电磁学发展史

日期:2018/6/21 13:30:40   浏览次数:252

          俗话说:干啥吆喝啥。因此我们觉得还是有必要简单介绍一下电磁学的发展史,以此纪念一下在这门学科中有着伟大贡献的一些人,我们今天乃至将来的工作都在这些前辈的基础上所做的一些应用。 也就是因为有了前人的不断探索,我们今天的工作才显得厚重而有意义。  

       说道磁,在我国大约能追溯到2500年前,那时就已经具有天然的磁石知识。古人将磁石称为慈石,能找到最早记载的是《管子·地数》篇其中有:上有慈石者,其下有铜金而其他古籍如《山海经 中也有类似的记载。磁石的吸铁特性很早就被人发现,《吕氏春秋》九卷精通篇就有:慈招铁,或引之也那时的人称他们把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为:石是铁的母亲, 但石有慈和不慈两种,慈爱的石头能吸引他的子女,不慈的石头就不能吸引了 

       大约公元前1000年前后就已经有的指南针,他们在古代就已经用磁针来辨别方向了。不过那时不叫指南针,而被称作司南指南鱼但当时人们并不知道地磁的南北极与地理南北极不重合,直到北宋 时期在他的《梦溪笔谈》里记载了他对磁的探究,第一个描述了磁偏角的概念,这对以后全球航海技术的发展,为新航路的开辟提供了有利的帮助。               

   在西方电磁学的发展基本是在十三世纪欧洲文艺复兴前后才开始的。先后有英国人吉尔伯特、美国的富兰克林、法国的库伦、等等一大批追求真理的人对电及电的现象做了深入的探寻,在此间的年中,磁与电还是毫无关系的两门学科。

  直到1820年丹麦人汉斯·克里斯蒂安·奥斯特17771851),偶然将一个小磁针平行放置在通有直流电导线下方,发现小磁针发生了偏转,也就是说小磁针受到了力的作用,这与牛顿力学的基本原理是相互矛盾的,在牛顿力学中,自然界的力只能是作用于物体连线上的吸引或排斥力,即直接推拉性质的“中心力”。而奥斯特发现的却是一种“旋转力”。他称之为“螺旋线”,实际上就是关于磁的横向效应或电流所引起的涡流磁场的直观描述,是“场”的思想的开端。奥斯特第一个揭示出了电与磁之间的内在联系,为电流计、电报和电机的发明制造开辟了道路,并为电磁场理论的发展奠定了基础。奥斯特的这一伟大发现,被作为划时代的一页载入了史册。为了纪念他,从1934年起,磁场强度单位命名为奥斯特。此后法国人毕奥(17741862)和萨伐尔(17911874)在奥斯特的发现基础上又做了大量的研究给出了量化的数学描述。与此同时也是法国人安德烈·玛丽·安培1775—1836),也做了同样的实验,并给出了磁场方向与电流方向的判定方法,并用螺线管(指导线反复缠绕)加强了磁场强度,又进一步设想:既然通电的线圈(螺线管)类似一只磁铁,反过来,一个天然磁体不是也像一只通电线圈吗?那么,天然磁铁上的电流在哪里?安培注意到这样一个事实,那就是把一条形磁体折为两段,结果变成了两个独立的磁体,照此分下去,天然磁体的每一颗粉末乃至分割到原子也都是独立的磁体,都有N极和S极。从而提出被后人称作的安培假说,安培的假说提示了磁现象的电本质。为安培假说提供有力证明的是之后的荷兰人亨德里克·安东·洛伦兹(18531928),他在1895年提出了著名的洛仑兹力公式,描述了运动电荷确实受到了磁场的作用力,从而给出了奥斯特发现的微观解释。 

  运动电荷(电流)能产生磁场,之后人们又猜想磁场是否可以产生电场呢?在奥斯特发现电流的磁效应,受到科学界的关注,一年后1821年,英国《哲学年鉴》的主编约请戴维撰写一篇文章,评述自奥斯特的发现以来电磁学实验的理论发展概况。戴维把这一工作交给了迈克尔·法拉第17911867)。法拉第在收集资料的过程中,对电磁现象产生了极大的热情,并开始转向电磁学的研究。他仔细地分析了电流的磁效应等现象,认为既然电能够产生磁,反过来,磁也应该能产生电。于是,他企图从静止的磁力对导线或线圈的作用中产生电流,但是努力失败了。经过近10年的不断实验,到1831年法拉第终于发现,一个通电线圈的磁力虽然不能在另一个线圈中引起电流,但是当通电线圈的电流刚接通或中断的时候,另一个线圈中的电流计指针有微小偏转又经过反复实验,都证实了当磁作用力发生变化时,另一个线圈中就有电流产生终于实现了“磁生电”的夙愿,开通了在电池之外大量产生电流的新道路,并依据实验在18311028日发明了圆盘发电机结构虽然简单,但它却是人类创造出的第一台发电机,现代世界上产生电力的发电机就是从它开始的,宣告了电气时代的到来。然而法拉第并没有止步于此,1837年他引入了电场磁场的概念,指出电和磁的周围都有场的存在,这打破了牛顿力学超距作用的传统观念。1852年,他又引进了磁力线的概念,从而为经典电磁学理论的建立奠定了基础。后来,英国物理学家麦克斯韦数学工具研究法拉第的磁力线理论,最后完成了经典电磁学理论。 

   对于经典电磁学理论大厦的落成不得不提到英国人詹姆斯·克拉克·麦克斯韦18311879)。19世纪中期,描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的库仑定律、高斯定理、安培定律、法拉第电磁感应定律已相继建立,法拉第关于力线和场的概念已经提出,创立电磁场理论的条件已趋成熟。麦克斯韦洞悉已有的电磁场理论,发现内部的不对称性和矛盾,大胆提出“位移电流”和“涡旋电场”假说,并用流体力学的研究方法提出了一组方程概括了原有的各个电磁学定律,对电磁场理论进行了一次大综合,实现了科学认识的革命性变革。他建立的电磁场理论,将电学、磁学、光学统一起来,并预言了电磁波的存在,造福于人类的无线电技术,就是以电磁场理论为基础发展起来的。

   麦克斯韦是继法拉第之后,集电磁学大成的伟大科学家。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,完成了物理学的又一次大综合。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。 

   由于近代物理的发展,在法拉第、麦克斯韦和洛伦兹的理论体系中,假定的一种特殊媒质“以太”存在,它是电磁波的荷载者,只有在以太参照系中,光速才严格地与方向无关,麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式也只在以太参照系中才严格成立。之后的1905年爱因斯坦建立了狭义相对论,它改变了原来的观点,认定狭义相对论是物理学的一个基本原理,它否定了以太参照系的存在并修改了惯性参照系之间的时空变换关系,使得麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式有可能在所有惯性参照系中都成立。并利用洛伦兹坐标变换推演了电磁学结论,说明从相对论时空观理解电磁学现象是十分可行的,使得电与磁成为了同一种事物,即电磁场的不同方面性质的描述,而电与磁之间的关联性也成为了相对论效应的体现狭义相对论的建立不仅发展了电磁理论,并且对以后理论物理的发展具有巨大的作用。

  以上只是对经典电磁理论与近代电磁理论做了一点少许的回顾,其目的只在于敬仰和纪念那些对我们目前从事这个行业的前人巨匠,由于篇幅与水平有限,我们不可能完全涉及电磁领域的所有前辈,况且这些前辈不仅在电磁领域有着卓越的贡献,大多数人还是物理、化学、数学、哲学、天文、政治、教育方面的大家,对以上涉及到的这些前辈巨匠描述也是极度有限的。

 

 

 

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