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About Lesson

古人通过对静电和自然磁力现象的观察研究,展开了关于电磁学的历史,但在19世纪之前,近代电磁学的先驱们,一直把电和磁作为独立的互不相关的现象进行研究。

古希腊人知道磁铁矿和摩擦琥珀会产生吸引力。磁铁矿,一种早在公元前800年就在希腊文献中提到的铁的磁性氧化物,开采于希腊色萨利大区的马格尼西亚省。而居住在附近的泰勒斯(希腊七贤之一,西方思想史上第一个有记载留下名字的思想家,被后人称为“科学和哲学之祖”、科学家、哲学家,出生于爱奥尼亚的米利都城),可能是第一个研究磁力的希腊人。他显然知道磁铁矿会吸引铁,而摩擦琥珀(一种被希腊人称为ēlektron的树木树脂化石)会使它吸引像羽毛这样的轻小物体。

早在公元前26世纪,古代中国人就制作了司南,用于指示方向,这也是磁学最古老的实际应用。

最早的关于磁学的研究是由法国的十字军战士和工程师彼得勒斯·佩雷格里努斯(Petrus Peregrinus de Maricourt)完成的,并发现了磁极 (N、S极)。1269年佩雷格里努斯参加了对意大利某城市的缓慢乏味的围攻时,他曾给朋友写一信,信中谈到他对磁石的研究,说明了如何判断磁石的南北极,并指出同极相斥,异极相吸,他还解释了如果你将磁铁断成两块,并不能使其中的一极分离,因为断下的每一段又成为带有两南北极的完整磁铁。 也许他谈到的最重要的一件事是改进了指南针,就是将指南针放在一支点上,而不是让它连在一块软木上浮动,在指针周围作一刻度盘,可较精确地读出方向的度数,毋容置疑,正因为使用了这种实用的指南针,又使欧洲航海家能满怀信心驶入遥远而看不到陆地的大西洋。因此,佩雷格里努斯是150年后开始的伟大探险时代的另一先驱。

现代电学和磁学的开端

现代电学和磁学的创始人是威廉·吉尔伯特(William Gilbert 英国医师,物理学家和自然哲学家,磁动势单位,也称为磁势,以他的名字命名为吉尔伯特)。

威廉·吉尔伯特

吉尔伯特生于英国一个名门家庭,18岁到剑桥圣约翰学院攻读数学和医学。毕业后开业行医,1573年,他被选为皇家内科医学院院士,后得到英国女王伊丽莎白一世的赏识,成为一名御用医师。吉尔伯特兴趣十分广泛,行医之暇,他不懈地进行化学实验和电、磁方面的实验研究工作。他受古希腊泰勒斯故事的影响,进行了多种物质的摩擦生电实验,并在佩雷格里努斯的《有关磁石的信札》一书的启示下,提出了 “磁力才是宇宙力的奥秘”的思想。

吉尔伯特花了17年时间进行磁学实验,并在较小范围上进行了电学实验。他将他的实验结果和所有可用的磁学知识汇集在1600年出版的近代电学、磁学的开山巨著《De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure》(《关于磁石、磁性体及磁性地球的新自然哲学论》,简称《磁石论》)一书中。正如标题所示的那样,吉尔伯特将地球描述为一个巨大的磁铁。他为两个因摩擦而带电的物体之间的力引入了”electricus”这个新拉丁语来,意思是“像琥珀”,使用它来表示两个因摩擦而带电的物体之间的力“就像琥珀具有吸引力的特性”,1646 年,英国的托马斯·布朗爵士(Sir Thomas Browne)在他的百科全书《Pseudodoxia Epidemica》中,按英语拼写法,将“electricus”改写为目前人们熟知的“electricity”(电),并一宜沿用至今。

同时,吉尔伯特还表明摩擦电也可以发生在许多普通材料中。他还指出了磁力和电之间的一个主要区别:磁性物体之间的力倾向于使物体相对于彼此对齐,并且只受到大多数中间物体的轻微影响,而带电物体之间的力主要是物体之间的吸引力或斥力,并受到中间物质的严重影响。

