版权所有 复制必究高等教育出版社第三章 从静电现象到电磁波 “自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理学的公 理基础换句话说，就是我们关于实在结构的概念 最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁学方面 的工作所引起的。”爱因斯坦 伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他们把 科学思维和实验研究很好地结合在一起，为力学的发展开辟了一条正确的道路。 电学、磁学构成了经典物理学的另一重要分支。随 着一个个电磁学研究成果的取得，企图把全部物理学归 纳为力学的机械论观点宣告彻底失败。 本章将涉及下面一些科学家以及他们的重大发现， 他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。 库仑奥斯特安培法拉第麦克斯韦3.1 静电和静磁现象的研究 一、静磁和静电现象的早期研究 中国古代的贡献：最早文字记载“雷”、“电”，发明指南 针等。 最早总结前人对电磁研究的大量经验， 讨论电磁体性质的英国医生吉尔伯特，他 断言：电与磁是两种不同的现象。 相比静磁现象，静电研究困难得多。 直到第一台摩擦起电机发明后，对静电 研究才迅速开展起来。 吉尔伯特二、库仑定律类比万有引力，科学家猜 测电荷间作用力与距离平方 成反比。罗比逊实验，发现 罗比逊实验装置卡文迪许利用两个同心球的实验证明了上述规律，他 得到=0.02，可惜两人的工作都未发表。 卡文迪许扭称旋吊线悬吊在半空中可以 自由转动的木杆小铅球大铅球库仑于1875年用电扭实验，通过与万有引力类比， 确信并提出了库仑定律 C2/（Nm2） 计算表明，库仑力远大于万有引力 三、从库仑定律的建立看，类比方法的重要性 库仑测得=0.04，但他断定力与距离成平方反比，是成 功运用类比方法的结果。 麦克斯韦对类比法的论述：“为了不用物理理论而得到 物理思想，我们必须熟悉物理类比的存在。所谓物理类 比，我指的是一种科学定律与另一种科学定律之间的部 分相似性。它使得这两种科学可以相互说明。” 汤川秀树也是类比法的成功运用者，他通过将核力和电 磁力类比，成功地提出了核力的介子理论。他说：“类比 是一种创造性思维的形式，假定存在一个人所不能 理解的某物，他偶尔注意到这一物和他所熟悉的另一物 的相似性。他通过将两者比较就可以理解他在此刻之前 尚不能理解的某物。如果他的理解是恰当的，而且还没 有人达到这样的理解，那么可以说，他的思维确实是创 造性得到。” 必须指出：有时简单的类比也会导致错误的结果。如惠 更斯类比声波，认为光波也是纵波就错了。可见类比结 果是否正确还得由实验检验。3.2 电流的产生及其磁效应 一、从动物电研究到伏打电堆 发明 伽伐尼发现“动物电” 伏打怀疑神经电流的说法，从实验发 现了金属的接触电势差，从而发明了 伏打电堆。从此使电学从静电领域到 电流（动电）领域，实现了一大飞跃 。伏打电堆被称为“神奇的仪器”，还 曾经表演给拿破仑看。 伏打的重大发明与他自小爱好科学， 喜欢动手实验分不开。 拿破仑伏打电堆二、奥斯特发现电流磁效应 奥斯特基于（1）自然哲学思想自然各种基本力可以相互转化。（2）已发现一些电可能会发生磁的迹象。坚信电磁间有联系，并发展电是否能产生磁的研究。 奥斯特奥斯特小故事法国著名生物学家巴斯德在讲述奥斯特的发现时，说过一句名言：“在观察领域的一切机遇只偏爱有那些准备的头脑。”讨论：这句名言已在社会上被广泛使用。 一次演讲中，偶然发现导线通电时，在它的下方的 小磁针有一微小晃动。他抓住了这个现象，经过3个月的 反复实验，发现了电流磁效应。揭开了研究电与磁内在 联系的序幕。三、安培对电流磁效应的深入研究安培从磁体与磁体、电流与磁体相互作用，联想并 发现了通电导线之间有相互作用。并进一步发现了通电 螺线管与条形磁铁的等效性。安培载流直导线相互作用 载流螺线管与条形磁铁等效 安培也通过理论研究，提出了计算两载流回路之间的 相互作用力的方法。