第五章经典电磁学

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1、 第五章第五章 经典电磁学的建立与发展经典电磁学的建立与发展 1.对电磁现象的早期认识对电磁现象的早期认识 2.富兰克林对雷电现象的研究富兰克林对雷电现象的研究 3.从定性到定量从定性到定量库仑定律的发现库仑定律的发现 4 .由静电到动电由静电到动电电流的发现电流的发现 5.电流的磁效应与安培定律电流的磁效应与安培定律 6.电磁感应现象的发现与研究电磁感应现象的发现与研究 7.麦克斯韦电磁场理论的建立麦克斯韦电磁场理论的建立 8.电磁波的发现与应用（略）电磁波的发现与应用（略）1.对电磁现象的早期认识对电磁现象的早期认识1.1.中国：略中国：略2.2.英国人吉尔伯特英国人吉尔伯特(W.Gilb

2、ert,1544-1603)(W.Gilbert,1544-1603)：英国物理学英国物理学家、医生家、医生 吉尔伯特做了多年的实验，发现了吉尔伯特做了多年的实验，发现了“电力电力”，“电电吸引吸引”等许多现象，并最先使用了等许多现象，并最先使用了“电力电力”“电吸引电吸引”等专等专用术语，因此许多人称他是用术语，因此许多人称他是电学研究之父电学研究之父。他的主要著作为。他的主要著作为16001600年出版的年出版的论磁性、磁体和巨大地磁体论磁性、磁体和巨大地磁体，书中记载了，书中记载了“小地球小地球”实验实验（把一块大天然磁石磨成球形，把小磁针放在球的表面把一块大天然磁石磨成球形，把小磁针放

3、在球的表面）。物理学史上第一部系统阐述磁学的科学专著。伽利落称其为物理学史上第一部系统阐述磁学的科学专著。伽利落称其为“经验主义的奠基人经验主义的奠基人”。3.3.莱顿瓶的发现莱顿瓶的发现 17451745年，荷兰莱顿大学教授年，荷兰莱顿大学教授马森布洛克马森布洛克（Musschenbrock)Musschenbrock)发发明了收集电荷的莱顿瓶明了收集电荷的莱顿瓶。1.1.电荷守恒定律的发现：电荷守恒定律的发现：他发现他发现两个带有不同性质电荷的带两个带有不同性质电荷的带电体，相互接触后可以呈现中性。把电荷分为电体，相互接触后可以呈现中性。把电荷分为“正电正电”和和“负电负电”，并进一步得出

4、结论，并进一步得出结论正电和负电在本质上正电和负电在本质上不应有什么差别；不应有什么差别；摩擦起电过程中，总是形成等量异摩擦起电过程中，总是形成等量异种电荷；种电荷； 摩擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方摩擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方得到的电荷在数量上相等。从而得到了电荷守恒定律。得到的电荷在数量上相等。从而得到了电荷守恒定律。2.费城实验费城实验-天电和地电的统一天电和地电的统一3.3.发明避雷针发明避雷针4.4.独立宣言和美国宪法的起草人之一独立宣言和美国宪法的起草人之一，为美国的独立和解放，为美国的独立和解放作出了贡献的政治活动家。作出了贡献的政治活动家。2.富兰克林对雷电现象

5、的研究富兰克林对雷电现象的研究一一.类比法类比法二二.库仑的引力实验库仑的引力实验三三.卡文迪许的工作（略）卡文迪许的工作（略）3.库仑定律的发现库仑定律的发现从定性到定量从定性到定量从从 定定 性性 到到 定定 量量 - - 库库 仑仑 定定 律律 的的 发发 现现1.电力作用的猜测电力作用的猜测1759年，德国柏林科学院院士年，德国柏林科学院院士爱皮努斯爱皮努斯（F.U.T.Aepinus)发现：发现：电电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减小而增大；荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减小而增大；当一个导体靠近当一个导体靠近一带电体时，该导体的远端会获得与带电体相同的电荷，近端则获得相

6、反一带电体时，该导体的远端会获得与带电体相同的电荷，近端则获得相反的电荷（静电感应）。的电荷（静电感应）。1760年，年，D.伯努利伯努利首先猜测电力会不会跟万有引力一样，服从平方反首先猜测电力会不会跟万有引力一样，服从平方反比定律。他的想法在当时具有一定的代表性。比定律。他的想法在当时具有一定的代表性。一一.类比法类比法2.富兰克林的空罐实验富兰克林的空罐实验 用用丝丝线线将将一一小小块块软软木木悬悬挂挂在在带带电电金金属属罐罐外外的的附附近近，软软木木受受到到吸吸引引。但把它悬挂在罐内时，不论在罐内何处，它都不受电力。但把它悬挂在罐内时，不论在罐内何处，它都不受电力。 富富 兰兰 克克 林

