张力（,electric tension,）。,通过实验验证，在,1826,年发现了欧姆定律,，由此与电流相关的物理量可以测定和推出。,3.7,欧姆定律的发现,欧姆开始用伏打电堆作电源。,1821,年塞贝克发明温差电偶后，改用温差电偶做电源。,1826,年,，欧姆先后发表了,两篇论文,。第一篇题为：,论金属传导接触电的定律及伏打仪器和希外格尔倍加器的理论,，报导了他的实验结果。第二篇题为,由伽伐尼电力产生的电现象的理论,，,仿照傅里叶的热传导理论，从理论上推出欧姆定律,。,1827,年，欧姆发表,用数学推导的伽伐尼电路,一书，严格推导了电路定律。,3.7,欧姆定律的发现,小结,吉尔伯特：正确地区分了电力和磁力的同时，认为电和磁是两种截然无关的现象，,这个论断影响了二百多年,。,1660,年，德国格里凯发明摩擦起电机。,德国克莱斯特和荷兰穆欣布罗克于,1745,、,1746,年发明,莱顿瓶,，提供了储存电的有效方法。,1746,年，富兰克林证明了,证明天电和地电的一致,。发现了电荷守恒定律。,1767,年，英国普列斯特利推论：“电的吸引遵从与万有引力相同的定律，即按距离的平方而变化,”,他是真正从实验结果出发进行科学论证而,提出电力反平方律的第一人,。,1771,年，,卡文迪什,已推测出,电力“很可能反比于电荷间距离的平方”,。,1785,1789,年，,库仑,得出完整的,库仑定律,。,静电力平方反比定律的实验验证工作，一直进行着。,1971,年测量出,，同,2,的差值约小于,310,-16,。,1791,年伽伐尼发现电流，,从静电到动电,。,1792-1800,，伏打发明,电堆,。,1820,年，奥斯特发现,电流的磁效应,，电磁学研究进入一个迅速发展的时期。,奥斯特的发现引起的普遍思考：,能不能用磁体使导线中产生出电流来？,迈克尔,法拉第,(Michael Faraday,17911867),19,世纪电磁学领域最伟大的实验物理学家,。,铁匠的儿子，兄妹,10,人。小学没毕业就失学，当了装订工。后成为戴维助手。,1821,年受任为皇家研究所试验室主任。,1824,年被选为皇家学会会员。,1825,年任皇家研究院院长。,3.8,电磁感应的发现,法拉第的贡献,主要贡献,发现电磁感应；,提出力线的思想，为场的理论建立作出贡献；,对光的磁化、电流的化学现象、反磁性发现等有独到见解。,广泛的研究课题,铁合金研究（,1818,1824,）；氯和碳的化合物（,1820,）；电磁转动（,1821,）；气体液化（,1823,，,1845,）；光学玻璃（,1825,1831,）；苯的发现（,1825,）；电磁感应现象（,1831,）；不同来源的电的同一性（,1832,）；电化学分解（,1832,年起）；静电学，电介质（,1835,年起）；气体放电（,1835,年）；光、电和磁（,1845,年起）；抗磁性（,1845,年起）；“射线振动思想”（,1846,年起）；重力和电（,1849,年起）；时间和磁性（,1857,年起）。,3.8,电磁感应的发现,1830,年以前，法拉第主要是一位化学家。具有卓越的化学才能和工艺才能。,化学著作：,1827,年出版,化学操作,（六百多页）。电学和其他研究之外唯一的书。,38,电磁感应的发现,其他人关于电磁感应的探索：,菲涅耳、安培、阿拉果、科拉顿等。,3.8,电磁感应的发现,日内瓦年轻的科拉顿（Jeans Deniel Colladon,18021892）在1825年曾试图用一块磁铁在螺线管中移动使线圈中产生出感应电流。为了排除磁铁移动对灵敏电流计的影响，他用很长的导线把连接于螺线管的电流计放在另一个房间内，他在两个房间里跑来跑去进行实验和观察,3.8,电磁感应的发现,电磁感应的发现：,1831,年,8,月,29,日，,当开关合上有电流通过线圈,A,的瞬间，小磁针发生了偏转，,随后又停在原来的位置上,.,。