对于作用在长为l 两载流直导线上的力为 其中 和 是两导线中的电流，d为两平行导线间的距离， 在国际单位制中，常量 为真空磁导率， 由此安培提出了著名的“磁性起源假说”：物质磁性 来自于内部有电流，并可解释物体可被磁化的现象及磁 体被分割后仍有N、S极性现象。此假说，直到19世纪知 道了原子结构和物质结构的秘密，才真正知道这是“分 子电流”。 3.3 电磁感应定律 一、电磁感应现象的发现 法拉第的自然哲学思想：他与奥斯特一样，坚信自然力 的“统一性”，并追求这种统一性。他在实验记录中有这 样一段话：“长期以来，我就持有一种观点，几乎是一 种信仰，我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同有 的，就是物质的力表现出来时具有某种形态，都有一个 共同的根源，或者换句话说，它们是相互直接联系的， 也是相互依赖的，所以它们似乎是可以互相转化的。 加上奥斯特已发现了电能产生磁，所以法拉第坚信：磁 一定能产生电 经过近10年的努力，于1831年发现了电磁感应现象 由上述4种方法，可见关键点是：产生感应电流的回路都 是处在一个变化的磁场中，一旦磁场变化停止，感应电 流就消失。这种现象称为电磁感应。二、创造性的科学思维磁感线与场概念的引 入 法拉第于1831年底用铁粉实验展示并提出了“磁力线 ” （现称磁感应线）概念。他认为磁感应线显示了在磁 体周围空间是物理空间，其中存在“磁场”。利用磁感 应线在空间分布的疏密程度可以直观地描述磁场的强弱 。“密”表示 “强”，“稀”表示“弱”。条形磁铁周围铁屑沿磁感应线排列 磁感应强度是矢量，有大小和方向。在磁感应线上某 点的切线方向为该点磁感应强度方向。人们有规定磁场 的方向是将小磁针放在该点时，北极所指方向。 “场”概念引入的重大意义 力线和场的概念的提出，不仅使电磁感应可给以定量的 描述，而且“场”的提出，表明电力和磁力是一种近距作 用，即这种力是通过“场”进行传播的，不是“超距作用” 。 更重要的是：“场”的引入是物理学中极具想象力的创举 ，对物理学发展具有开创意义。在过去人们认为物理实 在是质点，牛顿研究的是质点的力学运动规律。而在电 磁学的研究中，物理实在是有连续的“场”来代表。法拉 第和麦克斯韦研究的是“场”的运动变化规律，这是一场 伟大的变革。 “想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想 象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进 化的源泉。” 爱因斯坦可见，电场线不同于磁感应线，电场线不闭合。类似 地，可用电场线在空间的密集程度来描述电场强弱。某点 处的电场方向是沿电场线的切线方向，且规定为正电荷在 该点的受力方向，所以电场线总是由正电荷指向负电荷。 几种电荷分布的电场线图 三、带电粒子在电场和磁场中所受的力和 场强的定义 1电荷所受的电场力 利用库仑定律，可得点电荷周围的P点出的电场强度 2运动电荷在磁场中受的力 式中B为磁感应强度，由上式可定义磁感应强度 在国际单位制中，B的单位是特斯拉（Tesla），用符号 T表示 1 T=1 导体中的电荷 实际应用：（1）质谱仪 （2）回旋加速器在原子核物理和高能物理实验中，用来加速带电粒子 回旋加速器原理图 回旋加速器外观图 （3）洛伦兹力带电粒子在电磁场中受 到的电磁力 称为洛伦兹公式 洛伦兹力实际应用：J.J. 汤姆孙发现电 子的实验中，测量带电 粒子的速度以及带电粒 子的荷质比，就是利用 了洛伦兹公式。 汤姆孙实验 调节电场和磁场的大小，可使带电粒子不发生偏转，即 洛伦兹力为零，因此vB时，有 已知 ，可去掉电场，则带电粒子将在磁场作用下偏转， 半径为r，由此可得荷质比为 四、磁通量 为了定量描述通过导线回路所围面积的磁场的变化， 引入磁通量 的单位是韦伯（Wb） 1 Wb=1 引入磁通量后，导线回路中感应电流的产生条件归结 为：通过导线回路的磁通量必须发生变化。 