电磁学的发展

第六章 电磁学的发展（2）

§6.电磁感应现象的发现与研究

一法拉第（1791-1867）

英国物理学家。他是一个穷铁匠的儿子，兄妹10人。小学没毕业就失学，当了装订工。但失学不失志，经常阅读书报。1812年法拉第来到伦敦皇家学院，自荐当了戴维助手。1821年受任为皇家研究所试验室主任。

1821年，法拉第开始电磁学的研究，总共工作四十年。1924年，当选为英国皇家学会会员；1925年任皇家学院实验室主任。法拉第一生发明极多，他发现了电磁感应现象，建立了电磁感应定律；发明了第一台电动机和发电机；发现了电流的化学作用的规律，即法拉第电解定律；提出了电场和磁场等重要概念；1845年，他发现了抗磁性；他的巨著《电学的实验研究》中有三千多个条目，详细记录了他作过的实验。法拉第一生热衷科学事业，不好功名利禄，谢绝了封爵和许多奖赏。

二法拉第发现电磁感应

1820年，电磁热席卷欧洲，研究结果大量发表，众说纷纭，真伪难辩。1821年，英国哲学学报（Annal of Philosophy）杂志编辑约法拉第写一篇关于电磁问题的评述，这件事导致法拉第开始了电磁学方面的研究。法拉第在整理文献时，为了判断各种学说的真伪，亲自作了许多实验，其中包括奥斯特和安培的实验。

当时英国的皇家学会会长沃拉斯顿在获知奥斯特的发现之后，提出了“电磁转动”的思想，认为通电螺线管会使附近的导线绕他的轴转动，但他的实验没有成功。法拉第在得知这一实验后，想起了奥斯特得“电冲突”是在载流导线周围呈圆形分布的，于是于1821年9月他设计了如下所示的电磁旋转实验：

1．电磁旋转实验

当接通电源时，发现左侧的容器里，磁铁棒绕着固定导线缓慢的作圆周运动；而右侧则是另一种情景：导线绕固定磁棒在转动。实际上，着就是最早的旋转电动机的雏型。

1822年，英国物理学家巴罗（P.Barlow)运用相同的原理，制成了著名的“巴罗轮”：架在水平轴上的一个铅直的活动铜盘，下方侵入一个水银槽里，上方夹在一块马蹄形磁铁中间，当通过轴心和水银槽供给电流的时候，铜盘就转动起来。这实际上就是一台直流电动机。2．信念的产生

从1824年到1828年，法拉第做了无数次电磁效应实验，收集了各种电磁实验的资料，经仔细分析思考，他认为既然有电流对磁、磁对磁、电流对电流的相互作用，那么为什么就没有磁对电的作用呢？于是他确信“由电能产生磁，由磁也能产生电”。为此，法拉第坚持了长达10余年的苦心实验研究。日复一日的实验、思考、总结和改进。例如他先将磁铁放入一个线圈内，再将线圈两端接在检流计上，未发现指针偏转等。

3．实验三

1828年法拉第又作了这样一个实验如右图，右侧为一铜线圈，左侧为一平衡球，中间用线悬挂起来。然后在右侧铜线圈内放一条形磁铁,他认为这时线圈内应产生感生电流，然后再用另一块磁铁靠近铜线圈，线圈就会转动。当然，他什么也没看见。

这时，英国物理学家斯特金发明了电磁铁，即在一块原来没有磁性的软铁上绕以导线，通电以后，软铁就成了具有强磁性的磁铁。后来，美国物理学家亨利改进了斯特金的电磁铁，用彼此绝缘的铜导线代替铜裸线，制成能吸引三百千克铁的电磁铁。这些对法拉第的进一步研究有一定的启发和帮助。

4．实验四

1831年8月29日，法拉第又进行了一个新的实验：他用软铁做成右图所示的环，其上绕有A、B两线圈，B线圈接检流计，A线圈和十个电池组连接，当接通或断开电源时，发现电流计指针摆动。当维持通电状态时，指针则无反应。法拉第称之为“伏打电感应”。