法拉第想到这就是他寻找近十年的由磁产生电流的现象，并称之为,“伏打电感应”,。,3.8,电磁感应的发现,10,月,17,日，他在一个圆纸筒上绕了多层线圈，将一个圆柱形的磁棒插入线圈的一端。然后把磁棒迅速地插入螺线圈中，这时线圈所连的电流计的指针动了；抽出磁棒时,.,。每次把磁棒塞进或抽出时，这种效应都会重现，这就是所谓,“磁电感应”,现象。,1831,年,11,月,24,日，向皇家学会提交报告，把这种现象定名为,“电磁感应”,，并概括了,五种类型：,变化的电流，变化的磁场，运动的稳恒电流，运动的磁铁，磁场中运动的导体。,1831,年,11,月和,1832,年,1,月，提出了,“电紧张态”,和,“磁力线”,两个新概念,。通过对实验现象的思考，意识到了磁力线的传播是需要时间的。引入了,“电力线”,的概念，设想电力也像磁力一样是通过力线传播的。,1851,年，,论文,论磁力线,，系统地阐述了他所用到的概念，,总结了电磁感应定律,。,3.8,电磁感应的发现,法拉第的力线思想：,电荷和磁极周围的空间充满了力线，靠力线将电荷（或磁极）联系在一起。力线就象是从电荷（或磁极）发出、又落到电荷（或磁极）的一根根皮筋一样，具有在长度方向力图收缩，在侧向力图扩张的趋势。,法拉第力线的,实质是场,，是近距理论的核心。,3.8,电磁感应的发现,铁屑显示的磁力线。取自法拉第的实验笔记，他在笔记中把铁屑固定下来。这种图象帮助法拉第证明和发展了场的概念。,3.8,电磁感应的发现,他设想，在带电体、磁体和电流周围的空间存在着某种由电或磁产生的,象以太那样的连续介质,，起着传递电力和磁力的媒介作用，并称其为,“电场”和“磁场”,。第一次提出的作为,近距作用,的“场”的概念。,类比流体力学,，对场的物理图象作了直观的描述。他,关于力线和场的概念，对传统的科学观念是一个重大突破,，把近距媒递作用观念引进了物理学中，,对电磁学以及整个物理学的发展都产生了深远的影响,。劳厄：,“正确理解电磁现象的带路人”。,3.8,电磁感应的发现,1845,年，他用强电磁铁进行实验发现，物质对磁力的作用类似于介质对电力的作用。,定义了“抗磁体”和“顺磁体”,。并发现，无论是在顺磁体或抗磁体中，磁力线都是连续的曲线，不存在作为“极”的力线的终点。,3.8,电磁感应的发现,1833,年,11,月，楞茨（俄）得出,“楞茨定律”,。,1847,年,赫姆霍兹揭示出，楞茨定律正是,电磁现象符合能量转化与守恒定律的具体表现,。,3.8,电磁感应的发现,五十年代，法拉第的科学活动能力有所减弱。,他力图找出重力和电之间的相互作用,，结果是否定的。但这种探索从法拉第到,爱因斯坦,，,一直到现在仍在继续进行,。,1862,年（,71,岁），做了最后一批实验，试图发现磁场对放在磁场内的,光源,发出的光线的影响，未有结果。原因是仪器还不够灵敏，不能探测到这种微细的效应。,34,年后，塞曼直接从阅读法拉第的实验计划受到启发，他用更精密的仪器重新做实验，发现了,塞曼效应,。,3.8,电磁感应的发现,3.8,电磁感应的发现,法拉第的研究思路,对自然力的统一性、可转化性坚信不移,：“我早已持有一种见解，,即物质之力所表现出来的各种形式具有普遍的起源。”,3.8,电磁感应的发现,2146.,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所具有的各种形态，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相互转化的，而且它们的作用的本领是等效的。现在它们相互转化的证据已积累到庞大的程度，因而可以开始确定它们的等效力。,3.8,电磁感应的发现,法拉第的非凡才智,丰富的想象力,加上足智多谋的实验才能，工作热情和相应的耐性，能够迅速地分辨假象与真正发现的能力，,统观一切的广阔视野,。他还具有一些健全的,哲学思想,，他的深刻的几何学上和空间上的洞察力，以及善于持久思考的能力，,正好补偿了他数学上的不足,。