电磁理论发展与应用

电磁理论发展与应用

摘 要 电磁理论的建立不仅是人类探索自然活动的结晶,而且也是人类社会发展的宝贵财富,因此对电磁理论创建过程的了解具有十分重要的意义。本文从人类对电、磁的原始认识出发,系统地讨论了电磁的产生、静电场理论的形成,/动电0,电流磁效应、法拉弟电磁感应定律等的发现,电、磁的联系与统一,同时也探索了麦克斯韦电磁理论的创建过程,寻求了电磁理论在电力、照明、通讯等方面的应用和发展。 关键词 电磁理论;创建;应用;探索

1 引言

电磁理论的建立不仅是人类探索自然活动的结晶,而且也是人类社会发展的宝贵财富。在现代电子技术如电力、通讯、广播、电视、导航、雷达、遥撼、测控、电子对抗、电子仪器和测量系统等都离不开电磁理论。从家用电器、工业自动化到地质勘探;从电力、交通等工业、农业到医疗卫生等国民经济领域,几乎都涉及到电磁理论的应用。然而人类认识电磁运动规律是漫长而曲折的,早在两千多年前,人类就有了关于磁石和摩擦起电的知识,我们的祖先发明指南车,为人类作出了特殊的贡献,但是将电、磁现象系统地上升为理论的研究并加以应用是18世纪以后,特别是19世纪中叶,为了掌握电磁理论的发展过程,本文从人类对电、磁的原始认识出发,系统地从电、磁的产生,电、磁的联系,电磁理论的建立及应用进行了讨论。

2 电和磁的认识发展过程

2. 1 古代对电和磁的认识

在古代,人们对静电和静磁现象分别就有了一些认识。在我国,远在春秋战国时代就有慈石召铁(吕氏春秋.精通篇)和/司南0(韩非子.有度篇)的记载,到北宋年间(公元960-1127)曾公亮等在武经总要6(公元1044)中记载了我国发明的/指南鱼,沈括在梦溪笔谈(公元1086)中记录了指南针和地磁偏角的发现,不久,朱彧在萍州可谈(公元1119)记载:舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针。这是世界上最早把指南针应用于航海的记载。在西方历史上,关于磁和电现象也有过类似的记载,早在公元前5世纪,就有了关于静电现象的历史记载,古希腊人留下了在亚细亚米诺小岛上的马格地区发现一种带磁性的矿石具有相互吸引特性的记载,这就是关于磁现象最早的文字记载。1600年英格兰杰出的科学家W.吉尔伯特出版了DeMagnete (论磁体),这是关于磁学首次全面的研究,由于他在磁学研究方面的杰出贡献,被人们称他为磁学之父。总之,在17世纪之前,关于电、磁的观察和认识始终停留在琥珀摩擦生电,磁石召铁

司南等一些原始认识上。

2. 2 电的由来

第一个研究电现象的科学家是英国的一个医生)))吉尔伯特(W.Gilbert1540-1603), 1600年他发现金刚石、水晶、硫磺、火漆和玻璃,在用呢绒、毛皮或丝绸摩擦后,有/琥珀之力0,后来根据希腊文琥珀词拟定了一个简练的新名词)))/电0。1734年,法国化学家杜菲(C. F.Du Fay1698-1739)发现了玻璃电和琥珀电,同性相斥,异性相吸。1745年,荷兰莱顿大学教授马森布洛克(Mussch-en-broke 1692-1761)制作了一个盛有水的玻璃瓶把电保存下来的实验, 1746年,法国的另一位电学家诺莱特(Nollet1700-1770)就把这个蓄电的瓶子称为莱顿瓶。同年(1746年)美国费城的科学家富兰克林(B.Franklin 1706-1770)利用莱顿瓶发现了正和负电以及电荷守恒定律0, 1752年7月,富兰克

