经典电磁场理论的建立和发展及其重要意义

经典电磁场理论的建立和发展及其重要意义

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电磁场理论的产生是物理学史上划时代的里程碑之一，电磁场理论体系的核心是麦克斯韦方程组，麦克斯韦全面总结电磁学研究的全部成果，建立完整的电磁场理论体系，完成物理学的又一次大综合，他的理论成果为现代无线电电子工业奠定理论基础。

1 经典电磁场理论体系

完整的电磁场理论包括：1）麦克斯韦方程组：它是在库仑定律、毕奥-萨法尔定律、法拉第电磁感应定律以及麦克斯韦提出位移电流假说的基础上建立起来的。它反映了电磁场的运动规律。变化的电场和磁场可以互相激发而在空间独立存在。由此，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并预言了光是一种电磁波。不随时间变化，则为静态场。若电磁场的若电磁场很慢，则为拟稳场，说明市电在小尺度上可以用直流电路的计算方法。麦克斯韦方程组的建立是物理系史上的第三次大综合。2）洛伦兹力密度公式：它反映了电荷、电流受到的电磁场的作用力。3）电荷守恒定律：它反映了自然界中关于电荷守恒的一个基本规律。4）介质的电磁性质方程：它反映了物质在电磁场的作用下的性质，还反映了介质的结构。以上四点构成了完整的电磁场理论。

经典电磁场理论体系的核心是麦克斯韦方程组。在方程组中，电场和磁场相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。

麦克斯韦方程组的积分形式：

其中：1）式描述了电场的性质，即电场的高斯定理。2）式描述了磁场的性质，即磁场的高斯定理。3）式描述了变化的磁场激发感生电场的规律。4）式描述了变化的电场激发磁场的规律。此外，还要加上电磁场量和表征介质电磁特性的量之间的关系：

麦克斯韦方程组概括了电磁场的基本性质和规律，构成完整的经典电磁场理论体系，它不仅是整个宏观电磁理论的基础，而且也是许多现代电磁技术的理论基础。麦克斯韦的电磁理论充分体现了物理概念创新、逻辑体系严密、数学形式简单优美、电场与磁场以及时间与空间的明显对称等明显的特点。

2 经典电磁场理论建立的过程

以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论，是由伟大的英国科学家麦克斯韦提出的，但在该理论建立的过程中凝结着无数各国科学工作者的科研成果，探究经典电磁场理论建立的过程及指导思想对科学探索研究仍然具有重要作用。

在科学历史上曾有过长期的关于超距作用和近距作用两种观点的争论。直到19世纪中叶，两种观点都没有成熟的理论和足够的事实来判断孰是孰非。在整个18世纪和19世纪大半部分，超距作用电磁场理论取得了重大进展，以W·韦伯、F·E·诺埃曼为代表的超距作用电磁理论把各种电磁作用归结为库仑力和运动电荷之间的作用力，认为它是超越空间无需媒质传递也无需传递时间的直接作用。这种理论虽然解释了静电现象、电流的相互作用和电磁感应，但是没能提出任何有价值的预言，同时存在机制上的根本困难，最终被科学彻底抛弃。以法拉第为首的近距作用观点，认为任何相互作用都需要媒介传递。法拉第认为，在带电体磁极周围存在着一种称为“场”的特殊的物质，正是这种“场”传递着电磁的相互作用。

他在大量实验的基础上创建了“力线”思想和“场”的概念，把看不见摸不着的“场”用“力线”形象地描述出来。法拉第关于“力线”的思想和“场”的概念是物理学中具有开创意义的见解。他在40年的电磁现象的实验研究中，对电磁学的发展做出了极为重要的贡献，其中最重要的贡献是1831年发现了电磁感应现象。电磁感应的发现为能源的开发和广泛利用提供了崭新的前景。在法拉第力线思想的启发下，W·汤姆逊发表了《论热在均匀固体中的热均匀运动及其与电的数学理论的联系》和《论电力、磁力和伽伐尼力的力学表征》两篇论文，他把法拉第力线思想与拉普拉斯、泊松等人已经建立的静电理论结合在一起，运用类比方法，把法拉第的“力线”思想转变为定量的表述，为麦克斯韦的工作提供了十分有益的经验。