这时法拉第才认识到，磁感应现象是和变化联系在一起的。

在发现这个现象之后，法拉第立刻想到，铁环和线圈A是不是产生这一效应的必要条件呢？于是他又设计了下面两个实验5和6：

5．实验五

接着，法拉第又做了一个实验，如右图：当上下方磁棒张合之际，电流计指针也不断摆动。

6．实验六

1831年10月17日，法拉第将220英尺的铜线分层绕在一个用纸做的空心圆筒上，绕了八个线圈，再连成一个大线圈，接到检流计上，然后将一大的长圆形磁铁棒插入到圆筒中，结果指针摆动了，他不由自主的急忙将磁铁棒从圆筒中抽出来，检流计指针又摆动了一下。

法拉第得出结论：“要产生感生电流，磁铁必须运动。”后来，法拉第又发现无论是磁铁还是线圈运动，都产生电流。

7．问题

那么能否产生大量的电流呢？法拉第向皇家学会借了一块大的“U”形磁铁，又在铜线圈上装了一个手柄，然后将线圈放在U形磁铁中间，通过转动手柄使线圈在“U”形磁铁中间旋转，这时检流计上的指针随着线圈的转动摆动起来。

1831年11月24日，法拉第总结了一系列实验研究，向英国皇家学会提交了论文。后来概括出五类情况可以产生感生电流：①变化着的电流；②运动的恒稳电流；③变化的磁场；

④运动的磁铁；⑤在磁场中运动的导体。

8．感应发电机的产生

在这些实验的基础上，受“巴罗轮”实验的启发，法拉第发明了人类历史上第一台感应发电机。他将铜盘放在磁铁两极之间，又用一狭长的铅片放在铜盘边沿，作为收电用的电刷，电刷接一个电流计。当铜盘旋转时，电流计上的指针也随着转动了。一种持续电流从电刷上传出来。

从此开始了人类广泛利用电能的新时代。(1867年，西门子创制了发电机。)

在法拉第工作的前后，还有不少物理学家从事电磁感应的研究：

瑞士物理学家科拉顿在1825年曾做过类似上述法拉第实验6的实验，他用一块磁铁在螺线管中移动，观察线圈中是否有感生电流产生。为了排除磁铁对灵敏电流计的影响，他把很长的导线把连接于螺线管的电流计放在另一个房间，他在两个房间跑来跑去进行实验和观察，因此未能观察到磁电感应现象。他同样没想到效应的暂态性。

1830年，美国物理学家亨利曾先于法拉第发现电磁感应现象，但他没有立即发表实验结果。

1832年，俄国物理学家楞次受法拉第启发，开始做这方面的研究，并发现了感应电流方向的规律。

三亨利及自感现象的发现

美国人（Henry,1797—1878)，少年时做过钟表店的学徒，在一个偶然机会读了《实验哲学讲义》后，对自然科学产生兴趣。后来进入奥巴尔尼学院学习，1826年成为该学院教授，1832 年受聘于普林斯顿大学作自然哲学教授，1846年任新成立的华盛顿斯密斯学院院长，亨利像法拉第一样，对奥斯特实验很感兴趣。

1．电磁铁的研制

奥斯特发现电流的磁效应之后，美国电学家斯特金将其以电磁铁的形式投入使用。1829

年，亨利在访问纽约时听到了这个消息，认为自己能作的更好：缠绕铁芯的线圈数越多，磁场强度就越大。亨利制造的电磁铁比斯特金的电磁铁的磁力大的多。到1831年，他研制出一只能升举750磅的电磁铁。而斯特金制出的最好的电磁铁只能升举9磅。同年，在耶鲁大学的一次表演中，使用普通电池的电流的电磁铁，竟举起了一吨重的铁！

2．远程控制装置

用一根很长的导线连接电磁铁和电路开关，按一定的方式开闭电键，即可控制远方的电磁铁。或通过遥控方式控制远方某一电磁装置的开关，使电磁铁有节奏的吸引和弹开小铁片，从而发出有节奏的咔嗒声-----电报。