他还发明了第一个电的测量仪器–验电器,这有助于进一步的电实验研究。

在《磁石论》中,记录了吉尔伯特所进行的电气实验和观察到的电气现象,他将琥珀、玛瑙、宝石、树脂、水晶、硫磺、封蜡等作为实验对象,用呢绒、毛皮、 丝绸等进行摩擦,发现有些物质可以产生“琥珀力”,吸引细小的物体; 有些物质则不能产生“琥珀力”无法吸引细小物体,由此,他将物质分为“电气素”(electric effluvium)和“非电气素”(anelectrics)两大类,并认为电气素中存在一种没有重量的物体, 它是一种具有特定物质性质且有一定大小的粒子。

吉尔伯特还应用琥珀力相互吸引的原理,制成了能测定电的性质的原始仪器。他将一根长约七八厘米的磁针用支点支控起来,将摩擦过的物体靠近磁针一端,根据磁针是否发生偏转,即可判定摩擦后的物体是否带电(即是“电气素”还是“非电气素”)。

在《磁石论》中,吉尔伯特以较长篇幅介绍了对天然磁石和地球磁场的实验研究成果,他利用天然磁石制成的小磁石球(他取名为“小地球”)进行实验,发现在小磁石球作用下,小磁针的偏转行为与地球上的指南针极为相似,由此他联想到地球可能是一个大磁石,只是上面浮着一层水、岩石和泥土,指南针的指向作用就是地球大磁石和指南针(磁针)之间同极相斥、异极相吸而产生的。从这一推断出发,他对磁倾角和磁偏角现象进行了解释。他认为磁倾角是由于指南针在地球不同纬度上的受力方向与该纬度水平方向间存在一个夹角所致;而磁偏角是由 于地球上磁性仅存在于陆地,水不会磁化,不同地方陆地对磁 针的吸引力不同而造成的(显然这种解释是不正确的)。在认定地 球是一块大磁石的前提下,吉尔伯特还设想太阳也是一块大磁 石,它对行星发出的磁性引力使行星绕太阳旋转。

吉尔伯特还将电和磁进行了对比,指出:“琥珀力的大小能 够用潮气、纸或麻布来加以控制,而磁石的吸力能透过水、厚 木板和石板。磁性物质只能相互吸引,而电却能够吸引一切物质”,认为“这是两种截然不相同的自然现象,不能把它们混为一谈。”现在看来,吉尔伯特的这种认识是不正确的。另外,他在电、磁学上最先使用了电吸引、电力、磁极等术语。

吉尔伯特是世界上第一个对电、磁进行科学实验和研究的科学家,是建立近代电学、磁学的先行者,因 此被誉为“磁学之父”“磁学的伽利略”“电学之父”。他的著作《磁石论》对后世影响深远,许多科学家正是 沿着他开辟的道路继续进行电、磁学的探索。当然,作为科学泰斗,他一言九鼎,认为“电和磁是截然不同的两种自然现象”的错误观点,也束缚了某些科学家(如库仑、安培)的思想,一定程度上影响了人们对电、磁现象间相互联系、相互作用的探索。[1]

蓬勃发展时期

在17世纪到18世纪初,随着更好的电荷源被开发出来,对电效应的研究变得越来越受关注。第一台能产生电火花的机器是由德国物理学家和工程师奥托·冯·格里克(德语:Otto von Guericke,1602年11月20日~1686年5月11日 )在1663年制造的。奥托·冯·格里克发明的摩擦式静电发生器依靠摩擦电效应,这是两种材料相互摩擦时产生的小电流。 机器上有一个旋转的硫磺球,当旋转时,通过用手摩擦硫磺会积累静电荷。 后来的研究表明,也可以使用其他材料,例如玻璃。

奥托·冯·格里克发明的摩擦式静电发生器

英国化学家斯蒂芬·格雷(1666 年 12 月 – 1736 年 2 月 7 日,英国染色师和天文学家)被认为是第一个系统地进行导电实验的人。他发现,当玻璃管被摩擦时,插在玻璃管两端的瓶塞会通电。他还通过一根由丝绳支撑的麻线将电流传送了大约150米,在另一次演示中,他通过金属线将电流传送得更远。他还首先区分了导体和绝缘体,发现了静电感应的远距离作用现象。

