電磁學發展史

日期:6/21/2018 1:30:40 PM   瀏覽次數:6135

          俗話說:干啥吆喝啥。因此我們覺得還是有必要簡單介紹一下電磁學的發展史,以此紀念一下在這門學科中有著偉大貢獻的一些人,我們今天乃至將來的工作都在這些前輩的基礎上所做的一些應用。 也就是因為有了前人的不斷探索,我們今天的工作才顯得厚重而有意義。  

       說道磁,在我國大約能追溯到2500年前,那時就已經具有天然的磁石知識。古人將磁石稱為慈石,能找到最早記載的是《管子·地數》篇其中有:上有慈石者,其下有銅金而其他古籍如《山海經 中也有類似的記載。磁石的吸鐵特性很早就被人發現,《呂氏春秋》九卷精通篇就有:慈招鐵,或引之也那時的人稱他們把磁石吸引鐵看作慈母對子女的吸引。并認為:石是鐵的母親, 但石有慈和不慈兩種,慈愛的石頭能吸引他的子女,不慈的石頭就不能吸引了 

       大約公元前1000年前后就已經有的指南針,他們在古代就已經用磁針來辨別方向了。不過那時不叫指南針,而被稱作司南指南魚但當時人們并不知道地磁的南北極與地理南北極不重合,直到北宋 時期在他的《夢溪筆談》里記載了他對磁的探究,第一個描述了磁偏角的概念,這對以后全球航海技術的發展,為新航路的開辟提供了有利的幫助。               

   在西方電磁學的發展基本是在十三世紀歐洲文藝復興前后才開始的。先后有英國人吉爾伯特、美國的富蘭克林、法國的庫倫、等等一大批追求真理的人對電及電的現象做了深入的探尋,在此間的年中,磁與電還是毫無關系的兩門學科。

  直到1820年丹麥人漢斯·克里斯蒂安·奧斯特17771851),偶然將一個小磁針平行放置在通有直流電導線下方,發現小磁針發生了偏轉,也就是說小磁針受到了力的作用,這與牛頓力學的基本原理是相互矛盾的,在牛頓力學中,自然界的力只能是作用于物體連線上的吸引或排斥力,即直接推拉性質的“中心力”。而奧斯特發現的卻是一種“旋轉力”。他稱之為“螺旋線”,實際上就是關于磁的橫向效應或電流所引起的渦流磁場的直觀描述,是“場”的思想的開端。奧斯特第一個揭示出了電與磁之間的內在聯系,為電流計、電報和電機的發明制造開辟了道路,并為電磁場理論的發展奠定了基礎。奧斯特的這一偉大發現,被作為劃時代的一頁載入了史冊。為了紀念他,從1934年起,磁場強度單位命名為奧斯特。此后法國人畢奧(17741862)和薩伐爾(17911874)在奧斯特的發現基礎上又做了大量的研究給出了量化的數學描述。與此同時也是法國人安德烈·瑪麗·安培1775—1836),也做了同樣的實驗,并給出了磁場方向與電流方向的判定方法,并用螺線管(指導線反復纏繞)加強了磁場強度,又進一步設想:既然通電的線圈(螺線管)類似一只磁鐵,反過來,一個天然磁體不是也像一只通電線圈嗎?那么,天然磁鐵上的電流在哪里?安培注意到這樣一個事實,那就是把一條形磁體折為兩段,結果變成了兩個獨立的磁體,照此分下去,天然磁體的每一顆粉末乃至分割到原子也都是獨立的磁體,都有N極和S極。從而提出被后人稱作的安培假說,安培的假說提示了磁現象的電本質。為安培假說提供有力證明的是之后的荷蘭人亨德里克·安東·洛倫茲(18531928),他在1895年提出了著名的洛侖茲力公式,描述了運動電荷確實受到了磁場的作用力,從而給出了奧斯特發現的微觀解釋。 