3．继电器的发明

1835年，亨利发明了继电器，电流可以从一个继电器流向另一个继电器，经过很长距离而不变弱。

4．磁电感应的发现

1829年，亨利在作电磁铁的提举力时，发现当通电线圈断开时产生强烈的电火花。1830年，他继续对这一现象进行研究：他将一个线圈接到电流计上，把线圈放在两个电磁铁之间，他发现，当电磁铁接通和断开电流时，电流计的指针都会突然发生偏转。但由于当时教学工作繁重，他没能接着将实验进行下去。1831年底法拉第电磁感应现象的报告发表出来，当亨利得知这一消息后，赶忙回头感做自己的实验，并于1832年7月发表了自己的实验结果，但这已是在法拉第之后了。

5．自感的发现

1832年亨利在论文《在长螺线管中的电自感》中还公布了自己的另一个新发现：一只线圈的电流不仅能在另一只线圈中感生出电流，而且也能在自身中感生出电流。在这个线圈中实际观测到的电流则为原电流的许多倍，这种现象叫自感。

四楞次定律的发现

1832年楞次获悉法拉第发现电磁感应现象后，立即重复了法拉第、安培、奥斯特等人所描述的实验，并作了许多新实验。1833年11月29日发表的《关于动电感应引起的伽伐尼电流的方向的决定》中宣布了楞次定律：感应电流的方向总是使它产生的磁场与产生它的原磁场的变化方向相反。

这个定律表明，感生电流所产生的磁场的作用，总是补偿施感磁场的变化，即阻碍磁体的运动。因此它正是能量守恒和转化定律在电磁变化中的体现。正如他在1838年的论文中写的“每一电磁实验都可以转换成相应的磁电实验。只要把电磁实验中所发生的运动，以其他某种方式传给导体，这时导体中就会产生电流，其方向和电磁实验中所用电流方向相反。

奥斯特——动电生磁

奠定了电磁学的基础，导致

了电动机发电机的出现。

法拉第——变磁生电

五法拉第的“力线”和“场”的思想

1．超距中心力：

从牛顿开始，人们就认为万有引力、电荷间的静电作用力都不是接触力，这些力的作用都是即时的，不需要什么媒介来传递，即所谓的超距作用，并且作用力在两作用体之间的连线上。如对电磁学作过重大贡献的富兰克林、库仑、安培等人，对超距作用的观点都深信不疑。

2．对超距作用中心力的怀疑

奥斯特效应和电磁转动效应的发现，在法拉第思想的形成上，产生了最重要的直接影响。1821年法拉第写到“我发现通常小磁针被导线的排斥和吸引只是一种假象，针的运动不是吸

引也不是排斥，也不是任何引力和斥力的结果，而是由于导线中的力的结果，这种力并不吸引和排斥磁极，而是使磁极绕着一个闭合的圆周运动。

3．“电紧张态”的提出：

1831年11月合1832年1月，法拉第相应于他所发现的“伏打电感应”和“磁电感应”现象，提出了“电紧张态”。他说“一旦导线受到伏打电流或磁的感应，它就显出一种特殊状态”，他将这种状态称之为“电紧张态”。他认为：“电紧张态”是由电流或磁体产生的存在于物体和空间中的张力状态，这种状态的出现、变化和消失，都会使处于这种状态中的导体感应出电流来。

4．力的传播需要时间

1832年，法拉第通过对电磁感应过程实验现象的思考，意识到磁力线的传需要时间。他从运动导线穿过恒定均匀磁场时也能产生出电流的现象想到，这种效应是由于导线两侧的紧张状态程度不同引起的，这就意味着产生紧张状态的力或磁力线的传播需要时间。或者说，从载流导线向四周散发出来的力线只能以有限速度向空间传播。而不可能是瞬时的。5．“磁力线”的提出

“磁力线”是法拉第为了对磁体和螺线官之间的相对运动产生感生电流的现象进行解释

而提出的一个概念。但是他很快就把这个概念扩大到伏打电感应的情况，认为电流的变化也会引起磁力线的变化，因而磁力线也就成了对“电紧张状”态作定量描述的一个工具。磁力线的多少表示这种状态的强弱，磁力线数量的变化表示这种状态的变化。通过磁力线就把电磁感应和磁电感应统一了起来。“磁力线”概念的提出成为他发展自己的力场理论的立足点。1832年，他又提出“电力线”概念。

