电磁学的发展--讲课

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1、“自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理学的公理基础——换句话说，就是我们关于实在结构的概念——最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁学方面的工作所引起的。”——爱因斯坦第四讲电磁学的发展伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他们把科学思维和实验研究很好地结合在一起，为力学的发展开辟了一条正确的道路。电学、磁学构成了经典物理学的另一重要分支。随着一个个电磁学研究成果的取得，企图把全部物理学归纳为力学的机械论观点宣告彻底失败。电磁学发展史中的典型事件历史概述电现象和磁现象很早受人类注意，留下了许多文字记载。在17

2、世纪前，大多数是观察和零碎的知识，到17世纪后才有一些系统的研究，而定量的研究则更晚。18世纪中叶以后，磁力和电力的平方反比定律相继发现，静电学和静磁场开始沿牛顿力学的发展登上科学的舞台。18世纪末，随着电堆的发明，人们有可能人为地产生和控制电流。19世纪，电流的磁效应、化学效应、热效应相继的发现，其规律得到了定量的表述，电学和磁学得到了和谐统一的发展，建立了统一的电磁理论，并证实了电磁波的存在。本讲将涉及下面一些科学家以及他们的重大发现，他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。库仑奥斯特安培法拉第麦克

3、斯韦Electricity（电）来自希腊文的“琥珀”。中国古代，早在公元前3世纪，古书《韩非子》就记载司南；《吕氏春秋》记有慈石召铁。西汉末年（公元20年）有玳瑁吸细小物体。系统研究始于17世纪。1600年，英国医生吉伯（1544-1603）发表了《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》，吉伯的工作是磁学成为物理学的一个分支。§4.1静电和静磁现象的研究一、静磁和静电现象的早期研究中国古代的贡献：最早文字记载“雷”、“电”，发明指南针等。最早总结前人对电磁研究的大量经验，讨论电磁体性质的英国医生吉尔伯特，他断言：

4、电与磁是两种不同的现象。相比静磁现象，静电研究困难得多。直到第一台摩擦起电机发明后，对静电研究才迅速开展起来。吉尔伯特1660年，盖里克（1602-1668）发明摩擦起电机。盖里克的摩擦起电机实验被许多人重复，人们纷纷仿照他的方法做静电实验，1705年豪克斯比（1666-1713）用空心玻璃球代替硫磺球，发现效果一样。1720年，格雷（1675-1736）研究了电的传导现象，发现导体和绝缘体的区别。随后，他又发现了导体的静电感应现象。1773年杜菲（1698-1739）经过实验区分出两种电荷，他分别为松脂电（负

5、电）和玻璃电（正电），并总结出静电作用的基本特性：同性相斥，异性相吸。莱顿瓶的发明使电现象得到更深入的研究，这是克莱斯特和马森布落克在1745-1746年分别做出。二、富兰克林对雷电现象的研究1.富兰克林(1706-1790):美国人在全家10个孩子中排行8，其父是小手工业者，家境贫困。他在10岁时缀学，12岁当印刷所学徒，阅读了许多书籍，和几个青年创办了“共读社”，后来成为科学家和政治家。自己写的墓志铭:“印刷工富兰克林”。从苍天那里取得了雷电，从暴君那里取得了民权。——杜尔格（法）2.费城实验1746年，一

6、位英国学者在波士顿利用玻璃管和莱顿瓶表演了电学实验。富兰克林怀着极大的兴趣观看了他的表演，并被电学这一刚刚兴起的科学强烈地吸引住了。随后富兰克林开始了电学的研究。富兰克林在家里做了大量实验，研究了两种电荷的性能，说明了电的来源和在物质中存在的现象。在十八世纪以前，人们还不能正确地认识雷电到底是什么。当时人们普遍相信雷电是上帝发怒的说法。一些不信上帝的有识之士曾试图解释雷电的起因，但都未获成功，学术界比较流行的是认为雷电是“气体爆炸”的观点。富兰克林当时已40岁时，对电很有兴趣。其中有一个想法，天上的电和地电是统

7、一的吗?他经过反复思考，断定雷电也是一种放电现象，它和在实验室产生的电在本质上是一样的。于是，他写了一篇名叫《论天空闪电和我们的电气相同》的论文，并送给了英国皇家学会。但富兰克林的伟大设想竟遭到了许多人的嘲笑，有人甚至嗤笑他是“想把上帝和雷电分家的狂人”。富兰克林决心用事实来证明一切。1752年6月的一天，一个电闪雷鸣的上午，他将一个风筝放到空中，风筝下有一根铁丝，铁丝下栓一根麻绳，当一道闪电从风筝上掠过，富兰克林用手靠近风筝上的铁丝，立即掠过一种恐怖的麻木感。他抑制不住内心的激动，大声呼喊：“威廉，我被电击了

8、！”随后，他又将风筝线上的电引入莱顾瓶中。回到家里以后，富兰克林用雷电进行了各种电学实验，证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。富兰克林关于天上和人间的电是同一种东西的假说，在他自己的这次实验中得到了光辉的证实。富兰克林的工作，揭开了雷电的奥秘，统一了“天电”和“地电”，震惊了科学界。小插曲：为了验证“地电”与“天电”的相同处，富兰克林想到雷可以击死动物，于是他就实验用