电磁学与动力技术的新发展

第八讲电磁学与动力技术的新发展19世纪是一个科学推动技术和产业发展的世纪，化学理论的应用产生出化工产业，电磁理论的外延诞生出电力产业。许多科学部门开始从经验描述上升到理论概括。科学对生产的指导作用真正开始出现，并直接导致以电的广泛应用为主体的第二次技术革命。科学在公民心中树立了良好形象。19世纪真正成为“科学的世纪”。法拉第(1791-1867)英国著名物理学家、化学家电的发现——电磁感应原理1791年9月22日生在铁匠家庭。只上过2年小学，13岁在书店当送报和装订学徒。他力图把装订的书籍都读一遍。废寝忘食、如饥似渴地学习。他回忆说：“我就是在工作之余，从书里找到我的哲学。这些书中有2种对我特别有帮助，一是《大英百科全书》，我从它第一次得到电的概念；另一是马塞夫人的《化学对话》，它给了我这门课的科学基础。”法拉第未受过正规教育，却在众多领域作出惊人成就，堪称刻苦勤奋、探索真理、不计个人名利的典范。1812年当时著名的化学家戴维在皇家研究院做化学讲演，法拉第得到1张票，他十分惊喜地发现自己完全能听懂戴维的讲演，这说明多少年的苦读并非徒劳。从此燃起了进行科学研究的愿望。他曾致信皇家学会会长，请求在皇家研究院化学实验室找一份差使，但信石沉大海。法拉第又斗胆给戴维写信，并将戴维的演讲笔记装订得很漂亮，一起寄给了戴维。戴维为这位自学青年的才能和好学精神所感动，立即回信鼓励，但没有答应求职要求。后来戴维与助手闹翻，便通知法拉第做一个刷洗瓶子的工作，法拉第愉快接受了，虽然工资比装订工还低。1813年法拉第随戴维夫妇到欧洲大陆旅游，虽当奴隶使唤，也虔诚忍受。旅行使法拉第大开眼界，他见到了电化学的始祖伏特和其他著名科学家，1815年回国后逐渐在实验室显示了卓越的实验才能。1816年发表第1篇科学论文。1824年被选为皇家学会会员（戴维对他产生妒嫉，只有他一人反对，但法拉第还是怀着敬慕的心情称颂戴维，感谢他早期的培养和教导）；1825年接替戴维任皇家研究院实验室主任；1833年任皇家学院化学教授。法拉第一生热爱真理，热爱人民，真诚质朴，作风严谨。把纷至沓来的各种荣誉藏之高阁，却经常走访贫苦教友家庭。关心科学普及事业，愿更多的青少年奔向科学的殿堂。1826年他开设周五科普讲座，直到退休共主持100多次，并积极参与皇家学院每年“圣诞节讲座”19年。1857年，他再三拒绝担任皇家学会会长，谢绝了皇家学院院长职务。当英王室准备授予他爵士称号时，他多次婉言谢绝说：“法拉第出身平民，不想变成贵族”。1867年8月25日法拉第逝世，墓碑上照他的遗愿只刻有他的名字和出生年月。人们为纪念这位物理学大师，以“法拉”作为电容的国际单位。1821年法拉第研究奥斯特的电流磁作用，作出重大发现：磁作用的方向与产生磁作用的电流方向垂直。法拉第还制成了一种电动机，证明了导线在恒定磁场内的转动。法拉第坚信，如果电流能产生磁场，磁场也一定能产生电流。为此他冥思苦想了10年，许多实验都失败了。直到1831年年底，才取得巨大突破：他发明了一种电磁电流发生器（最原始的发电机）。法拉第不仅作出跨时代的贡献，而且奠定了未来电力工业的基础。研究电磁感应现象的实验示意图法拉第他的敏捷和活跃的品质，难以用言语形容。开尔文“至于天才及其威力，可能是存在的，我也相信是存在的，但是，我长期以来为我们实验室寻找天才却从未找到过。不过我看到了许多人，如果他们真能严格要求自己，我想他们已成为有成就的实验哲学家了。”麦克斯韦(1831-1879)1831年6月生于英国爱丁堡，是集电磁学大成的伟大科学家。建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学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。他10岁进入爱丁堡中学，15岁写了一篇论卵形曲线的论文，16岁进入爱丁堡大学学习物理，三年后转入剑桥大学三一学院，在那里，他精心研究法拉第的《电学的实验研究》。以法拉第的力线概念为指导，透过这些似乎杂乱无章的实验记录，看出了它们之间实际上贯穿着一些简单的规律。