,3.8,电磁感应的发现,“我一直冥思苦索什么是使哲学家获得成功的条件。,是勤奋和坚韧精神加上良好的感觉能力和机智吗？,难道适度的自信和认真精神不是必要的条件吗？,许多人的失败难道不是因为他们所向往的是猎取名望，而不是纯真地追求知识，以及因获得知识而使心灵得到满足的快乐吗？,我相信，我已见到过许多人，他们是矢志献身于科学的高尚的和成功的人，他们为自己获得了很高名望，但是还有一种他们朝思暮想的名声和奖赏，这就是世界对他们的赞扬和奖赏。因此在他们心灵上总是存在着妒忌或后悔的阴影，我不能设想一个人有了这种感情能够作出科学发现。至于天才及其威力，可能是存在的，我也相信是存在的，但是，我长期以来为我们实验室寻找天才却从未找到过。不过我看到了许多人，如果他们真能严格要求自己，我想他们已成为有成就的实验哲学家了。”,3.8,电磁感应的发现,缺陷,法拉第提出了“力线”和“场”这样深刻而伟大的思想，但,未能把他的成果用数学术语概括为精确的定量理论,，他的形象直观的表述也被科学界看作是缺乏理论的严谨性。,3.8,电磁感应的发现,法拉第在科学上没有直接的学生和合作者。他的工作方法，尤其是他思考物理问题的方法，都妨碍了他建立自己的学派。,形式数学知识的缺乏，加上他的丰富和敏捷的想象力，使他难于和别人进行学术交往。,只有麦克斯韦能够真正地探测出他的思想。,“我从来没有学生来帮助我,，我总是自己动手准备实验和做实验，一边工作，一边思考。我认为我不能和别人一起工作，或者把所想的讲出来，或者及时地解释我的思想。有时我和我的助手一起在实验室里好几小时或好几天，他准备讲演用的仪器，或者做清洗工作，我们之间几乎不说一句话。,”,3.8,电磁感应的发现,1813,年起，法拉第总共工作了,40,多年。1860,年前后法拉第的研究活动结束时，写下,8,册日记，达到一万六千多条，,记录他的研究成果、计划、设想和实验经过、成功经验、失败教训。,电磁学方面的工作，汇总在巨著,电学的实验研究,中，共,30,篇，,3362,条。,全书几乎没有一个数学公式,，详尽描述了他的各个实验，深刻分析了它们的物理实质。,3.8,电磁感应的发现,高度评价,他的敏捷和活跃的品质,，难以用言语形容。他的天才光辉四射，使他的出现呈现出智慧之光，,他的神态有一种独特之美,，这有幸在他家里,-,皇家学院见过他的任何人都会感觉到的，从思想最深刻的哲学家到最质朴的儿童。,开尔文,一生最大的发现,，是发现了法拉第。,戴维,我们把法拉第首先看作是科学家中,最有成效最高尚的典型,。,麦克斯韦,铁匠的儿子法拉第，在青年时代的早期，作过装订工人的学徒，临死时是所有科学学会的会员，是,那时物理学家公认的领袖,。,斯托列托夫,3.8,电磁感应的发现,3.9电磁理论的两大学派,大陆派电动力学,：,主张超距论，没有场的概念,安培的超距电动力学,：,理论不能说明电磁感应，也没有包括库仑定律，对静电领域无能为力。,1846,年，德国的韦伯,：,提出“电的力学的一般法则”，把库仑的静电力、安培的电动力和法拉第的电磁感应力统一于一个公式中。韦伯把电流看作是由数量相等的正负两种电荷在同一导线上沿相反方向以同一速度运动构成的，突破了经典力学的中心力概念。,1845,1848,年，德国的纽曼,：,在超距作用力的基础上运用安培的电动力学，发展了电磁感应理论，第一次给这个定律确定了数学形式。,法拉第学派,：,主张近距作用和力线的思想,(,场的观念,),。,高斯,曾企图把通过介质传递电作用的过程表示成数学公式，没有取得成功。,1853,年，德国数学家黎曼,曾用弹性以太模型说明电磁现象，提出了电力传播方程。,麦克斯韦,继承了法拉第的力线思想和近距作用观点，同时吸取了大陆派电动力学的成果，创建了电磁场理论,。,3.9电磁理论的两大学派,建立经典电动力学，统一了电、磁、光现象。,统计力学的创建人之一。,与牛顿、爱因斯坦齐名。