7、林 写写 信信 将将 这这 一一 现现 象象 告告 之之 他他 的的 英英 国国 朋朋 友友 普普 利利 斯斯 特特 利利（J.Priestleuy,化化学学家家，氧氧气气的的发发现现者者），普普利利斯斯特特利利想想到到:1687年年牛牛顿顿曾曾证证明明: :万万有有引引力力若若服服从从平平方方反反比比定定律律，则则均均匀匀的的物物质质球球壳壳对对壳壳内内物物体体应无作用。应无作用。 普利斯特利重复了上述实验，并将空罐实验与牛顿推理类比。普利斯特利重复了上述实验，并将空罐实验与牛顿推理类比。3. 3. 罗比逊实验罗比逊实验同种电荷斥力的同种电荷斥力的测量测量 1769年，英国爱丁堡大学的年，英

8、国爱丁堡大学的约翰约翰.罗宾森罗宾森（John RobisoJohn Robiso，苏格兰人），苏格兰人）设设计了一个杠杆装置，如图。通过实验计了一个杠杆装置，如图。通过实验直接推测了平方反比关系：同种电荷直接推测了平方反比关系：同种电荷间的斥力反比于距离的间的斥力反比于距离的2.06次幂，异次幂，异种电荷间的吸引力反比于小于距离的种电荷间的吸引力反比于小于距离的2次幂。由此他推测：在实验误差范围次幂。由此他推测：在实验误差范围内，正确的关系应为反比于距离的内，正确的关系应为反比于距离的2次次幂。幂。二二. .库仑实验库仑实验1.同种电荷的同种电荷的斥力斥力测量测量-扭秤实验，略扭秤实验，略意

9、义：意义：库仑定律的建立使电磁学进库仑定律的建立使电磁学进入了定量研究，数学的引入使电磁入了定量研究，数学的引入使电磁学真正成为一门科学。学真正成为一门科学。2.异性电荷的异性电荷的引力引力测量测量-库仑电摆实验库仑电摆实验和牛顿单摆类比：和牛顿单摆类比：由于地球对物体的作用力反比于两者之间距离的平方，由于地球对物体的作用力反比于两者之间距离的平方，所以存在所以存在地面上的单摆的摆动周期正比于摆锤离地心的距离地面上的单摆的摆动周期正比于摆锤离地心的距离。若电荷间的引力也遵循距离平方的反比关系，则由带电体间引力产生若电荷间的引力也遵循距离平方的反比关系，则由带电体间引力产生的物体的摆动，其摆动周

10、期的物体的摆动，其摆动周期T必定也正比于两带电体之间的距离必定也正比于两带电体之间的距离r。从而设。从而设计电摆实验。计电摆实验。库仑单摆实验：库仑单摆实验：1785年在法国科学院发表论文，年在法国科学院发表论文，提出著名的库仑定律。提出著名的库仑定律。由由 静静 电电 到到 动动 电电 - - 电电 流流 的的 发发 现现三三. .欧姆定律欧姆定律 欧姆欧姆（G.S.Ohm,1787-1854G.S.Ohm,1787-1854）：德国人，长期担任中学教师和家庭）：德国人，长期担任中学教师和家庭教师。后被慕尼黑大学任命为教授。教师。后被慕尼黑大学任命为教授。 类比：类比：从傅立叶发现的从傅立叶

11、发现的热传导规律热传导规律受到启发：受到启发：导热杆中两点之间的导热杆中两点之间的热流正比于这两点之间的温度差热流正比于这两点之间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此很相似，。因而欧姆认为，电流现象与此很相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，欧姆称猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，欧姆称之为之为“电张力电张力(electric tension)(electric tension)”，即现在所称的电势差。，即现在所称的电势差。4.电流的发现电流的发现由静电到动电由静电到动电一一. .伽伐尼的研究伽伐尼的研究二二. .伏打的伏打的“金属接触说金属接触说