从 18 世纪中叶到 19 世纪初,科学家们认为电是由流体组成的。1733年法国化学家查尔斯·弗朗索瓦·德·西斯特奈·杜费( Charles François de Cisternay DuFay)宣布电由两种流体组成:“玻璃电”(来自拉丁语中的“glass”)或正电;和“树脂电”或负电。当杜费给一根玻璃棒通电时,它会吸引附近的软木塞。然而,如果玻璃棒接触到软木碎片,软木碎片就会相互排斥。杜费解释了这种现象,一般情况下,物质是电中性的,因为它包含等量的两种流体;但是,如果摩擦使物质中的流体分离并使其不平衡,则该物质会吸引或排斥其他物质。

杜费总结出静电学的第一个基本原理——带同样性质电荷的物体互相排斥,带不同性质电荷的物体互相吸引,以及物体带电的3种方式——摩擦带电、传导带电和感应带电;另外,他还与在电学上多有建树的诺莱(Nollet, 1700—1770)一道,亲身进行过人体导电实验。

1745年,荷兰莱顿的物理学家和数学家Pieter van Musschenbroek发明了一种便宜又方便的电火花来源。后来被称为莱顿瓶,它是第一个可以储存大量电荷的设备。同时期德国主教克莱斯特(E. Georg von Kleist, 1700-1748)在1745年也发明了一种储存电荷的装置。但由于Musschenbroek时任莱顿大学教授,加之他名气很大,并首先将该装置用于实验, 因此习惯上称这种装置为莱顿瓶(Leyden jar)。莱顿瓶通过将导电线裸露的一端与产生静电的摩擦装置接触而充电。作为原始形式的电容器,莱顿瓶曾被用来作为电学实验的供电来源,也是电学研究的重要基础。莱顿瓶的发明,标志着对电的本质和特性进行研究的开始。

莱顿瓶

在Musschenbroek的莱顿瓶出现后一年内,英国内科医生兼科学家威廉-沃森(William Watson)建造了一个更复杂的莱顿瓶;他在容器的内部和外部涂上金属箔,以提高其储存电荷的能力。1747年,威廉-沃森通过一根横跨泰晤士河的西敏斯特大桥上的电线,从他的装置中发射了电火花。威廉-沃森就展示了在电线上利用大地作为回流导体传输电流的可能性。因此,以大地为回流导体的架空单线是第一条传输线。

在美国,本杰明-富兰克林卖掉了他的印刷厂、报纸和年鉴,把时间用于进行电学实验。1752年,富兰克林通过在雷雨期间放飞一个丝质风筝,证明了闪电是电传导的一个例子。他通过将湿麻绳系在一把钥匙上,然后系在一个莱顿瓶上,从云中收集电荷。然后,他利用闪电中积累的电荷进行了电学实验。富兰克林提出了现在被称为电荷守恒的定律(在一个孤立的区域内,电荷的净和总是不变的)。与威廉-沃森一样,他不同意杜费的双流体理论。富兰克林认为,电是由一种液体的两种状态组成的,这种液体存在于一切事物之中。含有异常大量液体的物质将是 “正 “的,或带正电。含有少于正常数量的液体的物质将是 “负的”,或带负电。富兰克林的单流体理论主导了100年的电学研究,基本上是正确的,因为大多数电流是移动电子的结果。然而,与此同时,基本粒子同时具有负电荷和正电荷,在这个意义上,杜费的双流体模型是正确的。

关于风筝实验

1752年10月19日,富兰克林在《宾夕法尼亚报》描述了该实验,但没有提到实验人是自己。12月21日,该报告在皇家学会诵读,在《哲学快报》刊登。1767年,约瑟夫·普利斯特里在其《电学历史与现状》中出版细则。富兰克林小心站在绝缘体上,在屋顶下避雨,以免遭到电击。俄国格奥尔格·里奇曼教授进行类似的实验时被电击致命。