  運動電荷(電流)能產生磁場,之后人們又猜想磁場是否可以產生電場呢?在奧斯特發現電流的磁效應,受到科學界的關注,一年后1821年,英國《哲學年鑒》的主編約請戴維撰寫一篇文章,評述自奧斯特的發現以來電磁學實驗的理論發展概況。戴維把這一工作交給了邁克爾·法拉第17911867)。法拉第在收集資料的過程中,對電磁現象產生了極大的熱情,并開始轉向電磁學的研究。他仔細地分析了電流的磁效應等現象,認為既然電能夠產生磁,反過來,磁也應該能產生電。于是,他企圖從靜止的磁力對導線或線圈的作用中產生電流,但是努力失敗了。經過近10年的不斷實驗,到1831年法拉第終于發現,一個通電線圈的磁力雖然不能在另一個線圈中引起電流,但是當通電線圈的電流剛接通或中斷的時候,另一個線圈中的電流計指針有微小偏轉又經過反復實驗,都證實了當磁作用力發生變化時,另一個線圈中就有電流產生終于實現了“磁生電”的夙愿,開通了在電池之外大量產生電流的新道路,并依據實驗在18311028日發明了圓盤發電機結構雖然簡單,但它卻是人類創造出的第一臺發電機,現代世界上產生電力的發電機就是從它開始的,宣告了電氣時代的到來。然而法拉第并沒有止步于此,1837年他引入了電場磁場的概念,指出電和磁的周圍都有場的存在,這打破了牛頓力學超距作用的傳統觀念。1852年,他又引進了磁力線的概念,從而為經典電磁學理論的建立奠定了基礎。后來,英國物理學家麥克斯韋數學工具研究法拉第的磁力線理論,最后完成了經典電磁學理論。 

   對于經典電磁學理論大廈的落成不得不提到英國人詹姆斯·克拉克·麥克斯韋18311879)。19世紀中期,描述電場、磁場的性質以及電、磁場相互關系的庫侖定律、高斯定理、安培定律、法拉第電磁感應定律已相繼建立,法拉第關于力線和場的概念已經提出,創立電磁場理論的條件已趨成熟。麥克斯韋洞悉已有的電磁場理論,發現內部的不對稱性和矛盾,大膽提出“位移電流”和“渦旋電場”假說,并用流體力學的研究方法提出了一組方程概括了原有的各個電磁學定律,對電磁場理論進行了一次大綜合,實現了科學認識的革命性變革。他建立的電磁場理論,將電學、磁學、光學統一起來,并預言了電磁波的存在,造福于人類的無線電技術,就是以電磁場理論為基礎發展起來的。

   麥克斯韋是繼法拉第之后,集電磁學大成的偉大科學家。他依據庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發現和實驗成果,建立了第一個完整的電磁理論體系,不僅科學地預言了電磁波的存在,而且揭示了光、電、磁現象的本質的統一性,完成了物理學的又一次大綜合。這一理論自然科學的成果,奠定了現代的電力工業、電子工業和無線電工業的基礎。 

   由于近代物理的發展,在法拉第、麥克斯韋和洛倫茲的理論體系中,假定的一種特殊媒質“以太”存在,它是電磁波的荷載者,只有在以太參照系中,光速才嚴格地與方向無關,麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式也只在以太參照系中才嚴格成立。之后的1905年愛因斯坦建立了狹義相對論,它改變了原來的觀點,認定狹義相對論是物理學的一個基本原理,它否定了以太參照系的存在并修改了慣性參照系之間的時空變換關系,使得麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式有可能在所有慣性參照系中都成立。并利用洛倫茲坐標變換推演了電磁學結論,說明從相對論時空觀理解電磁學現象是十分可行的,使得電與磁成為了同一種事物,即電磁場的不同方面性質的描述,而電與磁之間的關聯性也成為了相對論效應的體現狹義相對論的建立不僅發展了電磁理論,并且對以后理論物理的發展具有巨大的作用。

  以上只是對經典電磁理論與近代電磁理論做了一點少許的回顧,其目的只在于敬仰和紀念那些對我們目前從事這個行業的前人巨匠,由于篇幅與水平有限,我們不可能完全涉及電磁領域的所有前輩,況且這些前輩不僅在電磁領域有著卓越的貢獻,大多數人還是物理、化學、數學、哲學、天文、政治、教育方面的大家,對以上涉及到的這些前輩巨匠描述也是極度有限的。

 

 

 

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