6．对电解过程的研究和解释

法拉第通过研究指出，电解产生于电解质内部分子的作用和变化，而不是外部电极超距的吸引作用引起的。电流的通过，使分子中由电的张力引起的化学亲和力的形式发生了变化，就对分子中的每种成分而言，化学亲和力在一个方向上的作用比在另一个方向强，使分子的两种成分出现极化并分解。每种成分又和临近分子中的另一成分结合成分子，通过这种一连串的分解与复合，不同成分向相反方向运动，最后在端点析出。

7．电容器介电常数定义和现象的解释

1837年他在研究介质对电力的影响时发现，在电容器两极板间加一块绝缘材料比中间为真空的电容器能容纳更多的电荷量，极板间所夹物质不同，电容器容纳的电量也不同。他把夹有绝缘材料时和真空时电容器所容纳电量的比值称为材料的电容率，即介电常数。

为解释这种现象，他假设绝缘体中进行着与电解质中相同的过程，介质中分子产生了极化；两极板上电荷的相互作用，就是通过介质内相互邻近的极化分子的作用逐点传递过去的。并把这种极化状态推广到真空中“以太”粒子的形变上，这种形变是沿曲线传播的，由此引入“力线”概念。他设想，在电容板之间的绝缘介质中，电力线要比真空中稠密一些。其稠密程度与材料的电容率成正比，因此有绝缘材料的电容器极板上电荷就多。

8．顺磁体和抗磁体

1845年11月，他发现物质对磁力的作用类似于介质对电力的作用。当把各种材料的物质作成条形时，多数物质（如玻璃、铜棒、木块、橡皮等）转向与磁力线垂直的方向，并向磁力弱的地方移动，他称其为“抗磁体”；只有铁、镍等物质取与磁力线一致的方向，并移向磁力最强的地方。称其为“顺磁体”。

法拉第认为，在顺磁体和抗磁体中都不存在作为磁力线终点的“磁极”，而是对磁力线的不同反应。磁力线很容易通过磁性物质，在顺磁体中是密集的；抗磁体是磁力线的不良导体，所以磁力线趋于绕过抗磁体，使其中的磁力线变的稀疏。磁力线是连续的曲线，不存在作为“极”的力线的终点。

9．总结

所有这些工作使法拉第坚信，在带电体、磁体和电流周围的空间存在着某种由电或磁产生的像以太那样的连续介质，起着传递电力和磁力的媒介作用，他把它们称之为“电场”和“磁场”。

1851年写了《论磁力线》：“场是由力线组成的，力线上的任一点的切线方向就是该点场强的方向，力线的疏密表示场强的大小。”

力线具有物理实在的性质，它是场的表现。纸上撒上铁屑，下面放磁棒，轻轻振动形成曲线状。

10．意义

牛顿力学，安培定律及库仑定律都是超距中心作用；而力线和场的概念，则是一种近距媒递作用，是对传统力学观念的一个重大突破。老厄把法拉第誉为“正确理解电磁现象的带路人”。

六.法拉第的研究思路

1．对自然力的“统一性、可转化性” 坚信不移

“我早已持有一种见解，它几乎达到深信不移的程度，而且我想这也是其他许多自然科学爱好者的见解，即物质之力所表现出来的各种形式具有普遍的起源。”

2．对电磁波的朦胧预见

“磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动。”

3．研究特色

法拉第通过力线和场，将电场和磁场的重要性质表现出来了。

麦克斯韦说：“在数学家看到相互超距吸引力的中心的时候，法拉第则用他特有的思维的眼睛看到穿过全空间的力线。……”