12、”-发明发明伏打电堆伏打电堆+ +锌、锡、铁、铜、银锌、锡、铁、铜、银- -伏伏打打电电堆堆意意义义: :电电池池的的发发明明，提提供供了了产产生生恒恒定定电电流流的的电电源源，使使电电学学从从静静电电走走向向动动电电，为为人人们们研研究究电电流流的的各各种种效效应应提提供供了了条条件件。从从此此电学进入了飞速发展时期。电学进入了飞速发展时期。由由 静静 电电 到到 动动 电电 - - 电电 流流 的的 发发 现现存在的问题：存在的问题：1.1.伏打电堆产生的电流不稳定伏打电堆产生的电流不稳定2.2.没有电流强度的测量装置。没有电流强度的测量装置。问题的解决：问题的解决：1.1.采采用温差电偶

13、用温差电偶2.2.电流扭秤：将电流磁效应和库仑电流扭秤：将电流磁效应和库仑扭秤法结合起来，设计了电流扭力扭秤法结合起来，设计了电流扭力天平：温差电源由弯成天平：温差电源由弯成abaabab b形形的铋条和两根铜条组成，的铋条和两根铜条组成，abab端插入端插入冰水中，冰水中，a ab b插入沸水中，电流插入沸水中，电流扭秤的扭丝和磁针置于玻璃罩中，扭秤的扭丝和磁针置于玻璃罩中，磁针偏转的角度用一放大镜观察。磁针偏转的角度用一放大镜观察。自自吉吉尔尔伯伯特特开开始始以以来来的的二二百百多多年年，电电和和磁磁一一直直是是毫毫无无关关系系的的两两门门学学科科，围围绕绕电电与与磁磁寻寻找自然现象之间的

14、联系，成为一种潮流。找自然现象之间的联系，成为一种潮流。18201820年年，丹丹麦麦的的奥奥斯斯特特发发现现了了电电流流的的磁磁效应，从而建立了电与磁的联系。效应，从而建立了电与磁的联系。电电磁磁学学的的新新时时期期5.电流的磁效应与安培定律电流的磁效应与安培定律一一.电流磁效应的发现电流磁效应的发现二二.安培和安培定律安培和安培定律电电磁磁学学的的新新时时期期一一.电流磁效应的发现电流磁效应的发现-丹麦丹麦奥斯特奥斯特奥斯特奥斯特，H.C.HansChristianOersted(17771851)。丹麦电学家，丹麦电学家，CGS电磁单位制中磁场强度的单位奥（斯特）即为纪念他而命名。电磁单

15、位制中磁场强度的单位奥（斯特）即为纪念他而命名。1777年年8月月14日生于丹麦的鲁兹克宾，日生于丹麦的鲁兹克宾，1794年入哥本哈根大学就读，年入哥本哈根大学就读，1799年获哲学博士学位，年获哲学博士学位，1801-1803年间年间,他先后到德国和法国游学他先后到德国和法国游学,受到受到I.康德和康德和F.谢林关于自然力统一的思想的熏陶。谢林关于自然力统一的思想的熏陶。1806年任哥本哈根大学年任哥本哈根大学物理学教授，物理学教授，1824年倡议成立丹麦自然科学促进会年倡议成立丹麦自然科学促进会,1829年出任哥本哈根年出任哥本哈根理工学院院长理工学院院长,直到直到1851年年3月月9日在

16、哥本哈根逝世。日在哥本哈根逝世。当时的物理学界，如当时的物理学界，如A.M.安培和安培和J.B.毕奥都认为电和磁不会有任何毕奥都认为电和磁不会有任何联系。但奥斯特在康德的哲学引导下联系。但奥斯特在康德的哲学引导下,坚信电力和磁力有着共同的根源。坚信电力和磁力有着共同的根源。1819年冬天，他受命主持一个电磁讲座，从而使他有机会研究电流的磁年冬天，他受命主持一个电磁讲座，从而使他有机会研究电流的磁效应。效应。1820年年4月在一次晚间讲座快结束时，他突然产生一个新的想法：月在一次晚间讲座快结束时，他突然产生一个新的想法：电流对磁针的作用是不是不在它电流方向上，从而导致他电流磁效应的电流对磁针的作

17、用是不是不在它电流方向上，从而导致他电流磁效应的发现。论文在发现。论文在7月月21日发表后在欧洲引起了很大反响。日发表后在欧洲引起了很大反响。奥斯特的发现促进了安培对电磁力的研究（奥斯特的发现促进了安培对电磁力的研究（18201827）。这方面）。这方面的研究工作发展迅速的研究工作发展迅速,同年同年12月就导致发现了毕奥月就导致发现了毕奥萨伐尔定律。萨伐尔定律。电电磁磁学学的的新新时时期期意义意义1)1)第一个揭示出了电与磁之间的内在联系。第一个揭示出了电与磁之间的内在联系。2)2)为电流计、电报和电机的发明制造开辟了道路。为电流计、电报和电机的发明制造开辟了道路。3)3)为电磁场理论的发展奠