麦克斯韦在库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、汤姆逊、法拉第等人的一系列实验成果和发现的基础上，以其深邃的洞察力和精湛的数学知识建立了完整的电磁场理论体系。麦克斯韦建立电磁场理论的过程中可分为三步。1856年发表《论法拉第力线》是第一步，这篇论文的第一部分用数学形式解释了法拉第的力线图像，把法拉第天才观念用清晰准确的数学形式表示出来。论文的第二部分主要讨论了电磁感应现象，提出了感生电场的概念。在第二部分的最后一段，麦克斯韦推出了六个定律，这六个定律是由麦克斯韦总结当时电磁学已有的成果而得出的。1862年发表《论物理力线》是第二步，在这篇论文中，麦克斯韦设计了电磁作用的力学模型，对已经确立的电学量和磁学量之间的关系给以物理解释。在论文的第一部分，麦克斯韦通过他所提出的分子涡旋假设讨论了磁场作用在磁极、磁感应物质以及电流上的力；在第二部分，讨论了电磁感应现象，计算了介质中涡旋运动引起的能量，还讨论了电流、磁铁、导体运动时产生的感应现象，并用分子涡旋假设对动生电动势的产生作了力学解释；在第三部分，麦克斯韦引进了“位移电流”的概念，阐述了变化的电场也能产生磁场的规律，这正是麦克斯韦期待和寻找已久的变化磁场产生涡旋电场的逆效应。在第四部分，涡旋电场与位移电流的发现表明，变化的电场产生磁场，电磁场是具有内在联系的相互制约的统一体，这为电磁场的传播电磁波的预言提供了物理依据。1865年发表《电磁场的动力学理论》为第三步。在这篇论文里，他不再采用以前论文中的力学模型，而是把近距作用理论引向深入。在这篇论文的引言中，他

最早明确地提出了电磁场的概念，并且全面阐述了电磁场的含义。在论文的第三部分麦克斯韦建立了电磁场的普遍方程，一共有八组方程，它与我们前面提到的麦克斯韦方程组已经非常接近。这个方程组概括了电磁学的实验规律，也包含了理论的假设和推广，是能够完整和充分地反映电磁场客观运动规律的理论，是宏观电磁场的基本方程，在电磁学中的地位和牛顿定律在力学中的地位相当。

3 经典电磁场理论建立的意义和影响

麦克斯韦经典电磁场理论最卓越的成就之一是预言了电磁波的存在。“感生电流”假设的实质是变化的磁场能够激发电场，“位移电流”假设的实质是变化的电场能够激发磁场，电场和磁场相互激发，以波动的形式在空间传播从而形成了电磁波，而且电磁波传播速度等于光速。可以说，麦克斯韦运用了缜密的思想实验的方法，以优美的数学组合方式表达了电磁场，揭示了电场与磁场相互转化中产生的对称美，完成了电与磁的统一。麦克斯韦电磁理论的建立，不仅预言了电磁波的存在，而且光、电、磁这三种现象的统一性，完成了物理科学的第三次大综合，并为十九世纪七十年代开始的，以电力的应用为中心的第二次技术革命奠定了基础。

麦克斯韦预言电磁波的存在完全是凭借他的理论推断，当时并没有得到实验的支持，直至1888年，赫兹才首次用实验证实了麦克斯韦理论的光辉预言。此后，经典电磁场理论的发展，促使以电力的广泛应用、新通讯手段的发明为主要标志的第二次技术革命的发端。发电机和电动机的发明，实现了电能和机械能的互换。随后，电灯、电

车、电钻、电焊机、洗衣机、电风扇等电气产品先后涌现出来。

电磁场理论的发展扩展了科学研究的领域，以此为基础，诞生了无线电学、计算机学、微电子学、射电天文学、X射线学、高能物理学及量子力学等一大批新兴学科；在工业上，诞生了电解、电镀、电热、电焊、电火花等新的金属加工工艺和手段，大大提高了生产效率。此外，电磁场理论的应用彻底改变了人类通讯传输的进程。早期有电报和电话，后来利用空间电磁波的传播，发展了广播和电视及无线通讯，后来又发展了有线的光纤通讯和无线的微波通讯。通过微波通讯实现的有无线电话、移动电话、卫星通讯；通过光纤通讯、卫星通讯实现了全球电子邮件通讯和全球网络通讯等。经典电磁场理论以及以其为基础诞生的新兴科学的应用促使人类的社会生活全面走向了现代化，对世界经济、政治和文化的发展具有深远的影响。