物理学家麦克斯韦的介绍

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1、物理学家麦克斯韦的 介绍组长；马玲 成员：马玲 指导老师：杨晓梅 班级：物理师范（1）班 2008年12月25日* *1 1主要安排 一：麦克斯韦的介绍 二：麦克斯韦的成就介绍 三：麦克斯韦方程组的有关知识 四：学习感受和收获 五：结尾DateDate2 2麦克斯韦（James Clerk Maxwell，18311879） 英国物理学家，经典电磁理论的奠基人。1831年6月13 日出生于爱丁堡。父亲受的是法学教育，但思想活跃，爱 好科学技术，使他从小就受到科学的熏陶。10岁那年进了 爱丁堡中学，由于讲话带有很重的乡音和衣着不人时，在 班上经常被排挤、受讥笑。但在一次全校举行的数学和诗 歌的比

2、赛中，麦克斯韦一人独得两个科目的一等奖。他以 自己的勤奋和聪颖获得了同学们的尊敬。他的学习内容逐 渐地突破了课本和课堂教学的局限。他的关于卵形曲线画 法的第一篇科学论文发表在爱丁堡皇家学会会刊上， 他采用的方法比笛卡儿的方法还简便。那时他仅仅15岁。 1847年人爱丁堡大学听课，专攻数学。但他很重视参加 实验，广泛涉猎电化学、光学、分子物理学以及机械工程 等等。他说：“把数学分析和实验研究联合使用得到的物 理科学知识，比之一个单纯的实验人员或单纯的数学家所 具有的知识更加坚实、有益而牢固。”1850年考人剑桥大 学，1854年以优异成绩毕业并获得了学位，留校工作。 1856年起任苏格兰阿伯丁的

3、马里沙耳学院的自然哲学讲 座教授，直到1874年。经法拉第举荐，自1860年起任伦 敦皇家学院的物理学和天文学教授。1871年起负责筹划 卡文迪什实验室，随后被任命在剑桥大学创办卡文迪什实 验室并担任第一任负责人。1879年11月5日麦克斯韦因 患癌症在剑桥逝世，终年仅48岁。 DateDate3 3麦克斯韦一生从事过多方面的物理学研究工作，他最杰出的贡献是在经典电磁理论方 面。在剑桥读书期间，当麦克斯韦读过法拉第的电学实验研究之后，立刻被书中 的新颖见解所吸引，他敏锐地领会到了法拉第的“力线”和“场”的概念的重要性。但是 ，他注意到全书竟然无一数学公式，这说明法拉第的学说还缺乏严密的理论形式

4、。在 其老师威廉汤姆孙的启发和帮助下，决心用自己的数学才能来弥补法拉第工作的这 一缺陷。1855年他发表了第一篇论文论法拉第的力线。把法拉第的直观力学图 象用数学形式表达了出来，文中给出了电流和磁场之间的微分关系式。不久，收到法 拉第的来信，赞扬说：“我惊异地发现，这个数学加得很妙！”1860年，29岁的麦克 斯韦去拜访年近70的法拉第，法拉第勉励麦克斯韦：“不要局限于用数学来解释已有 的见解，而应该突破它。”1861年，麦克斯韦深入分析了变化磁场产生感应电动势的 现象，独创性地提出了“分子涡旋”和“位移电流”两个著名假设。这些内容发表在 1862年的第二篇论文论物理力线中。这两个假设已不仅仅

5、是法拉第成果的数学 反映，而是对法拉第电磁学作出了实质性的增补。1864年12月8日，麦克斯韦在英 国皇家学会的集会上宣读了题为电磁场的动力学理论的重要论文，对以前有关电 磁现象和理论进行了系统的概括和总结，提出了联系着电荷、电流和电场、磁场的基 本微分方程组。该方程组后来经H.R.赫兹，O.亥维赛和H.A.洛伦兹等人整理和改写 ，就成了作为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。这理论所宣告的一个直接的 推论在科学史上具有重要意义，即预言了电磁波的存在。交变的电磁场以光速和横波 的形式在空间传播，这就是电磁波；光就是一种可见的电磁波。电、磁、光的统一， 被认为是19世纪科学史上最伟大的综合之一