18、定了基础。为电磁场理论的发展奠定了基础。二二. .安培和安培定律安培和安培定律 1.1.安培的四个实验和一个假设安培的四个实验和一个假设 2.2.分子电流假说分子电流假说 3.3.安培环路定理的提出安培环路定理的提出 4.4.安培的科学研究方法安培的科学研究方法 奥斯特发现电流磁效应的消息传到世界各地，在瑞士参奥斯特发现电流磁效应的消息传到世界各地，在瑞士参加日内瓦科学会议的法国物理学家加日内瓦科学会议的法国物理学家阿拉果阿拉果得知此消息后，随得知此消息后，随后回国。于同年后回国。于同年9 9月月1111日向法国科学院报告并重复了奥斯特的日向法国科学院报告并重复了奥斯特的实验。实验。 这一效应

19、引起了法国科学家这一效应引起了法国科学家安陪安陪的极大兴趣。经过一周的极大兴趣。经过一周的夜以继日的工作后，于的夜以继日的工作后，于9 9月月1818日发现了电流间也存在着相互日发现了电流间也存在着相互作用力；接着提出了一个完整的定量理论；并于作用力；接着提出了一个完整的定量理论；并于18201820年年9 9月与月与1010月间，接连写了三篇论文；在月间，接连写了三篇论文；在18201820年年1212月月4 4日，又提出了著日，又提出了著名的安培定律；名的安培定律；18271827年发表了名著的年发表了名著的从实验导出的关于电从实验导出的关于电动力学现象的数学理论动力学现象的数学理论。为电

20、动力学的产生奠定了基础。为电动力学的产生奠定了基础。人们为纪念他，将电流强度的单位定义为人们为纪念他，将电流强度的单位定义为“安培安培”。背景：背景：1.1.安培定律的建立安培定律的建立-四个示零实验四个示零实验和一个假设和一个假设首先安培设计了一个无定向秤：首先安培设计了一个无定向秤：右图为由硬导线作成的右图为由硬导线作成的无定向秤，由同一根导线作成两个大小相等、电流方向相无定向秤，由同一根导线作成两个大小相等、电流方向相反的平面回路反的平面回路1 1和和2 2，两回路固定连在一起，整个犹如一个，两回路固定连在一起，整个犹如一个刚体。线圈的两端刚体。线圈的两端A A、B B通过水银槽和固定支

21、架相连。通过水银槽和固定支架相连。将通电的无定向秤置于将通电的无定向秤置于均匀磁场中时，由于不受力均匀磁场中时，由于不受力和力矩的作用，无定向秤处和力矩的作用，无定向秤处于平衡状态。但当将其放入于平衡状态。但当将其放入非均匀磁场中时将会产生作非均匀磁场中时将会产生作用而发生旋转。用而发生旋转。12AB下方为对折导线下方为对折导线（1 1）实验一：对折导线电流的作用）实验一：对折导线电流的作用（2 2）实验二：螺旋状电流的作用）实验二：螺旋状电流的作用（3 3）实验三：电流作用力的方向：横向性。）实验三：电流作用力的方向：横向性。（4 4）实验四：圆形导线电流作用力与距离的关系。）实验四：圆形导

22、线电流作用力与距离的关系。 （研究线圈（研究线圈1 1和和3 3对线圈对线圈2 2的作用。线圈半径之比等于其距离之比）的作用。线圈半径之比等于其距离之比）一个假设一个假设 两个电流元之间的相互作用力沿它们的连线方向。两个电流元之间的相互作用力沿它们的连线方向。 可以看出，电流元之间的相互作用的数学形式类似于可以看出，电流元之间的相互作用的数学形式类似于电荷之间相互作用的库仑定律。电荷之间相互作用的库仑定律。 上式表示电流元上式表示电流元dLdL1 1施加给电流元施加给电流元dLdL2 2的作用力的作用力dfdf1212，dLdL1 1和和dLdL2 2之间的距离为之间的距离为r r1212。安

23、培定律的建立：安培定律的建立： 在上述四个实验和这个假设的基础上，安培推出了在上述四个实验和这个假设的基础上，安培推出了电流元之间相互作用力的公式：电流元之间相互作用力的公式：4.4.安培环路定理的提出安培环路定理的提出 18271827年，安培发表了年，安培发表了电动力学理论电动力学理论，在书中，安培总结了已知的，在书中，安培总结了已知的电磁现象，得出了磁场的安培环路定理等；还阐述了他处理电磁现象的电磁现象，得出了磁场的安培环路定理等；还阐述了他处理电磁现象的方法是沿着牛顿所走的道路，遵循法国物理学家拉普拉斯的途径，将一方法是沿着牛顿所走的道路，遵循法国物理学家拉普拉斯的途径，将一切物理现象