林从放电实验中得到启发,做了当时震动世界的/费城实验,实现了天电和地电的统一。

2. 3 静电场理论的建立

1773年英国化学家、物理学家卡文迪许(GarendishHenry 1731-1810)在英国化学家里斯特列(J. Priestley 1733-1801)和格雷(Gray Stephen 1670-1736)发现电荷只分布于导体外表面的实验础上,进行了同心球实验后提出:/电力吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方,如果是这样的话,那么物体多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方,而且这些电紧紧的压在一起,物体的其余部分处于中性状态。卡文迪许不仅确证了静电力服从平方反比定律,而且还证了静电力平方反比定律中的指数偏差不会超过0. 02,即在2. 02~1. 98之间,可惜论文未被发表。1785年,法国物理学库仑(C.A.Coulomb 1736-1806)利用扭称实验和电引力单摆实验直接测定了同种电荷之间、异种电荷之间的作用力,同时发表了带电物体之间作用力与它们距离的平方成反比的电力定律论文。这就是我们所说的库仑定律,它标志着电学定量研究的开始。

2. 4 动电的发现

1780年9月20日,意大利的生物学教授伽伐尼(GalvaniLuigi 1737-1798)和他的两名助手作青蛙解剖实验,不慎将手中的解剖刀触及到一只青蛙的神经上,青蛙的四条脚猛烈的发生痉挛,放在一旁的起电机顿时跳起了一个大火花,这就是当时在学术界引起巨大反响的/动物电0,从而发现了电流。1792年意大利物理学家伏打(AlessandroVolta 1745-1827)在自己舌尖上放一块薄锡片,在舌尖下放一枚银币,用铜线连接后,舌尖上产生一股酸味。受该实验的启发,他设计出了伏打电池,实现了用化学方法获得稳定电流的过程。1826年,德国物理学家欧姆(Georg Simon ohm 1787-1845)受傅里叶发现热传导定律的启发,提出了导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力(他称作为/实验力),他利用塞贝克发明的温差电池作电源,利用

/电流扭力天平0得出了结果,于1826年发表于金属导电定律的测定上,于是欧姆定律就建立起来了。1845年,德国物理学家基尔霍夫(Kirchhof,f Gustav.Robert1824-1887)发表了计算稳恒电路网络中电流、电压、电阻关系的两条定律(基尔霍夫定律),实现了在稳恒电源下电路参数的计算。

3 电磁的联系与统一

3. 1 电流磁效应的发现

在18世纪以前,电与磁的观察和研究是独立开展的,没有发现电与磁之间任何实质性的联系,直到1820年4月的一个晚上,丹麦物理学家奥斯特(Han Christian Oersted 1777-1851)在给精通哲学和具有相当物理知识的学者讲课时,偶然发现放在导线侧面的磁针在接通和断开电源时,会出现轻微的晃动,此后三个多月,奥斯特做了60多次实验,于1820年7月21日发表了题为关于磁针碰撞的实验6的论文,向科学界宣告电流磁效应的发现,从而提示了电与磁之间的本质联系。

3. 2 安培定律的发现

1825年奥斯特发现电流磁效应后,引起了法国物理学家安培(AndreMarieAmpere 1775-1836)的极大关注,他反复实验并进行了发展,相继发现了安培右手定则两条平行载流导线的相互作用规律0、

电流在线圈中流动时表现出来的磁性和磁铁相似,并提出了分子电流的假说,总结出了两电流元之间的相互作用同电流元的大小、间距以及相对取向之间的关系,即安培定律。1827年,安培将他的电磁电动力学现象的数学理论一书中,这是电磁学史上一部重要的经典论著,因此,麦克斯韦称赞安培的工作是/科学上最光辉的成就之,还把他誉为/电学中的牛顿。

3. 3 毕奥)萨伐定律的发现

1820年,法国物理学家阿拉哥(D.FArago 1786-1853)将奥斯特发现电流磁效应的重要新闻带回到国内,使法国科学家作出了强烈的反应, 1820年9月30日,毕奥就向法国科学院报告了他与萨伐尔的重要发现:/载流长直导线施加在磁针磁极(不论是南极还是北极)上的力反比于磁极与导线之间的距离,这是人类首次对奥斯特效应的定量研究。毕奥和萨伐尔为了确定这种关系,运用/磁针周期振荡法进行了实验,同时还建立了揭示毕奥-萨伐定律的两个典型实验。拉普拉斯根据毕奥和萨伐尔由实验得出的长直导线结论,首先用数学方法把毕奥-萨伐尔的结论转化为电流元的情况,从而确定了磁场和电流之间的定量关系,即毕奥-萨伐定律。