电通量 五、楞次定律 楞次定律是判断感应电流 方向的法则：闭合回路中 产生的感应电流方向，总 是使由此感应电流所产生 的磁场阻碍引起感应电流 的磁通量的变化。 楞次定律是能量守恒定律 在电磁感应现象中的具体 表现插入和抽出磁铁 时所做的功转变为回路中 的电能。 磁铁插入和抽出时，线圈中感 应电流的方向六、法拉第电磁感应定律 引入感应电动势 比感应电流更能反映电磁感应现 象的本质，电磁感应定律为：负号意味着 总是与磁通量变化的符号相反，说明 的方向总是阻止磁通量变化 。利用洛伦兹公式可导出电磁感应定律，即两者是自 恰的。同时再通过对图3-3-5实验的具体计算，证明了回 路中电能是由外力所做的功转化而来的。 电磁感应现象应用举例 （1）麦克风 （2）发电机原理 法拉第法拉第小故事七、做一个“平凡的法拉第”3.4 麦克斯韦电磁场理论的建立与 电磁 波的发现 一、一场伟大的变革 “一个民族要想站在科 学的高峰，就一刻也不能没 有理论思维。”恩格斯 恩格斯在1999年，英国广播公司 （BBC）所评选出的1000年来 最伟大的10位思想家中麦克斯 韦与马克思、爱因斯坦、牛顿 等人一起榜上有名，他排名第 九。后由英国杂志物理世界 在100位著名物理学家中选出 的10位最伟大者中，麦克斯韦 紧跟爱因斯坦和牛顿排名第三 。 麦克斯韦法拉第无疑是一位伟大的实验家，有丰富的想象力， 但他一系列观点还缺乏严格的数学形式，在理论上不够 严密。加上当时在学术界中，“超距作用”的传统观念还 很深，所以当时学术界对法拉第学说表示出冷漠、甚至 非议。 可是年轻的麦克斯韦却有与众不同的眼光，他体会 到了“场”的引入的革命性意义。他被法拉第的成果所吸 引。在1856年以后，他致力于用数学语言翻译和表述电 磁场的运动规律。 “法拉第和麦克斯韦在电磁场方面的工作引起一场最伟 大的革命”爱因斯坦 二、麦克斯韦方程组的建立麦克斯韦通过对前人的发现和成果加以总结和升华以 及结合位移电流概念的引入，提出了变化电场可在周围 激发磁场的假设，建立了反映电磁场运动规律的麦克斯 韦方程组。 麦克斯韦方程组： 麦克斯韦的电磁理论具有以下几个特点： （1）物理概念创新（2）逻辑体系严密（3）数学形式简单优美（4）演绎方法出色（5）电场与磁场以及时间空间的明显对称性 三、预言电磁波，实现第三次大综合 由麦克斯韦方程组出发，根据交变的电场（或磁场）可 在周围产生交变磁场（或电场），预言了电磁波。 他认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来， 电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波。麦克斯韦还推导出了电磁波在真空中的传播速度为 并由此推断光就是电磁波。电磁波谱电磁波谱大致可划分为： 无线电波一般由天线上的电磁振荡发射出去，它是电磁波谱中 波长最长的一个波段。由于电磁波的辐射强度随频率的减 小而急剧下降，因此波长为几百公里的低频电磁波通常不 为人们注意。实际使用中的无线电波的波长范围为30km 1mm。不同波长范围的电磁波特点不同，因此其用途也不 同，从传播特点而言，长波、中波由于波长很长，它们的 衍射能力很强，适合传送电台的广播信号。短波衍射能力 小，靠电离层向地面反射来传播，能传得很远。微波由于 波长很短，在空间按直线传播，容易被障碍物所反射，远 距离传播要用中继站。适合于电视和无线电定位（雷达） 和无线电导航技术。 各种无线电波的波长范围和用途名称长长波中波中短波短波米波微波分米波厘米波毫米波波长长3000 30000m200 3000m50 200m1050m110m10 100cm1 10cm0.11cm频频率10 100kHz100 1500 kHz1.5 6MHz6 30MHz30 300 MHz300 3000 MHz3000 30000 MHz30000 300000MHz主要 用途越洋长长距 离通讯讯和 导导航无线电线电广 播电报电报通 讯讯无线电线电 广播和 电报电报通 讯讯调频调频无 线电线电