24、归结为粒子间吸引或排斥现象，并将它们付诸数学形式加以切物理现象归结为粒子间吸引或排斥现象，并将它们付诸数学形式加以表征。安培把牛顿力学引入电学，从而创立了电动力学。表征。安培把牛顿力学引入电学，从而创立了电动力学。3.3.分子电流假说分子电流假说 安培接受了法国数学家菲涅尔的意见安培接受了法国数学家菲涅尔的意见, ,从微观去考虑分子电流来认从微观去考虑分子电流来认识物质磁性的起因。经过反复分析和思考，于识物质磁性的起因。经过反复分析和思考，于18211821年年, ,提出了著名的提出了著名的“分子电流假说分子电流假说”，成功的解释了物质宏观磁性形成的内在原因。安培假，成功的解释了物质宏观磁性形

25、成的内在原因。安培假设：设：构成磁体的分子内部存在一种环形电流构成磁体的分子内部存在一种环形电流分子电流。由于分子电分子电流。由于分子电流的存在，每个磁分子都成为一个个小磁体。通常情况下磁体分子的分流的存在，每个磁分子都成为一个个小磁体。通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的，它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。子电流取向是杂乱无章的，它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，两端显示较强的磁体作当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，两端显示较强的磁体作用，形成磁极，就被磁化了。用，形成磁极，就被磁化了。一一.法拉第（法拉第（1791-1867

26、）二二法拉第电磁旋转实验法拉第电磁旋转实验三三.法拉第发现电磁感应法拉第发现电磁感应四四.亨利及自感现象的发现（略）亨利及自感现象的发现（略）五五.楞次定律的发现（略）楞次定律的发现（略）六六.法拉第的力线思想法拉第的力线思想6.电磁感应现象的发现与研究电磁感应现象的发现与研究变变 磁磁 生生 电电 的的 发发 现现 者者 法法 拉拉 第第英英国国物物理理学学家家。他他的的父父亲亲一一个个铁铁匠匠。十十三三岁岁时时，他他到到一一家家装装订订和和出出售售书书籍籍的的铺铺子子里里当当学学徒徒。为为他他读读书书创创造造了了条条件件。他他的的老老板板也也鼓鼓励励他他读读书书，后后来来有有一一位位顾顾客

27、客送送给给他他一一些些伦伦敦敦皇皇家家学学院院讲讲演演的的听听讲讲证证。18121812年年冬冬季季，他他来来到到了了伦伦敦敦皇皇家家学学院院，要要求求和和著著名名的的院院长长戴戴维维见见面面谈谈话话。作作为为自自荐荐书书，他他带带来来了了听听戴戴维维讲讲演演时时记记下下的的笔笔记记。笔笔记记装装订订得得整整齐齐美美观观，给给戴戴维维留留下下了了很很好好的的印印象象。戴戴维维正正好好缺缺少少一一位位助助手手，不不久久他他就就雇雇用用了了他他。18211821年年受受任任为为皇皇家研究所实验室主任。家研究所实验室主任。法法拉拉第第所所研研究究的的课课题题广广泛泛多多样样，按按编编年年顺顺序序排排

28、列列, ,有有如如下下各各方方面面：铁铁合合金金研研究究（1818181818241824）；氯氯和和碳碳的的化化合合物物（18201820）；电电磁磁转转动动（18211821）；气气体体液液化化（18231823，18451845）；光光学学玻玻璃璃（1825182518311831）；苯苯的的发发明明（18251825）；电电磁磁感感应应现现象象（18311831）；不不同同来来源源的的电电的的同同一一性性（18321832）；电电化化学学分分解解（18321832年年起起）；静静电电学学，电电介介质质（18351835年年起起）；气气体体放放电电（18351835年年）；光光、电电和和

29、磁磁（18451845年年起起）；抗抗磁磁性性（18451845年年起起）；“射射线线振振动思想动思想”（18461846年起）；重力和电（年起）；重力和电（18491849年起）；时间和磁性（年起）；时间和磁性（18571857年起）年起）法法拉拉第第一一生生热热衷衷科科学学事事业业，不不好好功功名名利利禄禄。英英国国女女王王曾曾多多次次想想对对他他封封爵爵，都都被被他他谢谢绝绝；18581858年年英英国国史史学学家家廷廷德德尔尔提提议议让让他他担担任任皇皇家家学学会会会会长，他也坚决推辞。长，他也坚决推辞。一一. .法拉第（法拉第（1791-18671791-1867）二二 法拉第法拉第