4 电磁理论的建立

4. 1 法拉弟电磁感应定律的发现

在奥斯特发现电流磁效应以后的几十年中,安培、菲涅耳、阿拉哥等科学家试图采用很强大的磁场区产生电流,由于只考虑稳态条件,没有成功。直到1822年,英国物理学家法拉弟提出了研究/转磁为电的问题,经过他近10年的努力,于1831年法拉弟(MichaelFaraday 1791-1867)将两个线圈绕在同一棒上,发现在一个电路内的电流接通和切断时,在另一个回路内引起电流,于是电磁感应现象就被发现了。其实美国物理学家亨利(J.Henry 1797)1878)比法拉弟稍早发现电磁感应定律,可惜未发表,故现在都称为法拉弟电磁感应定律。为了解释电磁感应现象,法拉弟提出了磁力线、磁场和电场等概念,认为磁、电作用的传递是借助于媒质(场)作用来实现的(记载于18525论磁力物理线6的论文中)。有了磁力线的概念,法拉弟总结实验定律,提出了在一个闭合导体中感应出来的电荷决定于所通过的磁力线数目,所产生的电动势则同切割磁力线的速率成正比,这样对电磁感应定律的定量研究成为可能。电磁感应定律的发现,是人类第一次对随时间变化的电磁场进行研究,电磁感应定律一方面推动了电磁在工程中的应用,另一方面它是电磁理论的一块基石。

4. 2 麦克斯韦电磁理论的建立

英国数学物理学家麦克斯韦(JamesClerkMaxwell1831-1879)的电磁理论是19世纪物理学中最伟大的成就,是继牛顿力学之后物理学史上又一具有划时代意义的事件。1856年麦克斯韦发表了关于电磁场的第一篇论文论法拉弟力线6(On Faraday,s Lines ofForce),该论文驱散了超距作用的乌云,建立了场的概念,论文是麦克斯韦试图用数学工具表达法拉弟学说的开端,也是把法拉弟的概念和威廉.汤姆逊的数学类比相联系的初步尝试,在这篇论文中,他突出了涡旋场的假设。1862年麦克斯韦发表了关于电磁场的第二篇论文5论物理的力线6(On PhysicalLines ofForce),他精心设计了电磁作用的力学模型,在这篇论文中,麦克斯韦初步大胆提到了第二个假设― ―/位移电流0,并得出了/光是介质中起源于电磁现象的横波0的结论。1864年麦克斯韦发表了关于电磁场的第三篇论文5电磁场的动力学理论6(ADynamicalTheory of theElectromagnetic Field),初步建立了电磁理论,在这篇论文中提出了麦斯韦方程组,并导出了电磁波的波动方程,预言了电磁波的存在。1873年,他出版了5电磁理论6(A Treatise on E- lectricity andMagnetism),在这部巨著中,麦克斯韦更为彻底地应用力学原理发展了他的动力学体系,使得他的电磁理论更加完善,基础更加坚实,并从数学上证明了方程组的唯一性,从而表明了他的理论是能正确反应电磁场客观规律的系统性。麦克斯韦在总结前人发现的实验定律上,进行了创造性的理论工作,建立了后来以他的名字命名的麦克斯韦方程组,从而创立了完整的电磁理论体系。正如爱因斯坦在纪念麦克斯韦100周年诞辰的文集中写道:/自从牛顿

奠定理论物理学的基础以来,物理学公理基础的最伟大的变革是由法拉弟和麦克斯韦 在电磁现象方面的工作所引起的。这样一次伟大的变革是同法拉弟、麦克斯韦和赫兹的名字永远联系在一起的,这次最伟大的革命出自于麦克斯韦 磁波的发现

1864年,麦克斯韦完成了他的电磁理论)))麦克斯韦方程,并预测了电磁波在空间以光速传播。 1886年德国青年物理学家赫兹(H.Hortz 1857)1894)发现了/两个电振荡之间引起共振现象0,改变感应圈火花间隙处所附的金属电极形状和大小,便可以控制火花振荡的频率,同时将一根环形状导线放在感应圈的附近,当感应圈两极有火花跳过时,相应在环的间隙处也有火花跳过,从而证实了电磁波的存在,同时也证明了电磁波具有光波那样的反射、折射和偏振的性质。1873年麦克斯韦作出了电磁辐射压力的预言, 1899年被俄国的列别捷夫, 1901年被美国的尼科尔斯(E. F.Nichols 1870-1924)和赫尔(G.F.Hull)所证实。进一步的测定表明,电磁辐射有很宽的频率范围,其中包括热、可见光、无线电波、x射线等,这就在广阔的范围内发现了各种自然现象的统一性。电磁波的发现既是电磁统一最有力的辉煌验证,也宣布了无线电电子学时代的开端。