4．法拉第思想方法的一些局限性：将一切归结于“力”等。

七对法拉第的高度评价

戴维说：一生最大的发现，是发现了法拉第。

麦克斯韦：我们把法拉第首先看作是科学家中最有成效最高尚的典型。

插曲：

当法拉第在演示他的电磁感应现象时，一位贵妇曾问道：“您的电流计指针动一下有什么意义呢？”法拉第回答道：“夫人，当一个婴孩诞生的时候，您会想到他将会完成何等事业吗？”

法拉第如此至爱的这个“婴儿”，的确有着惊人之举。1867年西门子根据这一原理创造了发电机，从此人类有了“电”，它至今仍为我们带来光明和幸福。当我们在尽情享受电灯、电视、电影……这一切现代文明的时候，我们怎能不感谢这位铁匠的儿子呢？

§7.麦克斯韦电磁场理论的建立

19世纪中期，描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的库仑定律、高斯定律、安培定律、法拉第电磁感应定律已相继建立，法拉第关于力线和场的概念已经提出，创立电磁场理论的条件已趋成熟。麦克斯韦洞悉已有的电磁场理论，发现内部的不对称性和矛盾，大胆提出“位移电流”和“涡旋电场”假说。并用一组方程概括了原有的各个电磁学定律。对电磁场理论进行了一次大综合。实现了科学认识的革命性变革。

普朗克说：从出生地来说他（麦克斯韦）属于爱丁堡，从功绩上来说他属于全世界。

一麦克斯韦（1831-1879）简介

英国物理学家、数学家。11月13日出生时，是法拉第发现电磁感应后2个多月。15

岁在“爱丁堡皇家学报”发表论文，1854年从剑桥大学毕业，卡文迪什实验室首任主任。

麦克斯韦虽然只活了49 岁，但他却写了100多篇有价值的论文。

麦克斯韦是一位可以与牛顿、爱因斯坦相提并论的科学家。

二．麦克斯韦电磁场理论

1 类比

1855年发表《论法拉第力线》，他以一种几何观点，为法拉第的力线作出了数学描绘。他在文章中写到：“如果我们从任意一点画一条线，并且当我们沿这条线走时，线上任一点的方向，总是和该点力的方向重合，那么这条曲线就表示他所通过的各点的合力的方向，并且在这个意义上才称为力线。用同样的方法我们可以画出其它力线。知道曲线充满整个空间以表示任一指定点的方向。”这样，力线的切线方向就是电场力的方向，力线的密度表示电场力的大小。

麦可斯韦用类比的方法，把力线看作不可压缩的流体的流线。由此他把力线、力管等与流体力学的理论做比较，如把正、负电荷比作流体的源和汇，电力线比作流管，电场强度比作流速等，引入一种新的矢量函数来描述电磁场。可以说把法拉第的物理翻译成了数学。 在文章中，麦可斯韦导出了电流四周的磁力线和磁力之间的关系，表示描述电流和磁力线的一些物理量之间的定量关系的矢量微分方程，以及电流间作用力和电磁感应定律的定量公式。当法拉第看到麦可斯韦的文章后赞叹到：“我惊讶的看到，这个主题居然处理的如此之好！”

1860年，70岁的法拉第和30岁的年轻人麦克斯韦见面了，建立电磁理论的共同心愿超越了年龄的鸿沟，法拉第对麦克斯说:“你不要停留在用数学来解释我的观点上，而应该突破它。”

2．麦克斯韦的“以太涡旋模型”和“位移电流”

1862年，麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文《论物理力线》。麦可斯韦引进了一种媒质的理论，提出了电磁以太模型，把电学量和磁学量之间的关系，形象的表现出来。如右图，这种模型理论中，充满空间的媒质在磁作用下具有旋转的性质，即给排列着的许多分子涡旋，它们以磁力线为轴形成涡旋管，涡旋管转动的角速度正比于磁场强度H ，涡旋媒质的密度正比于媒质磁导率μ。涡旋管旋转的离心效应，使管在横向扩张，同时产生纵向收缩。