在文章里,富兰克林提到了危险性,并给出确保安全的措施,如接地。富兰克林并未像流行小说叙述一般把风筝飞到天上被雷劈中,否则有生命之虞。

富兰克林的风筝实验对近代电学产生了深远的影响,它不仅拓宽了人们对静电的认识领域,而且还使人们认识到开发和利用电的广阔前景。风筝实验告诉人们,摩擦电和雷电是同一种东西.雷电又有如此巨大的威力,加之当时已能用起电机产生电.因此,一旦能找到更有效的生产电的途径,也就能获得像雷电那样威力无比的能量。从这个意义上讲,风筝实验是近代电学史上一场思想上和观念上的革命。如果在富兰克林之前人们多少还把电学实验作为一种魔术、游乐活动的话,那么在富兰克林之后人们已把电学真正当作一门科学,并由此开始探索产生电的新方法。

在进行雷电实验、研究的过程中,富兰克林设想可以在屋顶上装设带尖端的铁杆,把雷电引入大地.从而保护建筑物免遭雷击。1753年,富兰克林在自己家中安装了一个尖端避雷装置,进行观察实验,实验证明它 确实可以把雷电引入大地。不久,这种避雷装置就在欧洲推广开来。

英国物理学家约瑟夫·普里斯特利( Joseph Priestley)在他的《The History and Present State of Electricity》(电力的历史和现状  1767)一书中中总结了所有有关电的数据。他重复了富兰克林的一个实验,在这个实验中,富兰克林把小软木塞扔进一个高度通电的金属容器中,发现它们既不吸引也不排斥。容器内部没有任何电荷,这让普里斯特利想起了牛顿定律,即中空球体内部没有重力。由此,普里斯特利推断,电荷间的力定律一定与万有引力定律相同。即质量之间的力与质量之间距离的平方成反比递减。尽管普里斯特利定律是用定性和描述性的术语来表述的,但它在今天仍然有效。

静电学和静磁学定量定律的表述

库仑(Charles-Augustin de Coulomb,1736年-1806年 ,法国物理学家、军事工程师、土力学奠基人)在18世纪后半期将电学确立为一门数学科学。他将普里斯特利的描述性观察转化为静电学和磁静电学的基本定量法。他还发展了电力的数学理论,并发明了扭力天平,该天平在接下来的100年里一直被用于电力实验。库仑用天平来测量磁极之间和不同距离的电荷之间的力。1785年,他宣布了他的定量证明,即电和磁力的变化,就像重力一样,与距离的平方成反比。因此,根据库仑定律,如果两个带电质量之间的距离增加一倍,它们之间的电力量就会减少到四分之一。(英国物理学家亨利-卡文迪许以及苏格兰的约翰-罗比森在库仑之前就已经对这一原理进行了定量测定,但他们没有发表自己的成果)。

夏尔·奥古斯丁·德·库仑(Charles-Augustin de Coulomb,1736年-1806年)

法国的西莫恩·德尼·泊松(Simeon-Denis Poisson 1781~1840,法国数学家、几何学家和物理学家)和德国的约翰·卡尔·弗里德里希·高斯(1777年4月30日—1855年2月23日, 德国著名数学家、物理学家、天文学家、几何学家,大地测量学家)在18和19世纪初扩展了库仑的工作。泊松方程(发表于1813年)和电荷守恒定律几乎包含了所有的静电学定律。磁静力学的理论,即对稳态磁场的研究,也是从库仑定律发展而来的。磁静力学使用与电势类似的磁势概念(即假设磁极具有与电荷类似的性质)。

迈克尔-法拉(Michael Faraday,1791年9月22日-1867年8月25日,英国物理学家,在电磁学及电化学领域做出许多重要贡献)在普里斯特利的工作基础上进行了一项实验,相当准确地验证了平方反比定律。法拉第冰桶实验是法拉第在1843年进行的一项简单的静电学实验,以演示导电容器上的静电感应现象。法拉第用的是一个装冰的铁桶作为容器,实验因而得名。实验表明,一导电壳体内封入的电荷会在壳上感应出等量电荷,并且在导体中,电荷全部驻留在表面上。它还演示了电磁屏蔽的原理,这在法拉第笼中也有应用。冰桶实验是第一个对静电荷的精确的定量实验。