5 电磁理论的应用

麦克斯韦电磁理论体系的建立,是19世纪人类文明史上的重大贡献,它标志着人类进入了电的时代,紧接着电磁理论的应用主要体现在能量的转换和传递,电气照明,电通讯等方面。

5. 1 电磁理论在电力方面的应用

伏打电堆的发明和能提供稳恒电流的电池的出现,使电的早期应用得以实现。1837年英国物理学家惠斯通(C.Wheatstone 1802-1875)制造了第一个磁电机。1865年曼彻斯特的维尔德(H.W ilde)用电磁体代替永磁体,使前一个电机产生的电流来激发后一个电机的电磁体,从而获得了较强的电流。1866年,德国的西门子(W.Von Siemens 1816-1892)发明了自激式的发电机,这个发明开辟了从机械能获得电能的可能性,标志着电气技术最重要阶段的开始。1861年意大利的帕奇诺蒂(A. Pacinotti 1841-912)和1868年法国的格拉姆(Z.T.Gramme 1826-1901)分别各自地改进了发电机的转子结构,制成了环状电枢自激式发电机,这就是现代电机的雏形。 1834年,M.H.鸦可比发明了第一台有实用价值的电动机,于1879年制成的第一架电车在柏林工业展览会上试行。1885年,都灵的费拉里斯(G.Ferraris 1847-1897)制成了双相电机。 1882年法国物理学家德普劣(M.Deprez 1843-1918)实现了第一条实验性输电线路,使用二千伏的市电压,从米斯巴赫输送到慕尼黑。1888年,泰斯拉成功地建立了一个交流电力传输系统。

几十年后,德国的斯泰因米茨(C. P. Steinmetz 1865-1923)创建了交流电理论,使交流电成为整个配电系统的主要输电方式。

5. 2电磁理论在照明方面的应用

19世纪初,戴维发现两根碳棒之间通以电流时会发光。1879年,英国的斯万(J. Swan 1828-1914) 和美国的爱迪生根据戴维的发现,各自发明了白识灯泡。1910年美国的库利奇(W.D. coolidge 1871-1975)采用钨丝作灯丝, 1913年又有人用N2充入灯泡内以阻止灯丝蒸落发,使照明技术得以发展,极大地改变了世界的面貌。

5. 3 电磁理论在通讯方面的应用

电报用于传递信息比电灯和电动机的发明还早, 1833年德国的高斯和韦伯制成了电磁式电报机,1835年美国肖像画家莫尔斯(S.F.B.Morse 1791-1872)利用亨利发现了的原理制成了一种电报机,并于1838年发明了莫尔斯码。1837年海底电报开始实验, 1850年在英吉利海峡铺设了海底电报电缆,1876年贝尔(AlexanderGraham Bell1847-1922)发明了电话机, 1889年美国又发明了自动电话交换台,电话的使用极大地改善了通讯技术的面貌。

自从赫兹证实了电磁波的存在后, 1895年,意大利的马可尼(G.Marconi 1874-1937)和俄国的波波夫(A. S.Popov 1859-1906)分别实现了无线电远距离传播,并很快投入了实际的应用。1904年,英国的弗莱明(J.A. Fleming 1849-1945)发明了二极管, 1906年,美国的德.福雷斯特(L.De. Forest1873-1961)发明了三极管。三极管和其它电子元件的发明,使电磁波的技术得到了飞速的发展。其后留声机(1877)、无线电报(1894)、无线电广播(1906)、导航(1911)、无线电话(1916)、短波通信(1921)、传真 (1929)、微波通信(1933)、雷达(1935)以及近代的无线电遥测、遥控、卫星通信、光纤通信等如雨后春笋般地涌现出来。

6 结束语

一个多世纪以来,由电磁学发展起来的电力工业和电子技术、已构成了近代第二次技术革命的中心内容。目前由电磁学发展起来的电子技术已应用在电力工程、通信工程、计算机技术等多学科领域,同时电磁理论也已广泛应用于国防、工业、农业、医疗、卫生等领域,并深入到人们的日常生活中,今天电磁问题的研究及其成果的广泛运用,已成为人类社会现代化的标志之一。

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