涡旋管旋转的离心效应，使管在横向扩张，同时产生纵向收缩。因此磁力线在纵向表现为张力，即异性磁极的吸引；在横向表现为压力，即同性磁极的排斥。

由于相互紧密连接的涡旋管的表面是沿相反方向运动的，为了互不妨碍对方的运动，麦可斯韦设想在相临涡旋管之间充满着一层起惰性或滚珠轴承作用的微小粒子。它们是些远比涡旋的线度小、质量可以忽略的带电粒子。粒子和涡旋的作用是切向的。粒子可以滚动，但没有滑动；在均匀恒定磁场，即每个涡旋管转动速度相同的情况下，这些粒子只绕自身的轴自转，但当两侧涡旋管转速不同时，粒子的中心则以两侧涡旋边缘运动的差异情况而运动。 对于非均匀磁场，即随位置不同磁力的强度不同，因而涡旋管的转速也不同的情况，涡旋管间的粒子则发生移动。根据涡旋理论，单位时间通过单位面积的粒子数即涡旋的流量j 与涡旋管旋转的切线速度H 的旋度成正比，即

H j ×?=π

41 此处j 对应于电流，H 对应于磁场，此方程即为电磁场的运动方程。它说明电粒子的运动必然伴随分子的磁涡旋运动，这也就是电流产生磁力线的类比机制。

对于磁场随时间变化的情况，涡旋运动的能量变化（因H 变化）必然受到来自粒子层切向运动的力，这个力E 满足关系：

t

H E ???=×?μ

其中?H/?t 是涡旋速度的变化率，E 为作用于粒子层的力，对应于该点的感应电动势。它说明磁介质中不稳定的磁涡旋运动，必引起电的运动，产生感应电动势，从而产生电流。此式为电磁场的动力学方程。

“位移电流”的提出：

在论文第三部分，麦克斯韦把涡旋模型推广到静电现象。由于H=0，所以媒质由具有弹性的静止的涡旋管和粒子层组成。当媒质处于电场中时，粒子层将受到电力E 的作用而发生位移，并给涡旋管以切向力使之发生形变。形变的涡旋管则因内部的弹性张力而对粒子层施以大小相等方向相反的作用力，当两力平衡时，粒子处于静止状态。这时电场能在媒质中转变为弹性势能。

对于绝缘介质， 麦克斯韦进一步假设：受到电力作用的绝缘介质，它的粒子将处于极化状态，虽然粒子不能自由运动，但电力对整个介质的影响是引起电在一定方向上的一个总位移D 。当电场发生变化的时候，粒子的总位移D 也跟着发生变化，从而形成正负方向上的电流。这就是说，电位移对时间的微商?D/?t 也一定具有和电流相同的作用。这就是麦克斯韦理论中重要的“位移电流”假设。

麦克斯韦利用他所构造的电磁以太力学模型。不仅说明了法拉第磁力线的应用性质，还建立了全部主要电磁现象之间的联系；但麦克斯韦清楚的认识到上述模型的暂时性，他仅仅把他看做是一个“力学上可以想象和便于研究的适宜于揭示已知电磁现象之间真实的力学联系”的模型。所以在1864～1865年的论文《电磁场的动力学理论》中，他完全放弃了这个模型，去掉了关于媒质结构的假设，只以几个基本的实验事实为基础，以场论的观点对自己的理论进行了重建。

他说“我所提出的理论可以称为电磁场理论，因为它必须涉及到带电体和磁性物质周围的空间；它也可以叫做动力学理论，因为它假定在该空间存在着正在运动的物质，从而才产生了我们所观察到的电磁现象。”“电磁场就是处于电磁状态的物体周围的空间，包括这些物体本身在内：场中可以只有某种物质，也可以抽成没有宏观物质的空间，象盖斯勒管或其它叫真空的情形那样”。麦克斯韦假设真空中虽没有“宏观物质”存在，但有以太媒质。这种以太媒质充满整个空间，渗透物体内部，具有能量密度，并能以有限速度传播电磁作用。 至此，电磁场理论的统一基本完成。

3. 麦克斯韦电磁方程组

1873年，麦克斯韦出版《电磁学通论》，他不仅用数学理论发展了法拉第的思想，还创造性的建立了电磁场理论的完整体系。在这本书中，他的思想得到更完善的发展和更系统的陈述。他把以前的电磁场理论都综合在一组方程式中，得到了电磁场的数学方程-----麦克斯韦电磁方程组。以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内在的完美对称。《电磁学通论》是人类第一个有关经典场论的不朽之作。

