经典电磁场理论的建立

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1、1经典电磁场理论的建立经典电磁场理论的建立1、电磁场理论的建立、电磁场理论的建立1755 年，普里斯特列（Priestley J，17331804）通过类比，猜测到电荷间的电力也与物质间的引力 一样，服从平方反比定律。10 年后，库仑与卡文迪许不约而同地通过扭秤实验总结出电相互作用和磁相 互作用的平方反比定律。库仑定律与万有引力定律的惊人相似。促使人们将引力领域的超距作用思想移 接到电磁领域中。由此开始，超距作用的思想和方法便在电磁领域中迅速扩展，并取得了一系列丰硕成 果。其中又以法国的安培所取得的成就最为世人瞩目。安培实际上是想仿照力学的理论结构来建立电磁 理论的。因此，他认为最核心的概念应

2、该是与质点相对应的作为实体的电流元以及它们之间能超距作用 的有心力。他把自己的理论取名为“电动力学” 。安培的电动力学，作为将当时所知道的一切电磁现象用 超距有心力的作用来说明的理论，的确十分出色。但是，运用建立在超距有心力基础上的安培理论来解 释 i831 年法拉第 发现的电磁感应现象时，却显得力不从心。1845 年，德国的纽曼（Neumann F E，17981895）发展了安培的电动力学思想，并成功地解释了电 磁感应定律。纽曼考虑了两个载流线圈的情况，他把其中一个叫施感线圈，另一个叫被感线圈。当施感 电流线圈运动时，两个线圈的相互作用将发生变化，他假设被感电流线圈中的感应电动势与两线圈相

3、互 作用能的变化率成正比，并根据楞次定律而加上一个负号，于是：dltAtr式中 dl 是被感电流的线元，积分沿被感电流回路 1 进行，而矢量 A 定义为：rl diAr式中 A 是一个电流的位置函数，纽曼称之为电动力学势。 一年后，德国电动力学的另一位创始人韦伯在 安培定律的基础上提出了所谓的韦伯电作用定律： 22222221211dtcrrd drdr creeF式中 el、e2表示电量。c 表示光速。它将库仑的静电力、安培的电动力和法拉第的电磁感应力统一在一个 公式中，1847 年亥姆霍兹创立了能量守恒与转化定律，在电磁学领域深刻阐述了能量原理。韦伯和纽曼 的理论提供了当时欧洲大陆上关于电

4、磁理论所做的几乎全部工作的出发点。正当精通数学的大陆派物理 学家们遵循超距作用思想满怀信心地向电磁学理论高峰攀登的时候，海峡对岸的一位只有初等数学知识 但富有哲学头脑的物理学家却悄无声息地开辟了电磁学研究的新方向。他就是法拉第。2、法拉第关于场的思想、法拉第关于场的思想法拉第是伟大的物理学家，生于 1791 年 9 月 22 日，他的父亲是一个铁匠。由于家境贫寒，他 12 岁 就去伦敦谋生，当了一年报童，后又到一家书店当装订工。由于一个偶然的机会，法拉第成了英国大化 学家戴维的助手，并在化学领域取得了一系列成果，1820 年以后，法拉第从化学领域转到物理学方面。提出场的观点是法拉第对于物理学发

5、展作出的最伟大贡献之一。从法拉第开始到现在，对场的本质 认识基本上有三种看法：一种是力场，如磁力场，电力场和重力场等；另一种是实体场，如认为场是物 质的一种表现形式；再一种就是实在场，即场为实在或万物之本源，如认为物质是场的凝聚或密度大的 地方。法拉第对场的认识过程经历了前两个阶段。法拉第关于力场的概念是在他用在空间中传递和分布的磁力线观点解释电磁感应现象的过程中形成 的。法拉第通过一系列实验后认识到，电力和磁力可以脱离发射它的物体而独立地存在于空间，并有传 递的时间和过程。法拉第于 1832 年 3 月 12 日交给英国皇家学会存档的密封信清楚地表明了这一点（该2信于 1938 年才启封公开