30、电磁旋电磁旋转实验：转实验：当接通电源时，当接通电源时，发现左侧的容器里，发现左侧的容器里，磁铁棒绕着固定导线磁铁棒绕着固定导线缓慢的作圆周运动；缓慢的作圆周运动；而右侧则是另一种情而右侧则是另一种情景：导线绕固定磁棒景：导线绕固定磁棒在转动。实际上，这在转动。实际上，这就是最早的旋转电动就是最早的旋转电动机的雏型。机的雏型。实验二实验二实验三实验三实验四实验四实实验验五五：感感应应发发电电机机的的产产生生三三 法拉第发现电磁感应的有关实验法拉第发现电磁感应的有关实验法法拉拉第第电电磁磁感感应应实实验验 四四 亨利及自感现象的发现（略）亨利及自感现象的发现（略） 五五 楞次定律的发现（略）楞次

31、定律的发现（略） 六六法拉第的法拉第的“力线和力线和“场场”的思想及其他的思想及其他法拉第坚信，在带电体、磁体和电流周围的空间存在着法拉第坚信，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像以太那样的连续介质，起着传递电力某种由电或磁产生的像以太那样的连续介质，起着传递电力和磁力的媒介作用，他把它们称之为和磁力的媒介作用，他把它们称之为“电场电场”和和“磁场磁场”。1851年写了年写了论磁力线论磁力线：“场是由力线组成的，力线场是由力线组成的，力线上的任一点的切线方向就是该点场强的方向，力线的疏密表上的任一点的切线方向就是该点场强的方向，力线的疏密表示场强的大小。示场强的大小。”力线

32、具有物理实在的性质，它是场的表现力线具有物理实在的性质，它是场的表现。意义：意义：牛顿力学，安培定律及库仑定律都是超距中心作用；牛顿力学，安培定律及库仑定律都是超距中心作用；而力线和场的概念，则是一种近距媒递作用，是对传统力学而力线和场的概念，则是一种近距媒递作用，是对传统力学观念的一个重大突破。观念的一个重大突破。背景：背景： 1919世纪中期，描述电场、磁场的性质以及电、磁场相世纪中期，描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的互关系的库仑定律库仑定律、高斯定律高斯定律、安培定律安培定律、法拉第电磁感法拉第电磁感应定律应定律已相继建立，法拉第关于力线和场的概念已经提出。已相继建立，法拉第关

33、于力线和场的概念已经提出。1847-18531847-1853年间，年间，W.W.汤姆逊汤姆逊提出了铁磁质内磁场强度提出了铁磁质内磁场强度H H和磁和磁感应强度感应强度B B的定义，并导出了的定义，并导出了H=H=B B，并且于，并且于18511851年提出了年提出了磁的数学理论磁的数学理论。为后来麦克斯韦的研究做出了典范。为后来麦克斯韦的研究做出了典范。总之到了十九世纪五六十年代，创立电磁场理论的条件已总之到了十九世纪五六十年代，创立电磁场理论的条件已趋成熟。趋成熟。7.麦克斯韦电磁场理论的建立麦克斯韦电磁场理论的建立一一.麦克斯韦（麦克斯韦（1831-1879）简介）简介二二.建立电磁场理

34、论的工作建立电磁场理论的工作三三.意义意义麦麦 克克 斯斯 韦韦 电电 磁磁 场场 理理 论论 的的 建建 立立一一.麦克斯韦（麦克斯韦（1831-1879）简介）简介 麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学之大成的伟大科麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学之大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、学家。他依据库仑、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，不仅科学地预言了电磁波的存在，而整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，

35、且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学完成了物理学的又一次大综合的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础，的电力工业、电子工业和无线电工业的基础，导致第二次导致第二次工业革命。工业革命。18791879年年1111月月3 3日日，麦麦克克斯斯韦韦逝逝世世，时时年年49 49 岁岁，在在他他的的一生中共写了一生中共写了100100多篇有价值的论文。多篇有价值的论文。 麦克斯韦麦克斯韦18311831年年6 6月出生于英国爱丁堡，月出生于英国爱丁堡，1010岁进入爱丁堡岁进入爱丁堡中学，中学， 1414

