电磁场与电磁波的历史与发展.pdfVIP

电磁场与电磁波的历史与发展 一、历史的前奏 静磁现象和静电现象： 公元前 6、7 世纪发现了磁石吸铁、磁石指南以及摩擦生电等 现象。1600 年英国医生吉尔伯特发表了《论磁、磁体和地球作为 一个巨大的磁体》的论文。使磁学从经验转变为科学。书中他也 记载了电学方面的研究。 静电现象的研究要困难得多，因为一直没有找到恰当的方式 来产生稳定的静电和对静电进行测量。只有等到发明了摩擦起电 机，才有可能对电现象进行系统的研究，这时人类才开始对电有 初步认识。 1785 年库仑公布了用扭秤实验得到电力的平方反比定律，使 电学和磁学进入了定量研究的阶段。 1780 年，伽伐尼发现动物电，1800 年伏打发明电堆，使稳恒 电流的产生有了可能，电学由静电走向动电，导致1820 年奥斯特 发现电流的磁效应。于是，电学与磁学彼此隔绝的情况有了突破， 开始了电磁学的新阶段。 19 世纪二、三十年代成了电磁学大发展的时期。 首先对电磁作用力进行研究的是法国科学家安培，他在得知 奥斯特发现之后，重复了奥斯特的实验，提出了右手定则，并用 电流绕地球内部流动解释地磁的起因。接着他研究了载流导线之 间的相互作用，建立了电流元之间的相互作用规律——安培定律。 与此同时，比奥沙伐定律也得到发现。 英国物理学家法拉第对电磁学的贡献尤为突出。1831 年发现 电磁感应现象，进一步证实了电现象与磁现象的统一性。法拉第 坚信电磁的近距作用，认为物质之间的电力和磁力都需要由媒介 传递，媒介就是电场和磁场。 电流磁效应的发现，使电流的测量成为可能。1826 年欧姆 (Georg Simon Ohm，1784—1854)因而确定了电路的基本规律—— 欧姆定律。 及至 1865 年，麦克斯韦把法拉第的电磁近距作用思想和安培 开创的电动力学规律结合在一起，用一套方程组概括电磁规律， 建立了电磁场理论，预测了光的电磁性质，终于实现了物理学史 上第二次理论大综合。 爱因斯坦在纪念麦克斯韦 100 周年的文集中写道： “自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础 的最伟大的变革，是由法拉第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第、麦克斯韦和赫 兹的名字永远联在一起的。这次革命的最大部分出自麦克斯韦。” 《电磁场的动力学理论》全面地论述了电磁场理论。在这篇 论文的引言中，他坚持假设电磁作用是由物体周围介质引起的。 他明确地说： “我提出的理论可以称为电磁场理论，因为它必须涉及电体 和磁体附近的空间，它也可以称为动力理论，因为它假设在这一 空间存在着运动的物质，观测到的电磁现象正是这一运动物质引 起的。” 二、麦克斯韦创立电磁场理论 在法拉弟发现电磁感应现象的那一年，英国诞生了一位伟大的科学 家——麦克斯韦，他因创立电磁场理论而成为十九世纪最伟大的物 理学家．麦克斯韦创立电磁场理论的思路与方法大致如下． 麦克斯韦全面阐述了电磁场的含意，他指出：“电磁场是包 含和围绕着处于电或磁状态的物体的那部分空间，它可能充有任 何一种物质”，“介质可以接收和贮存两类能量，即由于各部分 运动的‘实际能’（按：即动能）和介质因弹性从位移恢复时要 作功的‘位能’。” 然后，麦克斯韦讨论了电磁感应。他再次运用类比方法来说 明电流的电磁动量（electromagnetic momentum），这个量代表 了“电应力状态”，就是先前用过的矢势A。 三、麦克斯韦方程组的内容 麦克斯韦在 1864 年发表的著名论文《电磁场的动力学理论》 一文中提出了一套完整的方程组．他最先是以分量形式给出的， 而且物理量的名称和符号都与现代采用的不一样．经后人加以整 理，电磁场的方程得到进一步完善，形成如今称为麦克斯韦方程 组的形式． 1．麦克斯韦方程组的微分形式 流密度． 2．麦克斯韦方程组的积分形式 三个描述介质性质的方程式．对于各向同性介质来说，有： =ε ε r 0 =μ μ r 0 =σ 式中 ε， μ和 σ分别是介质的相对介电常数相对