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1、电磁学的发展进程和电气化何紫薇 岭南学院 5 班内容摘要关键词正文 结语说明和致谢http:/ 电磁学” 的简称。说到电气化，或许大家会倍感陌生。实际上， 电气化就是为了提高劳动生产率，减轻体力劳动，把电力广泛应用到国民经济的各个领域，特别是用做机器的动力。为了达到提高生产力、减轻体力劳动的目标，就要将电力转换能量广泛应用、推广、普及到我们国民生活和国民经济的各个领域，使电力转换后的光能、热能和动能在强国富民的道路上发挥更大、更加积极的作用。然而，说起电磁学与电气化关系，大家的了解又有多少呢？对电磁学的发展进程，大家又知道多少呢？而电磁学又是如何推进电气化的发展的呢？今天，就让我们翻开历史的扉
2、页，揭开电磁学的发展进程与电气化之间关系的神秘面纱。一、 电磁学的早期探究和发展说起电磁学，我国古代和古希腊，人类便已从生产实践和日常生活中便了解到电和磁的一些现象和知识。我国对电磁学的最初了解竟早至公元前六百多年的春秋时代。而在西欧亦可追溯到十三世纪前后。 十六世纪开始，电磁学的研究又再次兴起。1747 年，美国科学家富兰克林在杜费的基础上，引入了正电和负电的规定，为定量研究电现象提供了一个基础，具有重大的意义。1752 年，富兰克林对放电现象进行了研究，他冒着生命危险进行了著名的风筝实验，发明了避雷针。而他的主要观点则可以归纳为：摩擦的作用是使电从一个物体转移到另一物体，而不是创造电荷；任
3、何一与外界绝缘的体系中，电的总量使不变的。这就是通常所说的电荷守恒原理。 电荷的获得、储存和传递为定量研究电现象提供了充分的条件。在认识了电荷分为正负两种，同性相斥异性相吸后，人们很快便转向研究电荷之间相互作用利的定量规律。值得一提的便是，1785 年，法国库仑设计了精巧的扭秤实验，才直接测定了两个静止的同种点电荷之间的斥力与他们之间距离的平方成反比，与他们的电量乘积成正比。经过不断的探索，他又用电扭摆实验对吸引力测出了相同的结果。至此，库仑定律得到了世界公认，从而开辟了近代电磁理论研究的新纪元。 这便是电磁学的早期发展历程 。总的来说，电磁学的早期发展和研究对电气化的推动发挥了不可磨灭的作用
4、，然而这些研究成果都是比较零散的，对推动电气化进程的作用仍不太明显。二. 电磁学核心理论的建立和发展与工业革命（一）安培和法拉第奠定了电动力学基础1820 年间，奥斯特在给学生讲课时，意外地发现了电流的小磁针偏转的现象。当导线通电流时，小磁针产生了偏转。这个消息传到巴黎后，启发了法国物理学家安培。他思考，既然磁与磁之间、电流与磁之间都有作用力，那么电流与电流之间是否也存在作用力呢？他重复了奥斯特的实验，几天后向巴黎科学院提交了第一篇论文，提出了磁针转动方向与电流方向的关系，就是大家在高中学习过的右手定则。再一周后，他向科学院提交了第二篇论文，在该文中，他讨论了平行载流导线之间的相互作用问题。同
5、时，他还发现如果给两个螺线管通电流，它们就会象两个条形磁铁一样相互吸引或者排斥。1822 年，安培在实验的基础上，以严密数学形式表述了电流产生磁力的基本定律，即安培定律。该定律表明，两个电流元的作用力与它们之间距离的平方成反比，与库仑定律很类似，但是它们作用力的方向却要由右手定则来判断。安培通过研究电流和磁铁的磁力情况，他认为磁铁的磁力在本质上和电流的磁力是一样的，提出了著名的安培分子电流假说。该假说认为在物体内部的每个微粒都有一个环形电流，它们实际上就相当于一个小磁针，当这些小磁针的磁性排列一致时，就体现出宏观磁性。这一假说在当时不被人们看重，一直到了 70 年后人们才真的发现了这种带电粒子