36、岁在中学时期就发表了第一篇科学论文岁在中学时期就发表了第一篇科学论文论卵形曲论卵形曲线的机械画法线的机械画法，反映了他在几何和代数方面的丰富知识。，反映了他在几何和代数方面的丰富知识。1616岁进入爱丁堡大学学习物理，三年后，他转学到剑桥大学三一岁进入爱丁堡大学学习物理，三年后，他转学到剑桥大学三一学院。学院。在剑桥学习时，打下了扎实的数学基础，为他以后把数在剑桥学习时，打下了扎实的数学基础，为他以后把数学分析和实验研究紧密结合创造了条件。学分析和实验研究紧密结合创造了条件。 他精心研究了法拉第的他精心研究了法拉第的电学的实验研究电学的实验研究，以法拉第，以法拉第的力线概念为指导，透过这些似乎

37、杂乱无章的实验记录，运的力线概念为指导，透过这些似乎杂乱无章的实验记录，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁场理论。用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁场理论。于于1873年出版的年出版的电磁学通论电磁学通论。这是一部可以同牛顿的。这是一部可以同牛顿的自然哲自然哲学的数学原理学的数学原理、达尔文的、达尔文的物种起源物种起源和赖尔的和赖尔的地质学地质学原理原理相媲美的里程碑式的著作。相媲美的里程碑式的著作。1.1.类比：类比：2.2.麦克斯韦的麦克斯韦的“以太涡旋以太涡旋”模型和模型和“位移电流位移电流”3.3.麦克斯韦电磁方程组：麦克斯韦电磁方程组：4.4.电磁波的预言电磁波的预言5.5

38、.光波就是电磁波的提出光波就是电磁波的提出 二二. .麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论1.1.类比类比 18551855年发表年发表论法拉第力线论法拉第力线，把法拉第的力线抽象为把法拉第的力线抽象为数学描述数学描述。文中：麦克斯韦。文中：麦克斯韦用类比的方法用类比的方法，把力线看作不可，把力线看作不可压缩的流体的流线。如把正、负电荷比作流体的源和汇，电压缩的流体的流线。如把正、负电荷比作流体的源和汇，电力线比作流管，电场强度比作流速等，引入了诺埃曼的矢势力线比作流管，电场强度比作流速等，引入了诺埃曼的矢势函数函数A A，用于表示导体中引起的电动势。并指出，用于表示导体中引起的电动势。并指出

39、，“电紧张态电紧张态”是场的一种运动性质，是一个物理真实。是场的一种运动性质，是一个物理真实。 在论文末尾，麦克斯韦总结了六条定律，为以后建立电在论文末尾，麦克斯韦总结了六条定律，为以后建立电磁场理论奠定了基础。磁场理论奠定了基础。从而将法拉第的观念和直观的力线抽象为数学。从而将法拉第的观念和直观的力线抽象为数学。2.2.麦克斯韦的麦克斯韦的“以太涡旋以太涡旋”模型和模型和“位移电流位移电流” 18621862年，年，麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文论物理力线论物理力线。提出了。提出了“电磁以太模型电磁以太模型”，把电学量和磁学量之间的，把电学量和磁学量之间的关系，

40、形象的表现出来。关系，形象的表现出来。电磁以太模型：电磁以太模型：如右图，如右图，充满空间的媒充满空间的媒质分子在磁作用下具有旋转质分子在磁作用下具有旋转的性质，的性质，它们以磁力线为轴它们以磁力线为轴形成涡旋管，形成涡旋管，涡旋管转动的涡旋管转动的角速度正比于磁场强度角速度正比于磁场强度H，涡旋媒质的密度正比于媒质涡旋媒质的密度正比于媒质磁导率磁导率。 由于相互紧密连接的涡旋由于相互紧密连接的涡旋管的表面是沿相反方向运动的，管的表面是沿相反方向运动的，为了互不妨碍对方的运动，麦为了互不妨碍对方的运动，麦克斯韦设想在相临涡旋管之间克斯韦设想在相临涡旋管之间充满着一层充满着一层起滚珠轴承作用的起

41、滚珠轴承作用的微小粒子微小粒子。它们是些远比涡旋。它们是些远比涡旋的线度小、质量可以忽略的的线度小、质量可以忽略的带带电粒子电粒子。粒子和涡旋的作用是。粒子和涡旋的作用是切向的。粒子可以滚动，但没切向的。粒子可以滚动，但没有滑动。有滑动。 对于静电场中的情况：对于静电场中的情况：麦克斯韦把涡旋模型又进一步推广到静电场。无外磁场麦克斯韦把涡旋模型又进一步推广到静电场。无外磁场时，由于时，由于H=0，涡旋管静止。但，涡旋管静止。但当处于静电场中时当处于静电场中时，粒子层，粒子层将受到电力将受到电力E的作用而发生位移的作用而发生位移D，并给涡旋管以切向力使，并给涡旋管以切向力使之发生形变。当两力平衡