麦克斯韦与电磁学理论第1篇电磁学论文《论法拉第的力线》，法拉第的力线概念获得精确的数学表述，并由此导出库仑定律和高斯定律。1862年发表第2篇论文《论物理力线》，不但进一步发展了法拉第的思想，扩充到磁场变化产生电场，而且得到了新结果：电场变化产生磁场，由此预言了电磁波的存在，并证明这种波的速度等于光速，揭示了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦研究电磁理论达到的主要结果。1864年第3篇论文《电磁场的动力学理论》，从几个基本实验事实出发，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁理论。1873年出版的《电学和磁学论》是集电磁学大成的划时代著作，全面总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的著作。麦克斯韦被大多数近代物理学家看作是19世纪的科学家，但他对20世纪的物理学影响很大，他与牛顿和爱因斯坦齐名。1931年爱因斯坦在麦克斯韦诞辰100周年纪念会上曾指出：麦克斯韦的工作“是牛顿以来，物理学最深刻和最富有成果的工作”，从而使物理现实的概念得到了改变。麦克斯韦根据法拉第的电力线和磁力线提出了电磁辐射概念和他的场方程组，从而引出爱因斯坦的狭义相对论，并建立了质量和能量的等效性原理。麦克斯韦说，他最重要的工作是把法拉第的物理观点用数学表达出来。他曾表示电磁波能在实验室内产生（可惜他34岁得了一场大病，48岁与世长辞）。这种可能性首先由赫兹在1887年实现，这时麦克斯韦已去世8年。所以，具有广泛应用价值的无线电工业来源于麦克斯韦的著述。量子论的创立者普朗克指出：“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界”。赫兹(1857-1894)德国物理学家生于汉堡。19岁入德累斯顿工学院学工程，次年转入柏林大学，师从物理学教授赫尔姆霍兹。1885年任卡尔鲁厄大学物理学教授。1889年，接替克劳修斯担任波恩大学物理学教授，直到逝世。赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。赫兹验证电磁波的存在1889年的一次著名演说中，赫兹明确指出光是一种电磁现象。赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论，更为无线电、电视、雷达的发展找到了途径。1887年11月5日，赫兹在寄给赫尔姆霍兹一篇题为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文中，总结了这个重要发现。赫兹还通过实验确认了电磁波是横波，具有与光类似的特性，如反射、折射、衍射等，并且实验了两列电磁波的干涉，同时证实在直线传播时，电磁波的传播速度与光速相同，从而全面验证了麦克斯韦电磁理论的正确性。并且进一步完善了麦克斯韦方程组，使它更加优美、对称，得出了麦克斯韦方程组的现代形式。赫兹研究紫外光对火花放电的影响，发现了光电效应—即在光的照射下物体会释放出电子的现象。这成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。1888年1月，赫兹将这些成果总结在《论动电效应的传播速度》一文中，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以厚望时，却于1894年元旦因血中毒逝世，年仅37岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称“赫”。