6、，证明了安培假说的正确性。既然电流有磁效应，那么磁是否也会有电流效应呢？根据物理的相互作用原理，这个结果应该是显然的，因此不少人为此做了很多实验，试图发现磁的电流效应。但是这个现象直到奥斯特发现电流磁效应的 10 多年后，才被英国物理学家法拉第和美国物理学家亨利发现。 法拉第是一个伟大的实验物理学家，他在电磁学方面的主要贡献就是现在称之为法拉第电磁感应定律，并且提出了力线和场的概念。前面提到的安培和奥斯特等人的工作说明了电和磁之间存在着必然的联系，法拉第发现的电磁感应定律比他们前进了一大步。他用实验证明了电不仅可以转化为磁，磁也同样可以转变为电。运动中的电能感应出磁，同样运动中的磁也能感应出电
7、。法拉第的发现为大规模利用电力提供了基础，后来人们利用法拉第电磁感应定律制造了感应发电机，从此蒸气机时代进入了电气化时代。1831 年，法拉第用铁粉做实验，形象地证明了磁力线的存在。他指出，这种力线不是几何的，而是一种具有物理性质的客观存在。从这个实验说明，电荷或者磁极周围空间并不是以前那样认为是一无所有的、空虚的，而是充满了向各个方向散发的这种力线。他把这种力线存在的空间称之为场，各种力就是通过这种场进行传递的。法拉第将他的一生所做的实验进行了总结，写出了电学实验研究。由于法拉第基本上不懂数学，在这部著作中人们几乎找不到一个数学公式，以至于有人认为它只是一本关于电磁学的实验报告。但是，正是因
8、为他不懂数学，他才不得不想尽方法用简单易懂的语言来表达高深的物理规律，才有力线和场这样简明而优美的概念。法拉第同时还是一个出色的科普演讲家。他的这个不懂数学的缺陷恰好被他的后来者麦克斯韦所弥补，建立了完美的电磁学理论。同时，法拉第具有深刻的哲学思想和几何学和空间上的洞察力。他的善于持久思考的能力，正好补偿了他数学上的不足。（二）麦克斯韦的电动力学与赫兹的验证与电气化的开始但法拉第的学说都是用直观的形式表达的，缺少精确的数学语言。后来，英国物理学家麦克斯韦克服了这一缺点，他于 1865 年根据库仑定律、安培力公式、电磁感应定律等经验规律，运用矢量分析的数学手段，提出了真空中的电磁场方程。以后，麦
9、克斯韦又推导出电磁场的波动方程，还从波动方程中推论出电磁波的传播速度刚好等于光速，并预言光也是一种电磁波。这就把电、磁、光统一起来了，这是继牛顿力学以后又一次对自然规律的理论性概括和综合。 麦克斯韦电磁理论的重大意义，不仅在于这个理论支配着一切宏观电磁现象（包括静电、稳恒磁场、电磁感应、电路、电磁波等等） ，而且在于它将光学现象统一在这个理论框架之内，深刻地影响着人们认识物质世界的思想。电子的发现，使电磁学和原子与物质结构的理论结合了起来，H.A.洛伦兹的电子论把物质的宏观电磁性质归结为原子中电子的效应，统一地解释了电、磁、光现象。 麦克斯韦电磁论发表后，由于理论难懂，无实验验证，在相当长的一
