電磁場(chǎng)與電磁波-麥克斯韋與法拉第的貢獻(xiàn).pptx

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電子1101班晉澤平寶艷青,當(dāng)麥克斯韋遇見法拉第,他們就像伽利略和牛頓一樣，相輔相成。——愛因斯坦,,人類在兩千多年前便已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象，然而從人們開始認(rèn)識(shí)到電與磁，到把他們聯(lián)系起來，直至最后形成電磁學(xué)，卻是一個(gè)復(fù)雜而曲折的過程。在這過程中，有兩個(gè)不得不提的人，他們就是法拉第和麥克斯韋。,,1791年9月22日法拉第出生在薩里郡紐因頓一個(gè)貧苦鐵匠家庭。因家庭貧困僅上過幾年小學(xué)，13歲時(shí)便在一家書店里當(dāng)學(xué)徒。書店的工作使他有機(jī)會(huì)讀到許多科學(xué)書籍，也因此對(duì)科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。在哥哥的資助下，他有幸參加了學(xué)者塔特姆領(lǐng)導(dǎo)的青年科學(xué)組織－－倫敦城哲學(xué)會(huì)。法拉第的好學(xué)精神感動(dòng)了一位書店的老主顧，在他的幫助下，法拉第有幸聆聽了著名化學(xué)家戴維的演講。,,他把演講內(nèi)容全部記錄下來并整理清楚，回去和朋友們認(rèn)真討論研究。他還把整理好的演講記錄送給戴維，并且附信，表明自己愿意獻(xiàn)身科學(xué)事業(yè)。結(jié)果他如愿以償。22歲上做了戴維的實(shí)驗(yàn)助手。從此，法拉第開始了他的科學(xué)生涯。戴維雖然在科學(xué)上有許多了不起的貢獻(xiàn)，但他說，我對(duì)科學(xué)最大的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了法拉第。,,1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，受到科學(xué)界的關(guān)注，1821年，英國(guó)《哲學(xué)年鑒》的主編約請(qǐng)戴維撰寫一篇文章，評(píng)述自?shī)W斯特的發(fā)現(xiàn)以來電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)的理論發(fā)展概況。戴維把這一工作交給了法拉第。法拉第在收集資料的過程中，對(duì)電磁現(xiàn)象產(chǎn)生了極大的熱情，并開始轉(zhuǎn)向電磁學(xué)的研究。他仔細(xì)地分析了電流的磁效應(yīng)等現(xiàn)象，認(rèn)為既然電能夠產(chǎn)生磁，反過來，磁也應(yīng)該能產(chǎn)生電。于是，他企圖從靜止的磁力對(duì)導(dǎo)線或線圈的作用中產(chǎn)生電流，但是努力失敗了。,,經(jīng)過近10年的不斷實(shí)驗(yàn)，到1831年法拉第終于發(fā)現(xiàn)，一個(gè)通電線圈的磁力雖然不能在另一個(gè)線圈中引起電流，但是當(dāng)通電線圈的電流剛接通或中斷的時(shí)候，另一個(gè)線圈中的電流計(jì)指針有微小偏轉(zhuǎn)。法拉第心明眼亮，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，都證實(shí)了當(dāng)磁作用力發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)線圈中就有電流產(chǎn)生。他又設(shè)計(jì)了各種各樣實(shí)驗(yàn)，比如兩個(gè)線圈發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁作用力的變化同樣也能產(chǎn)生電流。這樣，法拉第終于用實(shí)驗(yàn)揭開了電磁感應(yīng)定律。,,法拉第的這個(gè)發(fā)現(xiàn)掃清了探索電磁本質(zhì)道路上的攔路虎，開通了在電池之外大量產(chǎn)生電流的新道路。根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，1831年10月28日法拉第發(fā)明了圓盤發(fā)動(dòng)機(jī)，這是法拉第第二項(xiàng)重大的電發(fā)明。這個(gè)圓盤發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但它卻是人類創(chuàng)造出的第一個(gè)發(fā)電機(jī)。現(xiàn)代世界上產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)就是從它開始的。,,1854年，麥克斯韋剛從劍橋畢業(yè)不過幾星期。他讀到了法拉第的《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》，立即被書中新穎的實(shí)驗(yàn)和見解吸引住了。在當(dāng)時(shí)人們對(duì)法拉第的觀點(diǎn)和理論看法不一，有不少非議。作為實(shí)驗(yàn)大師，法拉第有許多過人的地方，唯獨(dú)數(shù)學(xué)功夫不夠，他的創(chuàng)見都是用直觀形式表達(dá)的，比如他在描述電場(chǎng)時(shí)首次提出了力線的概念。但一般的理論物理學(xué)家都不承認(rèn)法拉第的學(xué)說。,,麥克斯韋特意給湯姆遜寫信，向他求教有關(guān)電學(xué)的知識(shí)。