最初，在《电磁学通论》书中，麦克斯韦共列出了20个分量方程，如果采用矢量方程，则仅有8个。后来简化成四个。1890年前后，德国物理学家赫兹和英国物理学家亥维赛，又两次简化麦克斯韦方程组，才得到我们现在通用的微分形式。

麦克斯韦方程组：

电场中的 高斯定理 ∫

=?s

q ds D 0 ρ=??D 表示电量守恒，指出静电法拉第电磁律 场是有源场 感应定ds t B dL E L ????=?∫

∫∫ t B E ???=×? 表明变化着的磁场产生磁场中的 涡旋电场 高斯定理 ∫=?S ds B 0 0=??B 是有旋场

表明磁场

安培环律 路定

∫∫∫???+=?ds t D I dL H L 0t D J H ??+=×?表明电流和变化着的电场在其周围产生磁场

D =εr ε0 E

B=μr μ0 H

j =σE

式r 、σ分别是介质的相对介电常数、相对磁导率、电导率。

4．电磁波的预言

方要结果，就是的存在程组中导出了自由空间中电场强度E 和磁感应强度B 的波动方程为：当有介质时，需要补充三个描述介质性质的方程式。对于各向同性介质，有： 中，ε、μ

r 麦克斯韦程组的一个重预言了电磁波。麦克斯韦通过计算，从方

2222

1t E c E ??=? 22221t B c B ??=? 式介质中的传播速度，它表示：电或磁的扰动，将在以太媒质里以速度c 传播着。并且推出了电磁波的传播速度为：中c 是波在εμ1=c ，式中ε是介电常数，μ为磁导率。

5．光波就是电磁波的提出

1856年.074克斯韦发现这个值与1849年斐索测得的光速31.50万公里/秒十分接近。而是由于光的本质与电磁波相同，从而提出了光的电磁理论。它表明“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动” 。从而将电、磁、光理论进行了一次伟大的综麦克斯韦说：“把数学分析和实验研究联合使用所得到的物理知识，比之一个单纯实验人员或单纯的数学家能具有的知识更坚实，有益和巩固”。

1874年，麦克斯韦任卡文迪什实验室首任主任，1879年11月3日，49岁逝世。直至终，他坚信自己的预言——电磁波理论，一定会插上翅膀飞向全球。

三．电光磁建立了统一的理论解释。

应用。

用某种物理知识而获得物理思想，我们应当了解物理相似性的胆猜测假设。

谐，也就意味着要进四.意义

例为108:1。电磁学理论的成功，说明了科技是第一生产力。

韦伯测定上述速度值为：c=31万公里/秒,麦他认为这不是巧合，合。

临麦克斯韦成功的基本要素

1．寻找不同现象之间的联系，对2．在科学发现中重视科学方法的麦克斯韦曾写道：“为了采存在。……利用这种类似，可以用其中之一，说明其中之二。”

3．想象力丰富，大4．知识底蕴丰厚。

5．对理论完美和谐的不懈追求。

麦克斯韦认为：自然界是和谐的，一种反映自然规律的理论，如果框架上不完善，不和一步改进和探索。

经典电磁理论的确立，成为人类改造自然，提高生产力的有力杠杆。据载，科技利用程度较高的生产率比之单纯手工业生产年为4:1，而在电气工业出现后这个比率在1770§8.电磁波的发现

一 赫兹（1857-1894）：德国物理学家

1878 年是基尔霍夫和亥姆霍兹的学生，1880年获博士学位。

1885年发现电磁波，1889年到波恩大学任教。

1894年因血中毒而去世。

二 电证，在相当长的一段时间里并未受果位移电流存在，力必定会使绝缘体介质产生位移电流；③在空气或真空中，。

级两个绕组的振荡线圈进行实验，偶然发现：当初级这可线圈的电火花，

那么它电流，

这个位移电流又会反过来影响次级绕组的电火花发型开放振荡器（右图）留有间隙的环状导线C 作为感应器，播和接收。

年又设计了“感应平衡器”（如右图示）

：即将1886年的装置一侧放置了一块金属板D 近的介质交替极化而形成变化的移电流又影响“感应平衡器C”的平衡状态。使C 出现电火花。当D 靠近C 火花。从而证明了“位移电流”的存在。