6、）：“前不久在皇家学会上宣读了题为对电作的实验工作的两篇论文，文中所介绍的一些研究成 果，以及由于其他观点与实验而产生的一些问题，使我得出结论：磁作用的传播需要时间，即当一个磁 铁作用于另一个远处的磁铁或者一块铁时，产生作用的原因是逐渐地从磁体传播开去的；这种传播需要 一定时间，而这个时间显然是非常短的。我还认为，电感应也是这样传播的。我认为磁力从磁极出发的 传播类似于水面上波纹的振动或者空气粒子的声振动”实体场概念意味着场是一种实体。法拉第实体场概念的形成 还与他从传统原子论的相信者转变为 波斯考维奇原子论的推崇者透切相关。按照波斯考维奇的原子论，原子是不可分和不可变的最小单元， 与以道尔顿

7、为代表的传统原子论不同的是，他认为原子有质量，但无大小和形状。从波斯考维奇原子论 出发，法拉第意识到原子具有非原子性（粒子性） 。并进而认为波斯考维奇的原子仅仅是“力或动力的中 心，而不是物质的粒子，力就留在力心上” 。他假定，原子之间是由力气（atmosphere of force）构成的空 间，如果这个空间“必定是导体” ，就可解释不相接触的粒子构成的物体具有导电性和导磁性的原因。不 由力气构成的空间则是绝缘的，它可以解释绝缘现象。法拉第的实体场概念是沿着这样的研究顺序提出来的：磁力线电化学光的偏振性导磁 性和导电性批判传统的原子概念转而相信波斯考维奇的力心原子磁场场。离子的发现在他 对传

8、统原子论的信仰上投下阴影，光的偏振性实验促使他发现顺磁性和抗磁性及研究材料的导电性，并 试图以力心和力取代原子进行解释。但是，磁力线是循环的，并以磁铁为居留所，空间导电无法解释绝 缘现象，空间不导电又难以说明导电现象。这就使他寻求一种更合理的解释，因而迫使他以力心取代原 子，构成力心与力线结合并分布于空间的想法，并进而把力实体化。法拉第相信无数的力和力心结合体 既可密集成有形体和质量的实体，又可形成分布于空间的实体。这就是实体场。这样，法拉第便建立起 一种不同于超距作用理论的电磁近距作用定性理论。由于企图用力学的图像来解释电磁现象，使得法拉 第的“场”观念中包含了许多机械唯物论的观点。但是，他

9、所提出的崭新的场的概念为电磁场理论的建 立奠定了坚实的基础却是不可否认的。法拉第关于力线场的概念对于电磁学的发展以及整个物理学的发展都是很有影响的。几十年后， JJ汤姆逊评论说：“在法拉第的许多伟大的贡献之中，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明而富有启发性地表示出来。 ”爱因斯坦也曾给法拉第的工作以高度评价， 认为法拉第在电学中的地位，相当于伽利略在力学中的地位。爱因斯坦尤其称赞了法拉第所建立的“场” 的新概念：“这样就奠定了同牛顿的物理学原则上不同的物理学的基础，同时在逻辑的一贯性上明显 地超过牛顿的物理学。因此相对论不过是场论的下一个发展阶段。 ”著名

10、科学史家丹聂尔（Dantell J）也 指出：“法拉第奠定了实用电学的三大部门，即电化学、电磁感应与电磁波的基础。而且他坚持主张电 磁场具有极大的重要性，这也是现代物理学理论有关电的方面的历史起点。 ”3、电磁理论之集大成：麦克斯韦、电磁理论之集大成：麦克斯韦法拉第的创造性工作奠定了电磁学的物理概念基础，但是由于法拉第不懂数学，不能用精确的数学 语言表述他的物理思想。在他总结性的著作电学实验研究一书里，几乎找不到一条数学公式，以致 有人认为它只是关于电磁实验的实验报告，谈不上是一部科学论著。另一方面，由于分析力学的高度发 达，电磁学领域每取得一个突破性的定律，就有数学一物理学家将之用严密精确的

11、数学公式数学化。库 仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律均很快被表述成一般的数学形式，现在就等待着一个伟大的综 合出现。英国物理学家麦克斯韦担当了这一历史使命。麦克斯韦 1831 年 6 月 13 日出生在爱丁堡一个名门望族，从小便显露出数学天才。15 岁时写了一篇 论卵形曲线的论文，发表在爱丁堡皇家学会的刊物上，令许多数学家不相信它出自一个孩子之手。1847 年，麦克斯韦进入爱丁堡大学学习数学和物理学。1850 年，考入剑桥大学三一学院，主攻做学物理学。 1854 年大学毕业，数学成绩作常优秀。1856 年麦克斯韦被阿伯丁的马里歇尔学院聘为教授， 1860 年转 往伦敦皇家学院，1871 年