今天,人们相信守恒是电荷的一个基本定律,这不仅是基于富兰克林和法拉第的实验,也是基于它与电气工程、量子电动力学和实验电学中的所有观察结果完全一致。随着法拉第的工作,静电学的理论已经完成。

B站上费曼关于电荷守恒定律的讲座视频

电化学和电动力学的基础

伏打电堆是1800年3月20日意大利教授亚历山德罗·朱塞佩·安东尼奥·阿纳斯塔西奥·伏特(意大利语:Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta,1745年2月18日-1827年3月5日)发明的世界上第一个发电器,也就是电池组,伏打电堆开创了电学发展的新时代。伏打电堆是由多层银和锌叠合而成,其间隔有浸渍水的物质,亦称伏特电池

伏特电池

公元1786年,意大利物理学家、医生伽伐尼在实验室解剖青蛙,把剥了皮的蛙腿,用刀尖碰蛙腿上外露的神经时,蛙腿剧烈地痉挛,同时出现电火花。经过反复实验,他认为痉挛起因于动物体上本来就存在的电,他还把这种电叫做“动物电”。五年后,他把自己长期从事蛙腿痉挛的研究成果发表。这个新奇发现,引起科学界大为震惊。公元1799年,伏特在过了四十五岁生日后,受伽伐尼的影响,决定沿着“动物电”的路子研究下去。

伏特把一个金属锌环放在一个铜环上,再用一块浸透盐水的纸或呢绒环压上,再放上锌环,铜环,如此重复下去,10个、20个、30个叠成了一个柱状,便产生了明显的电流。这就是后人所称的伏打电堆或伏特电池(因音译不同,也称为伏特电堆或伏打电池)。这柱叠得越高,电流就越强。这是为什么呢?原来伏特经过实验创立了一个了不起的电位差理论。就是说不同金属接触,表面就会出现异性电荷,也就是说有电压。他还找到了这样一个序例:.铝、锌、锡、镉、锑、铋、汞、铁、铜、银、金、铂、钯。在这个序列中任何一种金属与后面的金属相接触时,总是前面带上正电,后面带负电。这是世界上第一个电气元素表。只要有了电位差、电势差,即电压,就会有电流。如此,人们对电的认识一下于就跃出了静电的领域,就不再是摩擦毛皮上的电,雷雨中的电,莱顿瓶里的电,也不只是动物身上的电,而是能控制流动的电。科学家阿拉果在1831年写的某篇文章中这样称赞福特电池:“这种由不同金属中间用一些液体隔开而构成的电堆,就它所产的奇异效果而言,乃是人类发明的的最神奇的仪器。”

伏特电池的问世,给人们提供了一种产生稳定电流的装置,为人类进行电学研究创造了条件,许多科学家都转而进行电学研究工作,电学研究领域热闹起来。相比之下,磁学研究却冷冷清清。由于受吉尔伯特”电和磁是截然不同的自然现象”这一错误理论的束缚,人们尚未注意考察、研究电和磁的亲缘关系。

一旦科学家能够用电池产生电流,他们就可以定量地研究电流的流动。有了电池,德国物理学家格奥尔格·西蒙·欧姆能够在1827年通过实验精确地量化一个问题,即材料导电的能力,而卡文迪什只能在大约50年前定性地研究这个问题。欧姆定律解释了电荷流动的阻力如何取决于导体的类型及其长度和直径。根据欧姆公式,流过导体的电流与电位差或电压成正比,与电阻成反比,也就是说,I = V/R。因此,电线的长度增加一倍,电阻就增加一倍,而电线的横截面积增加一倍,电阻就减少一半。欧姆定律可能是电气设计中应用最广泛的方程。不过,欧姆的研究用的不是起初的伏特电池,其主要原因是伏特电池提供的电压不稳定,塞贝克在1822年发现的热电技术提供了一个恒定的电压源来提供持续的电流。1826年,欧姆利用热电堆获得了电压、电流和电阻之间简单而有力的关系。这就是电路理论的开始。