证明电磁波和光波的一致性： 速度进行了测定，并在论文《论空气中的电磁波和它们的法：赫兹利用电磁波形成的驻波测定相邻两个波节间的距离（半波长），再结相距13米的地方用一个支流振动器作为波源。用一个感应线圈聚焦；用金属栅使电插曲：感应现象，戴维过于迷信权威，对于这磁波的发现

麦克斯韦《电磁论》发表后，由于理论难懂，无实验验到重视和普遍承认。

1879年，柏林科学院设立了有奖征文，要求证明以下三个假设：①如必定会产生磁效应；②变化的磁上述两个假设同样成立。这次征文成为赫兹进行电磁波实验的先导 1885年，赫兹利用一个具有初级和次线圈中输入一个脉冲电流时，次级绕组两端的狭缝中间便产生电火花，，赫兹立刻想到，能是一种电磁共振现象。既然初级线圈的振荡电流能够激起次级就能在邻近介质中产生振荡的位移生的强弱变化。

1886年，赫兹设计了一种直线放在直线振荡器AB 附近，当将脉冲电流输入AB 并在间隙产生火花时，在C 的间隙也产生火花。实际这就是电磁波的产生、传1887，然后将C 调远使间隙不出现火花，再将金属板D 向AB 和C 方向移动，C 的间隙又出现电火花。这是因为D 中感应出来的振荡电流产生一个附加电磁场作用于C ，当D 靠近时，C 的平衡遭到破坏。 这一实验说明：振荡器AB 使附位移电流，这种位时，平衡状态再次被破坏，C 再次出现

1888年3月赫兹对电磁波的反射》介绍了测定方合振动器的频率计算出电磁波的速度。他在一个大屋子的一面墙上钉了一块铅皮，用来反射电磁波以形成驻波。在作为检验器，沿驻波方向前后移动，在波节处检验器不产生火花，在波腹处产生的火花最强。用这个方法测出两波节之间的长度，从而确定电磁波的速度等于光速。

赫兹又用金属面使电磁波做45°角的反射；用金属凹面镜使电磁波磁波发生偏振；以及用非金属材料制成的大棱镜使电磁波发生折射等。从而证明麦克斯韦光的电磁理论的正确性。至此麦克斯韦电磁场理论才被人们承认。

被人们公认是“自牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。

至此由法拉第开创，麦克斯韦建立，赫兹验证的电磁场理论向全世界宣告了它的胜利。

比赫兹实验早七年，一位叫戴维的人也接收到了电磁波信号，他随即向英国皇家协会会长G·斯托克斯汇报，但斯托克斯认为这只是普通的电磁一个天赐良机未予重视，使发现被埋没了。

三 成果

1896年，俄国科学家波波夫第一个成功进行了无线电通讯实验：通讯距离250米，电文“海因里希·赫兹”.

1897年，意大利青年发明家马克尼成功实现了‘布里斯托尔’海湾两岸之间的通讯，通讯

距离14.5 Km 。

1898年马克尼开发了电磁波的商业应用，在伦敦成立了无线电报公司，进行消息的快速传递和海上救护等。

理论相关。 1899年实现英法海峡两岸的无线电联络，距离45Km 。

1901年又成功实现了跨越大西洋的无线电通讯，从此马克尼的名字和无线电紧紧相连，无线电也在全世界逐步加以推广应用。

1909年他和德国物理学家、无线电技术的发明者卡尔·布朗一起荣获诺贝尔物理学奖。 无线电报(1901)——广播(1906 )——电话(1916)——传真(1923)——电视(1929)——微波(1933)——雷达(1935)——卫星通讯——电子计算机、因特网等都与电磁波