6、。1888年，麦克斯韦的预言被H.赫兹所 证实。1865年以后，麦克斯韦利用因病离职休养的时间，系统地总结了近百年来电 磁学研究的成果，于1873年出版了他的巨著电磁理论这部科学名著，内容丰富 、形式完备，体现出理论和实验的一致性，被认为可以和牛顿的自然哲学的数学原 理交相辉映。麦克斯韦的电磁理论成为经典物理学的重要支柱之一。DateDate4 4麦克斯韦方程组DateDate5 5引入 19世纪中叶，描述电磁现象的基本实验规 律： 库仑定律、毕-萨-拉定律、安培定律、欧姆定律、法 拉第电磁感应定律等已经先后得出， 建立统一电磁 理论的课题摆 在了物理学家面前。 以W.韦伯、F.E.诺埃曼为代

7、表的超距作用电磁 理论把各种电磁作用归结为库仑 力和运动电 荷之间 的作用力(韦伯力)，认为是超越空间无需媒质传递 也 无需传递时间 的直接作用 。这种 理论虽然统一地解 释了静电现象、电流相互作用和电磁感应，但是既 未能提出任何有价值的预 言，又存在机制上的根本 困难，终于成为历史的遗迹。 DateDate6 6 J.C.麦克斯韦继承了M.法拉第的近距作用观 点，认为电 磁作用是以场为媒介传递的，需要 传 递时间 ，把客观存在的场作为研究对象，从而开辟 了物理学研究的新天地。麦克斯韦审查 了 当时已知 的全部电磁学定律、定理的基础，提取了其中带有 普遍意义的内容，拓宽了它们的成 立条件。麦克

8、斯 韦提出了有旋电场的概念和位移电流的假设，揭示 了电磁场的内在联系和相互 依存，完成了建立电磁 场理论的关键性突破。麦克斯韦熟练地运用了当时 正在发展的矢量分析 ，找到了表述电磁场 （空间 连续分布的客体）的适当数学工具 。1865年麦克斯 韦终于建立了 包括电荷守恒定律、介质方程以及 电磁场方程在内的完备方程组。后经H.R.赫兹、O. 亥维赛、 H.A.洛伦兹等人进一步的加工，得出了 电磁场方程组麦克斯韦方程组。DateDate7 7麦克斯韦韦方程组组 关于静电场 和稳恒磁场的基本规律 ，可总结归纳 成以下四条基本定理：静电 场的高斯定理， 静电场 的环路定理， 稳 恒磁场的高斯定理， 磁

9、场的安培环路定理 。 上述这些定理都是孤立地给出了静电场 和稳恒磁场的规律，对变 化电场 和变化磁 场并不适用 。 DateDate8 8 麦克斯韦在稳恒场理论的基础上，提出了涡 旋电场 和位移电流的概念： 1麦克斯韦提出的涡旋电场 的概念， 揭示出变化的磁场可以在空间激发电场 ， 并通过法 拉第电磁感应定律得出了二者的 关系。任何随时间 而变化的磁场，都是和 涡旋电场联 系在一起的。 2 麦克斯韦提出的位移电流的概念， 揭示出变化的电场 可以在空间激发磁场， 并通过全 电流概念的引入，得到了一般形 式下的安培环路定理在真空或介质中的表 示形式。任何随时间 而变化的电场 ，都是 和磁场联 系在

10、一起的。 DateDate9 9 综合上述两点可知，变化的电场 和变 化的磁场彼此不是孤立的，它们永远密切地 联系在一 起，相互激发，组成一个统一的电 磁场的整体。这就是麦克斯韦电 磁场理论的 基本概念。 在麦克斯韦电 磁场理论中，自由电荷可 激发电场 ，变化磁场也可激发电场 。又由 于，稳恒电流可激发磁场 ，变化电场 也可激 发磁场 。因此，在一般情况下，电磁场的基 本规律中，应该 既包含稳恒电、磁场的规律 ，也包含变化电磁场的规律， DateDate1010 根据麦克斯韦提出的涡旋电场 和位移 电流的概念，变化的磁场可以在空间激发变 化的涡旋电场 ，而变化的电场 也可以在空 间激发变 化的