,Maxwell,麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831-1879),3.10麦克斯韦电磁场理论的建立,法拉第,十九世纪最伟大的实验,物理学家,麦克斯韦,十九世纪,最伟大的理论物理学家,。现代电学理论的,奠基人,，热力学和统计力学的,创建者之一,。,普朗克：“,麦克斯韦的光辉名字,将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界”。,1831,年,6,月,13,日出生于爱丁堡。,1847,年入爱丁堡大学，三年后转入,剑桥大学学习数学,，威廉,汤姆孙当时已是这个学院的教授。,1854,年以一等优异成绩毕业,留校任教。,曾在阿伯丁和伦敦的国王学院执教,.,在父亲,1865,年死后即回苏格兰家乡继承产业，并从事个人研究。,1871,年，被说服返剑桥大学，受聘,创建剑桥大学卡文迪什实验室,，并任,第一任主任,。,1879,年,11,月,5,日，麦克斯韦在剑桥死于癌症，,年仅,48,岁,。,3.10麦克斯韦电磁场理论的建立,麦克斯韦第一任卡文迪许教授,立下了建设实验室的宗旨:“主的作为是精深博大的,发掘你所感兴趣的东西吧!”(圣经名言,刻在实验室的大门上),在剑桥时，打下了,扎实的数学基础,，为数学分析和实验研究紧密结合创造了条件。,阅读了,W.,汤姆生的科学著作,，十分赞同法拉第提出的新观点，,精心研究法拉第的,电学的实验研究,。,以法拉第的力线概念为指导,，透过这些似乎杂乱无章的实验记录，看出了它们之间实际上贯穿着一些简单的规律。,3.10麦克斯韦电磁场理论的建立,依据,库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等,前人的一系列发现和实验成果。,建立了,第一个完整的电磁理论体系；,预言了,电磁波的存在；,揭示了,光和电磁现象本质的统一性；,完成了,物理学的,又一次大综合,。奠定了现代的电力、电子和无线电的基础。,在天体物理学、气体分子运动论、统计物理学等方面，也作出了卓越的成绩。,3.10,麦克斯韦电磁场理论的建立,麦克斯韦,建立了,完整的电磁理论体系；,预言了,电磁波的存在；,揭示了,光的电磁本性；,完成了,物理学的,第二次大综合,；,奠定了现代电力、电子和无线电的基础。,库仑,高斯,欧姆,安培,毕奥、萨伐尔,法拉第,1,2,3,4,5,6,3.10麦克斯韦电磁场理论的建立,麦克斯韦电磁场理论的建立过程,W,汤姆逊,以理论物理学家的素养，对法拉第的理论进行了类比研究和数学概括，有力地支持了法拉第通过力线表达出来的近距作用观点，为麦克斯韦电磁学数学理论的研究提供了方向性和方法论的启示。,3.10麦克斯韦电磁场理论的建立,麦克斯韦电磁场理论的建立过程,第一篇论文,论法拉第力线,（,1856,年）。,法拉第的,力线概念获得了精确的数学表述,，并由此导出了库仑定律和高斯定律。,只是限于把法拉第的思想翻译成数学语言,，还没有引导到新的结果。,认识到类比只能对各种物理现象的共性作出几何学的抽象。电磁现象有别于流体力学现象，电与磁也各有其特殊的性质。,3.10,麦克斯韦电磁场理论的建立,第二篇论文,论物理力线,（,1861,年）。,从物理的角度研究法拉第力线，提出力线的机械模型,电磁以太模型,。提出,位移电流和涡旋电场,两大重要假设。取得了对电磁现象认识的,决定性突破,，为最终创立电磁场理论奠定了基础。,进一步发展了法拉第的思想，扩充到,磁场变化产生电场,，而且得到了新的结果：,电场变化产生磁场,，由此预言了电磁波的存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示了光的电磁本质。包括了麦克斯韦研究电磁理论达到的主要结果。,第三篇论文,电磁场的动力学理论,(,1864,年,),。