电磁现象的实验和理论研究

物理学发展的一个重大转折点是汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(丹麦语:Hans Christian Ørsted,1777年8月14日-1851年3月9日)在1820年宣布电流会产生磁效应。奥斯特是在一个物理课的讲课时发现这一发现的。他偶然把一根带电流的电线放在指南针附近,惊讶地发现指南针与电线成直角摆动。奥斯特的偶然发现证明了电和磁是相互联系的。他的发现,以及法拉第随后发现的变化的磁场会在附近的电路中产生电流,为詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的统一电磁学理论和大多数现代电磁技术奠定了基础。

当奥斯特的实验揭示了电流有磁场效应后,科学家们意识到在电流之间一定存在着磁力。他们立即开始研究这些力。法国物理学家弗朗索瓦·让·多米尼克·阿拉戈(法语:François Jean Dominique Arago,1786年2月26日-1853年10月2日 法国数学家、物理学家、天文学家和政治家,曾任法国第25任总理)在1820年观察到,电流会使未磁化的铁屑环绕绕着电线排列。同年,另一位法国物理学家安德烈-马里·安培 (法语:André-Marie Ampère,FRS,1775年1月20日-1836年6月10日 法国物理学家、数学家,经典电磁学的创始人之一)以定量的方式发展了奥斯特的观测。安培研究表明,两根平行的电线像磁铁一样相互吸引和排斥。如果电流沿同一方向流动,导线就会相互吸引;如果它们向相反的方向流动,导线就会相互排斥。通过这个实验,安培能够表达磁场中电流的力方向的右手法则。他还从实验上定量地建立了电流之间的磁力定律。他认为,内部电流是永久磁铁和高磁化材料(如铁)的原因。

19世纪20年代,英国的威廉·斯特金和美国的约瑟夫·亨利利用奥斯特的发现开发了电磁铁。斯特金用18圈裸露的铜线绕着一根U形铁棒。当他打开电流时,棒子变成了一个电磁铁,能够举起自身重量20倍的东西。当电流关闭时,金属棒就不再磁化了。1829年,亨利重复了斯特金的工作,使用绝缘电线防止短路。通过将导线缠绕铁棒多达数百圈,亨利创造了一种可以举起一吨多铁的电磁铁。

约瑟夫·亨利

奥斯特的实验表明,电可以产生磁效应,那反过来磁能在另一个电路中诱发电流吗?法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳(法语:Augustin-Jean Fresnel,法国物理学家,波动光学理论的主要创建者之一)认为,既然金属螺旋线内部的钢条可以通过通过螺旋的电流被磁化,那么条形磁铁反过来也应该在包络的螺旋线中产生电流。在接下来的十年里,人们设计了许多巧妙的实验,但对于在靠近磁铁的线圈中感应到稳定电流的预期,导致实验人员要么意外地遗漏了,要么没有认识到由磁铁引起的任何瞬态电效应。

法拉第的电感应发现

法拉第是19世纪最伟大的电学和磁学实验家,也是有史以来最伟大的实验物理学家之一,他断断续续研究了10年,试图证明磁铁可以产生电。1831年,他通过使用两个绕在软铁环两边的线圈,终于获得了成功。第一个线圈被连接到一个电池上;当电流通过线圈时,铁环被磁化。第二个线圈的一根导线被延伸到一米外的罗盘针上,这个距离足以使它不被第一个电路中的任何电流直接影响。当第一个电路被打开时,法拉第观察到罗盘针有瞬间的偏移,并立即回到原来的位置。当初级电流被关闭时,罗盘针也发生了类似的偏转,但方向相反。在其他实验的基础上,法拉第表明,第一个线圈周围磁场的变化是诱发第二个线圈中的电流的原因。他还证明,通过移动磁铁、打开和关闭电磁铁,甚至通过在地球磁场中移动电线,都可以诱发电流。在几个月内,法拉第造出了第一台原始的发电机。