12、回到母校剑桥大学任实验物理学教授。据说他个是一个很好的教师。他的课深 奥难懂，往往只有几个特别优秀的学牛才能跟得上。在剑桥期间，他出版了卡文迪许的手稿，从而使世 人认识到这位科学怪人曾取得了多少远远超出其时代的成就。他还亲自创办了著名的卡文迪许实验室，3任实验室主任一直到去世。麦克斯韦的科学成就是多方面的。1857 年他曾提出土星光环的颗粒构成理论。这个光环从地球上看 很像一个圆盘，但麦克斯韦认为，如果它真是一个固体或流体的结构，那么引力和离心力等作用必定会 使它分崩离析。除非它是一条带状的小天体群，否则不会保持稳定。后来的观测证明，麦克斯韦的看法 是正确的。由于其杰出的数学才能，麦克斯韦还在

13、新兴的分子运动论领域做出过重要的贡献。这一点将 在第二十九章讲述。这里我们特别叙述他在电磁学理论方面的伟大工作。1855 年，麦克斯韦写了论法拉第的力线一文，第一次试图赋予法拉第的力线概念以数学形式， 从而初步建立了电与磁之间的数学关系。麦克斯韦的理论表明，电与磁不能孤立地存在，总是不可分离 地结合在一起。这篇论文于次年发表在英国科学促进会报告集中，使法拉第的力线概念由一种直观 的想象上升为科学的理论，引起了物理学界的重视。法拉第读过这篇论文后，大加赞扬。1862 年，麦克斯韦发表了第二篇论文论物理学的力线 。在这篇论文中，他提出了自己首创的“位 移电流”和“电磁场”等新概念，并在此基础上给出

14、了电磁场理论的更完整的数学表述。电磁场中广泛存在的电场与磁场的交相变化，使麦克斯韦意识到它是一种新的波动过程。1864 年， 他向皇家学会宣读了另一篇著名的论文电磁场的动力学理论 。该文于次年发表在学会的机关刊物哲 学杂志上。文中不仅给出了今天被称为麦克斯韦方程的电磁场方程，而且提出了电磁波的概念。他认 为，变化的电场必激发磁场，变化的磁场又激发电场，这种变化着的电场和磁场共同构成了统一的电磁 场。电磁场以横波的形式在空间中传播，形成所谓电磁波。麦克斯韦推算出了电磁波的传播速度，发现与光速十分接近。他本来就猜测光与电磁现象有着内在 的联系，在建立了完整的电磁理论之后，他更明确提出了光的电磁理论

15、。麦克斯韦写道：“电磁波的这 种 速度与光的速度如此之接近，好像我们有充分理由得出结论说，光本身（包括辐射热和其他辐射热） 是一种电磁干扰，它是波的形式，并按照电磁定律通过电磁场传播。 ”1865 年，麦克斯韦得了一场重病，不得不辞去皇家学院的职务回家养病。这以后，他把主要精力放 在整理。总结电磁学理论已取得的成就上面。1873 年，他出版了其伟大的著作电磁通论 。这本书全面 总结了一个世纪以来电磁学所取得的成果，是一部电磁学的百科全书，是集电磁理论之大成的经典著作。1879 年 11 月 5 日，麦克斯韦因长期患病，终于与世长辞，时年仅 48 岁。他没能看到他所预言的电 磁波真的在实验室里被

16、发现。但是今天，电磁波已经成了信息时代最基本的物质载体。4、麦克斯韦的电磁场理论、麦克斯韦的电磁场理论麦克斯韦的电磁场理论是 19 世纪物理学中最伟大的成就，是继牛顿力学之后物理学史上的又一具有 划时代意义的事件。麦克斯韦是从非超距作用的角度出发探讨电磁理论的。在麦克斯韦之前已有多位精 通数学的大师作过这方面的尝试。高斯曾试图用数学公式来表达电作用在媒质中的传递过程，黎曼 （Riemann B，18261866）甚至于 1858 年提出了正确的电力传播方程式（发表于 1867 年）：042 22222222 zyxt赞同法拉第协力线概念并最早尝试将其数学化的是威廉汤姆逊（Thomson W，18241907） 。汤姆 逊通过电磁现象与热现象。弹性现象、流体现象的类比，开拓了富有启发性的一系列对比研究。1842 年， 汤姆逊把含有带电导体的区域内的静电力分布与无限固体中的热流分布相