,运用场论观点，以演绎法建立了系统的电磁理论。,用场的观点总结了电磁理论,，构建了全新的理论框架。从他的方程组直接推导出磁干扰传播的,波动方程,，证明了磁扰动的,横波性质,，并再次证明了这个传播速度就等于韦伯实验中的数值。他写道：,“这个速度与光的速度如此接近，因而我们有充分理由得出结论说，光本身（包括热辐射和其他辐射）是一种电磁扰动，它按照电磁定律以波的形式通过电磁场传播。,”,3.10,麦克斯韦电磁场理论的建立,1873,年出版,电磁通论,。,集电磁学大成的划时代著作，全面地总结了,19,世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，,建立了完整的电磁理论体系,。这是一部,可以同牛顿的,自然哲学的数学原理,、达尔文的,物种起源,和赖尔的,地质学原理,相媲美的里程碑式的著作。,3.10麦克斯韦电磁场理论的建立,1856年,论法拉第力线,。运用,类比方法,研究法拉第力线，成功地,实现了关于法拉第力线的数学表述,。,1861年,论物理力线,。从物理的角度去研究法拉第力线，提出一个关于力线的机械模型，即,电磁以太模型,。创造性地提出,位移电流和涡旋电场,的两大重要假设。取得了对电磁现象认识的决定性突破，为最终创立电磁场理论奠定了基础。,1865年,电磁场的动力学理论,。,用场的观点总结了电磁理论,，,构建了全新的理论框架。从他的方程组直接推导出磁干扰传播的,波动方程,，,证明了磁扰动的,横波性质,，,并再次证明了这个传播速度就等于韦伯实验中的数值。,3.10,麦克斯韦电磁场理论的建立,1856年,1861年,1865年,论法拉第力线,。,运用,类比方法,研究法拉第力线，成功地,实现了关于法拉第力线的数学表述,。,论物理力线,。从物理的角度去研究法拉第力线，提出一个关于力线的机械模型，即,电磁以太模型,。创造性地提出,位移电流和涡旋电场,的两大重要假设。取得了对电磁现象认识的决定性突破，为最终创立电磁场理论奠定了基础。,电磁场的动力学理论,。,用场的观点总结了电磁理论,，,构建了全新的理论框架。从他的方程组直接推导出磁干扰传播的,波动方程,，,证明了磁扰动的,横波性质,，,并再次证明了这个传播速度就等于韦伯实验中的数值。,Process,3.10,麦克斯韦电磁场理论的建立,麦克斯韦成功的基本要素,寻找不同现象之间的,联系,。,重视科学,方法,的应用,。“为了采用某种物理知识而获得物理思想，我们应当了解物理相似性的存在。,利用这种类似，可以用其中之一，说明其中之二。”,想象力丰富，大胆猜测假设,。,对理论完美和谐的不懈追求,。他认为：自然界是和谐的，一种反映自然规律的理论，如果框架上不完善，不和谐，也就意味着要进一步改进和探索。,3.10,麦克斯韦电磁场理论的建立,麦克斯韦,成功的要素,寻找不同现象之间的,联系,重视科学,方法,的应用。“为了采用某种物理知识而获得物理思想，我们应当了解物理相似性的存在。”,想象力丰富，大胆,猜测,假设。,对,理论完美和谐,的不懈追求。他认为：自然界是和谐的，一种反映自然规律的理论，如果框架上不完善，不和谐，也就意味着要进一步改进和探索。,3.10,麦克斯韦电磁场理论的建立,麦克斯韦理论,完美的对称性,电场和磁场的对称性,空间和时间的对称性,3.10,麦克斯韦电磁场理论的建立,3.11 赫兹发现电磁波实验,德国物理学家，生于汉堡。基尔霍夫和亥姆霍兹的学生。,1888,年，用实验证实了电磁波的存在。,于,1894,年元旦因血中毒逝世，,年仅,36,岁,。,赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,18571894),贡献及意义,最伟大的贡献是,用实验证实了电磁波的存在,。,由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得,决定性的胜利,。