第二次技术革命—以电力、内燃机和合成染料为标志电动机与发电机发电站与远距离输电电灯、电影电报、电话无线电19世纪：科学的技术化、社会化——电力与电气时代18201840186018801900192019401838电动机1867发电机1882直流输电1879爱迪生电灯电力技术电信技术1891交流输电1876爱迪生留声机1844摩尔斯有线电报1856大西洋海底电缆1876贝尔电话1895无线电报18201840186018801900192019401860勒努瓦内燃机1880奥托四冲程内燃机1885摩托车1892狄塞尔柴油机内燃机飞机1886汽车1890滑翔机1903莱特兄弟飞机汽车1856柏金苯胺紫(第一个合成染料)德国染料工业兴起合成染料电是人类面临的一种前所未用的新型能量。所谓电力革命指的是，新兴的电能开始作为一种主要的能量形式支配着社会经济生活。电能的突出优点：易于传输的工业动力；极为高效可靠的信息载体。因此，电力革命主要体现在动力传输与信息传输两方面。与动力传输系统相关联，出现了大型发电机、高压输电网、各种各样的电动机(马达)和照明电灯。与信息传输相关联，出现了电报、电话和无线电通讯。这些伟大的发明使人类生活进入了一个更光明、更美好的新时期。电动机和发电机1822年法国阿拉果发现电磁铁现象（将导线绕在铁块上，当导线通电时，铁块能被磁化，能使线圈的磁场强度加大）。1834年德国雅可比采用电磁铁制成世界上第一台实用直流电动机。1850年美国佩奇制成一台10马力电动机。1832年法国皮西克制造一台手摇发电机模型。是世界上第一台永磁交流发电机。西门子1816-1892德国工程师1857年英国电学家惠斯通发明励磁式（励磁电流来自伏打电池）发电机。1867年西门子制造了自激式发电机，去掉了电池。这在电机制造史上是划时代的成就。1863年西门子论证发电机中并不需要永久磁体，可以用发电机产生的电动势向激磁绕组提供激磁电流（自激）。西门子展示的自激式发电机模型用磁性很强的电磁铁代替永久磁体，可以发出很强的电流。发电机的发明1866年，西门子研制的发电机交流电机1876年俄国亚布洛契夫制成多相交流发电机。1885年意大利法拉里发现旋转磁场，构造了异步电机模型。1886年美国特斯拉创造了二相异步发电机。1889年俄国多里沃-多布罗渥斯基发明三相异步电动机、三相变压器。1891年三相制开始推行。发电站和输电技术的开创1875年，巴黎建成北火车站电厂，这是世界上第一个发电厂，生产的电力专供弧光灯照明。1881年，美国在威斯康星州建成爱迪生发电厂，其功率只能为250盏电灯使用。1886年在美国建成的第一座交流发电厂，输出功率仅有6千瓦。1891年俄国多里沃-多布罗渥斯建造了水力发电站。1893年美国建造了三相交流发电站。总容量达4万马力。输电1882年法国建成第一条远距离直流输电线路。1883年法国和英国制成第一台实用变压器。80年代，人们已从理论上认识到高压输电的必要性。直流电压受大容量直流发电机的限制，所以直流电不宜远距离输送。1882年法国德普勒建造了世界上第一条远距离输电实验线路，在57公里线路上输送1.5千瓦电力，输电线始端电压是1343伏，终端降为850伏，线损高达78％。1885年，输电线路长56公里，输电电压升高到6000伏，结果线损下降到55％。1881年，汤姆逊（开尔文勋爵）对电能分配理论作了重要贡献，他在《用金属导体导电的经济性》一文中阐明了开尔文定律，说明输电导线最经济截面的要求是：在给定时间里能量损失的费用等于同时期资本的利率和折旧费。1882年，法国的高拉德和英国的吉布斯发明了以变压器升压，用交流输电的方法。1886年，美国威斯汀豪斯公司斯坦利研制出变压器。并利用其进行交流输电实验获得成功。爱迪生(1847-1931)美国大发明家美利坚民族崇尚的传奇人物。没有受过良好的学校教育。少年时代喜欢苦思冥想，爱提古怪问题，老师居然当他母亲的面说他是个傻瓜。母亲一气之下让他退学，决定自己亲自教育。在母亲的指导下，他阅读了大量书籍，在家中建了一个小实验室。不断涌现的电器发明为了支撑实验室，他去火车上当报童，自己办了一份报纸，自己印刷、发行。积攒的钱在火车的行李车厢建了一个小实验室，后因火灾，暴怒的行李员把它的实验设备都扔下了车，还打了他几个耳光（据说就是这几个耳光使爱迪生致聋）。15岁的爱迪生作了一件见义勇为的大事——从铁轨上救下了车站站长的儿子。站长为此感激不尽，决定教他学习收发电报技术。爱迪生后来买到一部法拉第