电磁学发展的历史回顾

1电磁学发展的历史回顾早在公元前770年的春秋时代，中国人就发现了天然磁石，在东汉时代中国人发明了指南针，公元前120年前西汉刘安等编篆的《淮南子》中描述了“阴阳相薄为雷，激扬为电”.北宋时期陈微显描述了磁屏蔽现象，并有磁石治疗耳病的记载.17世纪(牛顿年代)法国旅行家卡戴马甘兰游离中国后对中国的避雷针进行了描述“中国屋宇顶上龙头中有伸出的金属龙舌，舌根有细铁丝直通地下，使房屋不受雷电的破坏作用”.虽然中国人发明较早，却无人去深入总结.在我们的教科书里全是洋名，不见华名，因为中国古人注重发现，但不大注重理论总结与宣传.1800年伏打给英国皇家学会会长班克斯写信介绍了电池的原理和构造.使之成为至今众所周知的伏打电池.1820年初奥斯芯发现电流的磁效应，并进行了深入研究和总结，而且首先传到德国和法国，在电磁学领域里，无人不晓奥斯芯这个大名.1820年10月毕奥和萨伐尔发表了关于载流长直导线的磁场的实验结果，经过数学家拉普拉斯的帮助，总结出电流元在空间某点处产生的磁感应强度的规律dd0Ir2μIl4πrBee，称之为毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律，简称毕-萨定律.1824年12月安培发现两传导电流之间的相互作用，并从毕-萨定律出发，描述了磁场环路公式0LLdIBl，称之为安培环路定律.1832年法拉第发现磁铁与导体之间的感应，并认为是在导体中产生了感生电动势ddU=-lt.法拉第还在静电测量方面和电镀领域作出了显著贡献.1834年楞茨却认为是在导体中产生了感生电流I.由于感生电动势U与感生电流I体现在欧姆定律sdUIdl方程的两端，哪一个是因?哪是一个果？这正如当时哲学界所争论的鸡蛋与小鸡的因果关系一样，谁也说不清楚.1840年法拉第做了静电感应实验，麻绳系着一电量为Q的带电体，并放入金属桶内，结果发现，金属桶外壁的电量也为Q，然后，他用多个较大的金属桶套在外层，测量结果是：最外层桶的带电量仍为Q，这是著名的桶实验.当时被认为电是分布在整个以太空间的.爱因斯坦曾充满感情的说：“对于我们，法拉第的一些概念，可以说是同我们母亲的奶一道吮吸来的.他的伟大和大胆是难以估量的”1856年麦克斯韦在《论法拉第力线》一文中指出：当磁铁运动时，自由空间的磁状态发生改变，在以太空间产生了电动力E（后来称E为电场），沿E的环线积分便是感生电动势ldeòÑ＝El(或dU)；对E求取欧姆定律的微分形式，便是感生电流(密度)JE.因此，他认为感应中的本质是在以太空间产生了E，感应电动势和感应电流只是电动力E的表现2形式.这样似乎平息了楞慈定律与法拉第定律之间“原因”与“结果”的哲学争议.1862年麦克斯韦提出漩涡电场的概念，对感生电动力强度是tAE¶=-¶（当时A称为磁紧张态，后来称A为矢量磁位），两边取旋度运算便有tAE¶¶汛汛=-tB¶=-¶，从此感生电场是漩涡场.1865年麦克斯韦根据法拉第的桶实验，提出：电性既不是点也不是面或体，而是分布在整个空间的电位移，可见的介质和不可见的以太被电动力扭拉之后形成了电位移，电位移是位移电流的先兆，总结法拉第的桶实验得知,所谓电,它是分布在整个自由空间的物理量，流入金属球a中的电流并没有结束，而是继续流向四面八方，球a中的电量即没增加也没减少，因电荷守恒而使得S面上的电流连续；改造安培环流定律，引入空间电连续定律，并把泊松方程推广到整个自由空间而得到DHJJ汛=+.从此麦克斯韦的旋度方程组形成，意指：时变电场感生出磁场与时变磁场感生出电场，同生共死的交替传播，预言以太空间有电磁波存在.1888年赫兹通过一对放电球的实验证实了电磁波的存在，即证实了麦克斯韦的预言，使麦克斯韦的“互生场”理论一举成名.于是人们承认了麦克斯韦旋度方程组，因为当时没有其它理论讨论自由空间的电波问题.1892年洛仑兹在他的有关电子论的论文中首先提出了电荷在磁场中运动时受磁力eFVB=?的作用，当时他是通过理论推导而得到的，后来被大量物理实验所证明.从1895年起，物理学中又产生一种发人深思的新情况.汤姆生（J．J．Thomson）把原子分解为更微小的质点，这些质点更分解为带电的单位，其质量被解释为仅是电磁动量的一个因子而已.“电”真仿佛可以对物理科学中的一切现象给予最后的和充分的解释了.1896年洛仑兹提出电子论，创建了金属电子理论.相应地在导体内金属电子切割磁力线时受洛仑兹磁力而沿着导线漂移，形成感应电流，其感生电流的密度neJ（这里n是单位体积中的电子数,e是电子电量，是金属电子在磁力F作用下的飘移速度）.洛仑兹还批评麦克斯韦而指出“麦克斯韦从不相信电荷体，总是以他的电位移代替电荷，人们也很难理解他指的电荷是什么，他也从不问及电磁场是怎么产生的，在他的理论中，似乎电磁场来自无穷远处，一种不需要源的场，……电荷的运动才是产生一切电磁场的根源”.[再根据欧姆定律的微分形式ddlUJ，便得到导体内感生电动势ddlJU.其本质是受力.]1897年(麦克斯韦去世后的第18年，亥姆霍尔芝和赫芝去世后的第3年），J·J汤姆逊发现电子，证实了洛仑兹的电子论的正确性.1905年爱因斯坦总结麦克斯韦电动力学，以麦克斯韦的旋度电场理论为依据而论述相对论，在他发表的首文中写道：根据麦克斯韦电动力学，当线圈禁止而磁铁运动时，空间磁场随时间改变，在线圈中产生了电流；而当磁铁禁止而线圈运动时，空间磁场并没有随时间3改变，但线圈中仍然产生了电流，可见，空间本不该对称，它是相对的.1905年，爱因斯坦根据洛仑兹电子论、J·J汤姆逊对电子的发现，考察光电二极管并联想到黑体辐射中的量子假设而提出波粒二象性.人们开始研究光电效应的应用.在１８世纪，人们关于电只知道存在电荷，它们相互吸引或排斥跟它们的距离的平方成反比.在引力学说领域，实质上，我们知道某种与此相似的东西——重物的相互作用定律，仅此而已.但是，电的学说在一个半世纪内已经得出了电磁场概念.爱因斯坦说：‘相对论是从场的问题兴起的.由于旧理论的矛盾与不一致，迫使我把新的性质归之于自然界的一切现象的舞台——时空连续区.’‘场，用来描写物理现象最重要的不是带电体，也不是粒子，而是带电体之间与粒子之间的空间中的场，这需要很大的科学想象力才能理解.’对于电磁场，‘现在唯一的出路，便是认定空间具有一种发送电磁波的物理性能，而不过分顾虑这句话有何真正意义.’(《物理学的进化》)