,1888,年是近代科学史上的一座里程碑。,赫兹的发现具有划时代意义,：证实了麦克斯韦的理论，开创了无线电电子技术的新纪元。,3.11,赫兹发现电磁波,赫兹之前的工作：,赫姆霍茨在,1847,年得出结论：莱顿瓶的放电具有振荡的性质；,1853,年，,W,汤姆逊对这个现象给予了数学处理。,1879,年，柏林科学院,有奖征文,：“,用实验建立电磁力和绝缘体介质极化的关系”,，要求证明以下假设：（,1,）如果位移电流存在，必定会产生磁效应；（,2,）变化的磁力必定会使绝缘体介质产生拉移电流；（,3,）在空气或真空中，上述两个假设同样成立。成为赫兹进行电磁波实验的先导。,3.11,赫兹发现电磁波实验,赫兹的研究：,1885,年：利用振荡线圈发现当初级绕组中输入一个脉动电流时，次级绕组两端的狭缝中间便会产生电火花,电磁共振现象,。,1886,年：设计出电磁波检验器，确证了,“电磁感应是以波动形式在空气中传播的。”,1887,：设计出“感应平衡器”，,确证了“位移电流”的存在,。,1888,年,3,月：,确证了电磁波的速度等于光速,。成果总结在,论动电效应的传播速度,一文中。,3.11,赫兹发现电磁波实验电磁波的应用：,俄国科学家,波波夫,（,1859,1906,）首获成功。,1901,年，,马可尼,成功实现了跨越大西洋的无线电通讯，电磁波传递的莫尔斯电码清晰地在,3600,千米以外的大西洋彼岸被接收到。马可尼获得了,1909,年的诺贝尔物理学奖。,1910,年，美国出现无线电广播。,无线电报,(1901),广播,(1906),电话,(1916),传真,(1923),电视,(1929),微波,(1933),雷达,(1935),卫星通讯,3.11,赫兹发现电磁波实验,3.11,赫兹发现电磁波实验,爱迪生（,1827-1931,）：在专利局的发明有,1328,项，平均,15,天一项发明,。,3.11,赫兹发现电磁波实验,3.12麦克斯韦电磁场理论的发展,Maxwell,未决重大问题：,电磁场是怎样产生的？,麦克斯韦之后的工作：,1870,年，赫姆霍兹用能量守恒原理讨论电磁场。,1884,1890,年，赫兹完善麦克斯韦理论,1892,年，洛伦兹作出重大修正，提出经典电子论,电子的运动是一切电磁场的根源,。,洛仑兹的,主要贡献,磁光研究,；,补充和发展了经典的电磁学理论，,创立了经典电子论,；,确定了电子在磁场中所受的力，即,“洛仑兹力”,；,提出了,“洛仑兹变换”,，为爱因斯坦创建“狭义相对论”开辟了道路爱因斯坦称洛仑兹为“我们时代最伟大、最高尚的人”。,3.12,麦克斯韦电磁场理论的发展,经过几百年的发展，科学大厦即将完工；经典物理学的困难：物理学革命孕育在经典物理学内部,英国皇家学会（,The Royal Society,）简介,一个独立的、享有慈善机构特权的组织，,世界上历史最长而又从未中断过的科学学会。,起全国科学院的作用。,创建于,1660,年,11,月,28,日。当时,12,名哲学家发起成立,“一所学院推广数理试验的学习”,。,1663,年第二个英皇宪章中，学会被称为,“推广自然知识的伦敦皇家学会”,（,The Royal Society of London for Improving Natural Knowledge,）。,自,1915,年以来，历任会长都是诺贝尔奖金获得者,。,现有,1400,名院士及外国成员。院士来自英国及英联邦的著名科学家、工程师和科技人员。,现任会长：里斯勋爵。,2005,年,11,月,-,。,位于伦敦的皇家学会会所,参考文献,从落体到无线电波,经典物理学家和他们的发现,.,美,埃米里奥,赛格雷著,一些网址,www.physicsweb.org/,cn.arxiv.org/,sciencenow.sciencemag.org/,感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,