42、时，粒子和涡旋管保持相对静止之发生形变。当两力平衡时，粒子和涡旋管保持相对静止状态。这时电场能在媒质中转变为弹性势能。这时并无磁状态。这时电场能在媒质中转变为弹性势能。这时并无磁感应产生。感应产生。对于变化电场的情况：对于变化电场的情况： 当电场发生变化的时候，介质中粒子的总位移当电场发生变化的时候，介质中粒子的总位移D D也跟着也跟着发生变化，从而形成正负方向上的电流。麦克斯韦发生变化，从而形成正负方向上的电流。麦克斯韦称之为称之为“位移电流位移电流”, , 并表示为并表示为iiE/E/t t 。3. 麦克斯韦电磁方程组：麦克斯韦电磁方程组： 18731873年，麦克斯韦出版年，麦克斯韦出版

43、电磁学通论电磁学通论，创造性的建，创造性的建立了电磁场理论的完整体系。把以前的电磁场理论都综合立了电磁场理论的完整体系。把以前的电磁场理论都综合在一组方程式中，得到了电磁场的数学方程在一组方程式中，得到了电磁场的数学方程-麦克斯麦克斯韦电磁方程组。以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内韦电磁方程组。以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内在的完美对称。在的完美对称。最初，在最初，在电磁学通论电磁学通论书中，麦克斯韦共列出了书中，麦克斯韦共列出了2020个分量方程，如果采用矢量方程，则仅有个分量方程，如果采用矢量方程，则仅有8 8个个。后来简化。后来简化成成四个四个。18901890年前后，德国物理学

44、家年前后，德国物理学家赫兹赫兹和英国物理学家和英国物理学家亥维赛亥维赛，又两次简化麦克斯韦方程组，才得到我们现在通，又两次简化麦克斯韦方程组，才得到我们现在通用的微分形式。用的微分形式。1电场中的高斯定理电场中的高斯定理2法拉第电磁感应定法拉第电磁感应定律律3磁场中的高斯定理磁场中的高斯定理4安培环路定律安培环路定律麦克斯韦方程组：麦克斯韦方程组：4.电磁波的预言电磁波的预言 麦克斯韦方程组的一个重要结果，就是预言了电磁波麦克斯韦方程组的一个重要结果，就是预言了电磁波的存在。麦克斯韦通过计算，的存在。麦克斯韦通过计算，从方程组中导出了自由空从方程组中导出了自由空间中电场强度间中电场强度EE和磁

45、感应强度和磁感应强度B B的的波动方程波动方程为：为： 式中式中V是波在介质中的传播速度。是波在介质中的传播速度。 式中式中是介电常数，是介电常数，为磁导率。为磁导率。 它表示：电或磁的扰动，将在以太媒质里以速度它表示：电或磁的扰动，将在以太媒质里以速度V V传播传播着。并且推出了电磁波的传播速度为：着。并且推出了电磁波的传播速度为：5.5.光波就是电磁波的提出：光波就是电磁波的提出： 18561856年年韦韦伯伯测测定定上上述述速速度度值值为为：V=31.074V=31.074万万公公里里/ /秒秒, ,麦麦克克斯斯韦韦发发现现这这个个值值与与18491849年年斐斐索索测测得得的的光光速速

46、31.5031.50万万公公里里/ /秒秒十十分分接接近近。他他认认为为这这不不是是巧巧合合，而而是是由由于于光光的的本本质质与与电电磁磁波波相相同同，从从而而提提出出了了光光的的电电磁磁理理论论。它它表表明明“光光本本身身乃乃是是以以波波的的形形式式在在电电磁磁场场中中按按电电磁磁规规律律传传播播的的一一种种电电磁磁振振动动” 。从从而而将将光光、电电、磁磁理理论论统统一一起起来来。完完成了物理学发展史上的第二次理论大综合。成了物理学发展史上的第二次理论大综合。麦麦 克克 斯斯 韦韦 电电 磁磁 场场 理理 论论 的的 建建 立立四四.意义意义1.1.经典电磁理论的确立，完成了物理学理经典电磁理论的确立，完成了物理学理论的第二次大综合，论的第二次大综合，2.2.掀起了第二次工业革命，进一步说明了掀起了第二次工业革命，进一步说明了科学技术是第一生产力。科学技术是第一生产力。