11、涡旋磁场。因此，电磁场可 以在没有自由电荷和传导 电流的空间单 独 存在。 变化电磁场的规律是： 1.电场的高斯定理 在没有自由电荷的空间 ，由变化磁场激发的涡旋电场的电场线 是一系 列 的闭合曲线。通过场中任何封闭曲面的电位移通 量等于零。 2电场的环路定理 已知，涡旋电场是非保 守场，满足的环路定理是 （见下页）。DateDate1111 3.磁场的高斯定理 变化的电场产 生的磁场和 传导电 流产生的磁场相同，都是涡旋状的场，磁 感 线是闭合线。因此，磁场的高斯定理仍适用。 4.由磁场的安培环路定理 知变化的电场和它所 激发的磁场满足此环路定理 。 在变化电磁场的上述规律中，电场和磁场成为

12、 不可分割的一个整体。 将两种电、磁场的规律合并在 一起，就得到电磁场的基本规律，称之为麦克斯韦方 程组，表示 如下 （1） 上述四个方程式称为麦克斯韦方程组的积分形式 。 DateDate1212 将麦克斯韦方程组的积分形式用高等数学中的 方法可变换为 微分形式。微分形式的方程组如下 ： （2） 上面四个方程可逐一说明如下：在电磁场中任一 点处 （1）电位移的散度 等于该点处自由电荷的体密 度 ； （2）电场强度的旋度 等于该点处磁感强度变化 率 的负值； DateDate1313 （3）磁场强度的旋度 等于该点处传导 电流密度 与位移电流密度 的矢量和； （4）磁感强度的散度 处处 等于零

13、。 麦克斯韦方程是宏观电 磁场理论的基本 方程，在具体应用这些方程时，还要考虑到 介质特 性对电 磁场的影响以及欧姆定律的微 分形式 。 方程组的微分形式，通常称为麦克斯韦 方程。 在麦克斯韦方程组中，电场 和磁场已 经成为一个不可分割的整体。该方程组系统 而完整地概括 了电磁场的基本规律，并预言 了电磁波的存在。 DateDate1414阐释： （一）经典场论是19世纪后期麦克斯韦在总结 电磁学三大实验定律并把它与力学模型进行类比的 基 础上创立起来的。但麦克斯韦的主要功绩恰恰是他能 够跳出经典力学框架的束缚：在物理上 以“场”而不是 以“力”作为基本的研究对象，在数学上引入了有别于 经典数

14、学的矢量偏微分 运算符，这两条是发现电 磁波 方程的基础。这就是说，实际上麦克斯韦的工作已经 冲破经典物 理学和经典数学的框架，只是由于当时的 历史条件，人们仍然只能从牛顿的经典数学和力学的 框架去理解电磁场理论。 现代数学，空间中的数学分析是在19世纪和20世 纪之交才出现的而量子力学的物质波的概念是在更晚 的时候才发现的特别是对于现代数学与量子物理学之 间的不可分割的 数理逻辑联 系至今也还没有完全被人 们所理解和接受。从麦克斯韦建立电磁场理论到现在 ，人 们一直以欧氏空间中的经典数学作为求解麦克斯 韦方程组的基本方法。 DateDate1515 （二） 我们从麦克斯韦方程组的产生，形式 、内容和它的历史过程中可以看到，第一、物理对 象是在 更深的层次上发展成为新的公理表达方式 而被人类所撑握，所以科学的进步不会是在既定的 前 提下演进的，一种新的具有认识意义的公理体 系的建立才是科学理论进步的标志。第二、物理 对象与对它的表达方式虽然是不同的东西，但如 果不依靠合适的表达方法就无法认识到这个对 象 的“存在”。由此，第三、我们正在建立的理论将决 定到我们在何种层次的意义上使我们的 对象成为 物理事