法拉第的电磁感应实验设备

早在法拉第之前,亨利在1830年就完全独立地发现了电磁感应定律,但他的成果直到他收到法拉第1831年工作报告的消息之后才发表,他也没有像法拉第那样充分地发展这一发现。

法拉第并不是唯一一个为电、磁和其他物理领域的综合奠定基础的研究者。在欧洲大陆,主要是在德国,科学家们正在电、磁和光学之间建立数学联系。物理学家弗朗茨·恩斯特·诺伊曼(Franz Ernst Neumann), 威廉·爱德华·韦伯(Wilhelm Eduard Weber)和海因里希·楞次(H.F.E. Lenz)的工作就属于这一时期。与此同时,赫尔曼·冯·亥姆霍兹(德語:Hermann von Helmholtz,1821年8月31日-1894年9月8日)和英国物理学家威廉·汤姆森(William Thomson, 1st Baron Kelvin,1824年6月26日-1907年12月17日 后来的开尔文勋爵)以及詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(英語:James Prescott Joule,1818年12月24日-1889年10月12日,英國物理學家)正在阐明电和其他形式的能量之间的关系。在19世纪40年代,焦耳研究了电流和热之间的定量关系,并提出了伴随导体中电流流动的热效应理论。亥姆霍兹、汤姆森、亨利、古斯塔夫·基尔霍夫和乔治·加布里埃尔·斯托克斯爵士也扩展了导体中导电和电效应传播的理论。1856年,韦伯和他的德国同事鲁道夫·科尔劳施确定了电和磁单位的比例,发现它与光的维度相同,而且几乎完全等于光速。1857年,基尔霍夫利用这一发现证明了电扰动以光速在高导电性导线上传播。

麦克斯韦的电磁学统一理论

麦克斯韦在将电和磁综合为一个统一的理论方面迈出了最后一步。他深受法拉第工作的影响,麦克斯韦将法拉第的实验结果转换成了数学描述。(1856年,麦克斯韦提出了电磁场的能量存在于导体周围的空间以及导体本身的理论。到1864年,他发表了光的电磁理论,预测光和电磁波都是电和磁现象。法拉第发现磁场的变化会产生电场,而麦克斯韦则补充道:即使没有电流,电场的变化也会产生磁场。麦克斯韦预言,在自用空间中传播的电磁具有相互成直角的电场和磁场,而且这两个场都垂直于波的方向。他的结论是,波的运动速度等于光速,光是电磁波的一种形式。

麦克斯韦方程组代表了经典电磁理论的巅峰。这一理论的后续发展要么涉及电磁学和物质的原子结构之间的关系,要么涉及麦克斯韦方程的实际和理论结果。他的公式经受住了相对论和量子力学的考验。他的公式适用于\(10^{-10}  \)厘米的微小距离,也就是比一个原子小100倍的距离。

由于麦克斯韦方程组完全不能表达光子的概念,任何涉及到单独光子的现象,例如光电效应、普朗克定律、单光子探测器等等,假若使用麦克斯韦方程组来解释,都会遇到困难。对于这些案例,必须用量子电动力学的理论来给予解释。

1884年,奥利弗·亥维赛将麦克斯韦方程组改写为今天人们所熟知的形式。赫兹以标量形式独立重写了麦克斯韦方程,使用了12个没有电势函数的方程。赫兹是在亥维赛之后才提出这些方程的。1884年,坡印廷计算了电磁波传输的功率。认识到亥维赛和赫兹在重新制定麦克斯韦方程组方面的贡献,洛伦茨称电磁场方程为麦克斯韦-海维塞德-赫兹方程。

尽管麦克斯韦的观点很优雅,但在英国以外的地方很少有人接受,直到1886年,德国物理学家海因里希-赫兹验证了以光速运动的电磁波的存在;他发现的波现在被称为无线电波。


在研究电磁波的过程中,赫兹发明了以赫兹偶极子作为发射天线,矩形线环作为接收天线,以及火花间隙作为发射器和探测器来检测传播的电磁波的装置。因此,他在实验中证实了麦克斯韦方程的有效性,并打开了无线通信的宏伟大门。

参考资料

戴庆忠 ,《电机史话 》, 清华大学出版社 

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