10、段时间里并未受到重视和普遍承认。1879 年，柏林科学院设立了有奖征文，要求证明以下三个假设：如果位移电流存在，必定会产生磁效应； 变化的磁力 必定会使绝缘体介质产生位移电流；在空气或真空中，上述两个假设同样成立。这次征文成为赫兹进行电磁波实验的先导。1885 年，赫兹利用一个具有初级和次级两个绕组的振荡线圈进行实验，偶然发现：当初级线圈中输入一个脉冲电流时，次级绕组两端的狭缝中间便产生电火花， ，赫兹立刻想到，这可能是一种电磁共振现象。既然初级线圈的振荡电流能够激起次级线圈的电火花，那么它就能在邻近介质中产生振荡的位移电流，这个位移电流又会反过来影响次级绕组的电火花发生的强弱变化。 1886
11、 年，赫兹设计了一种直线型开放振荡器留有间隙的环状导线 C 作为感应器，放在直线振荡器 AB 附近，当将脉冲电流输入 AB 并在间隙产生火花时，在 C 的间隙也产生火花。实际这就是电磁波的产生、传播和接收。 证明电磁波和光波的一致性：1888 年 3 月赫兹对电磁波的速度进行了测定，并在论文论空气中的电磁波和它们的反射介绍了测定方法：赫兹利用电磁波形成的驻波测定相邻两个波节间的距离（半波长） ，再结合振动器的频率计算出电磁波的速度。他在一个大屋子的一面墙上钉了一块铅皮，用来反射电磁波以形成驻波。在相距 13 米的地方用一个支流振动器作为波源。用一个感应线圈作为检验器，沿驻波方向前后移动，在波节
12、处检验器不产生火花，在波腹处产生的火花最强。用这个方法测出两波节之间的长度，从而确定电磁波的速度等于光速。1887 年又设计了“感应平衡器”：即将 1886 年的装置一侧放置了一块金属板 D，然后将 C 调远使间隙不出现火花，再将金属板 D 向 AB 和 C 方向移动，C 的间隙又出现电火花。这是因为 D 中感应出来的振荡电流产生一个附加电磁场作用于 C，当 D 靠近时，C 的平衡遭到破坏。 这一实验说明：振荡器 AB 使附近的介质交替极化而形成变化的位移电流，这种位移电流又影响“感应平衡器 C”的平衡状态。使 C 出现电火花。当 D 靠近 C 时，平衡状态再次被破坏，C 再次出现火花。从而证
13、明了“位移电流” 的存在。 赫兹又用金属面使电磁波做 45角的反射；用金属凹面镜使电磁波聚焦；用金属栅使电磁波发生偏振；以及用非金属材料制成的大棱镜使电磁波发生折射等。从而证明麦克斯韦光的电磁理论的正确性。至此麦克斯韦电磁场理论才被人们承认。被人们公认是“自牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。至此由法拉第开创，麦克斯韦建立，赫兹验证的电磁场理论向全世界宣告了它的胜利。美国人爱迪生(Thomas A. Edison, 1847-1931)号称发明大王 ，拥有（或共享）的专利，有 1093 项，至今无人打破纪录。其中包括电灯、录音、电影等等，对电化世界有决定性影响。1879 发明的白炽电灯(以碳
14、化纤维为灯丝) ，造成轰动，是第一个人人都感到非要不可的电器。但他在发电机的竞争上，却输给了对手。可能的原因是他太执着于直流电（他甚至宣扬交流电危害人类）。以法拉第定律而言，交流发电机的制作比较顺理成章，而且，交流电才能使用变压器，利于长途输电。 他的竞争对手是西屋(George Westinghouse, 1846 -1914) 与特斯拉(Nicola Tesla, 1856 -1943, 也有 700 项专利，包括变压器、日光灯，交流电马达)。特斯拉年轻时从匈牙利移民美国，先在爱迪生手下做事，但他热心做交流电，与爱迪生不合，辞职后去挖沟。后来辗转被西屋雇用。1882 年，特斯拉制成第一部交流发电机。他们对交流电机之发展，使西屋公司成为电机工业之百年重镇。 1896 尼加拉瀑布水力发电开始。世界的电化，从此展开。
