《电磁学的发展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁学的发展（94页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章 电磁学的发展,从摩擦起电和磁石引铁开始 前6、7 世纪：发现磁石吸铁、磁石指南、摩擦生电。1600年：英国人吉尔伯特出版磁石，认为电和磁是截然无关的现象。1660年：格里凯发明摩擦起电机1745年：发明莱顿瓶。,3.1 历史概述,1750年：米切尔提出磁极之间的作用力服从平方反比定律。1785年：库仑公布了用扭秤实验得到电力的平方反比定律。1780年：伽伐尼发现动物电1800年：伏打发明电堆1820年：奥斯特发现电流的磁效应。,3.1 历史概述,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
2、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, 15401603)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(16021686)发明摩擦起电机（带有转动轴的硫磺球）。1729年，英国的格雷（16701736），引入导体概念1733年，法国的杜菲（16981739）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
3、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（17061790）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
4、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，17331804)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
5、事工程师库仑（17361806）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
6、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
7、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
8、Cups and a Voltaic pile batteries. Published in 1800,3.5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。
9、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
10、、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
11、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
12、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”
13、。,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
14、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
15、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
16、，卡文迪什已推测出电力 “很可能反比于电荷间距离的平方”。17851789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。,