湯姆遜比麥克斯韋大7歲，對(duì)麥克斯韋從事電學(xué)研究給予過極大的幫助。在湯姆遜的指導(dǎo)下，麥克斯韋得到啟示，相信法拉第的新論中有著不為人所了解的真理。,,1855，24歲的麥克斯韋麥表《論法拉第的力線》，這是他第一篇關(guān)于電磁學(xué)的論文。在論文中，麥克斯韋通過數(shù)學(xué)方法，把電流周圍存在力線這個(gè)現(xiàn)象，概括做一個(gè)高等數(shù)學(xué)里的矢量微分方程?！墩摲ɡ诘牧€》這篇論文，雖然基本上是對(duì)法拉第力線概念的數(shù)學(xué)“翻譯”，卻是十分重要的一步。因?yàn)辂溈怂鬼f一開始就使用了數(shù)學(xué)方法，而且選定了法拉第學(xué)說的精髓——力線思想，當(dāng)做自己研究的起點(diǎn)。,,麥克斯韋到倫敦以后特地拜訪法拉第。這是一次難忘的會(huì)晤。這兩位偉人，他們不但在年齡上相差40歲，法拉第主要是實(shí)驗(yàn)探索，麥克斯韋擅長(zhǎng)理論概括?？墒撬麄儗?duì)物質(zhì)世界的看法卻產(chǎn)生了共鳴。4年以前，法拉第曾經(jīng)稱贊過《論法拉第的力線》這篇論文，他沒有料到論文的作者竟這樣年輕。當(dāng)麥克斯韋征求他對(duì)論文的看法的時(shí)候，法拉第沉思地說，“但是，你不應(yīng)該停留在用數(shù)學(xué)來解釋我的觀點(diǎn)，你應(yīng)該突破它！”,,法拉第的話像一盞明燈，照亮了青年物理學(xué)家麥克斯韋前進(jìn)的道路。在討論以太模型的時(shí)候，麥克斯韋對(duì)自己發(fā)現(xiàn)的一個(gè)重要事實(shí)引起了極大的注意。他分析了法拉第對(duì)電介質(zhì)的研究以后，確認(rèn)在電場(chǎng)變化著的電介質(zhì)中，也存在電流，他把這稱做“位移電流”。另外，他還計(jì)算出這種電流的速度。麥克斯韋驚奇地發(fā)現(xiàn)：位移電流的速度恰好等于光速！這意味著他計(jì)算出了電磁波的傳播速度同光速是相等的，這是個(gè)非常了不起的發(fā)現(xiàn)，正是這個(gè)發(fā)現(xiàn)，促使麥克斯韋4年以后斷定光就是電磁波。,,1862年，麥克斯韋在英國(guó)《哲學(xué)雜志》第4卷23期上，發(fā)表了第二篇電磁學(xué)論文《論物理學(xué)的力線》。文章一登出來，立刻引起了廣泛的注意。它同1855年的《論法拉第的力線》相比，有了質(zhì)的飛躍。論文不再是法拉第觀點(diǎn)的單純數(shù)學(xué)翻譯，而是作了重大的引申和發(fā)展。其中具有決定意義的一步，是引進(jìn)了“位移電流”的概念。,,從理論上引出位移電流的概念，實(shí)在是電磁學(xué)上繼法拉第電磁感應(yīng)以后的一項(xiàng)重大突破。根據(jù)這個(gè)科學(xué)假設(shè)，麥克斯韋推導(dǎo)出兩個(gè)高度抽象的微分方程式（方程式直到1865年才最后完善），這就是著名的麥克斯韋方程式。這組方程式，從兩方面發(fā)展了法拉第的成就。一是位移電流，它表明不但變化著的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，而且變化著的電場(chǎng)也產(chǎn)生磁場(chǎng)；二是方程式不但完滿地解釋了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，而且還在理論上進(jìn)行了總結(jié)。,,1865年，他發(fā)表了第三篇電磁學(xué)論文《電磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué)》在這篇重要文獻(xiàn)中，麥克斯韋方程的形式更完善了。他采用法國(guó)數(shù)學(xué)家、力學(xué)家拉格朗日（1736～1813）和愛爾蘭數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家哈密頓（1805～1865）創(chuàng)立的數(shù)學(xué)方法，由那組方程式直接推導(dǎo)出了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的波動(dòng)方程，電磁波的傳播速度根據(jù)那個(gè)波動(dòng)方程的系數(shù)計(jì)算，正好等于光速！這同麥克斯韋4年以前推算的那個(gè)比值完全一樣。,,直到這個(gè)時(shí)候，電磁波的存在是確定無疑的了！因此他大膽斷定，光也是一種電磁波。法拉第當(dāng)年關(guān)于光的電磁理論的朦朧猜想，就這樣由麥克斯韋變成了科學(xué)的理論。法拉第和麥克斯韋的名字，從此聯(lián)系在一起，就跟伽利略和牛頓的名字一樣，在物理學(xué)上永放光彩。,,1865年，麥克斯韋正式宣布光的電磁學(xué)理論以后不久，就辭去皇家學(xué)院的工作，回到他的家鄉(xiāng)格倫萊莊園系統(tǒng)地總結(jié)研究成果，撰寫電磁學(xué)專著。經(jīng)過幾年苦干，他寫的《電磁學(xué)通論》在1873年問世。這是一部電磁理論的經(jīng)典著作，麥克斯韋系統(tǒng)地總結(jié)了19世紀(jì)中葉前后，庫(kù)侖、安培、奧斯特、法拉第和他本人對(duì)電磁現(xiàn)象的研究成果，建立了完整的電磁理論。,,這部巨著的重大意義，完全可以同牛頓的《數(shù)學(xué)原理》（力學(xué)）和達(dá)爾文的《物種起源》（生物學(xué)）相比較，它也是人類智慧的結(jié)晶。電磁理論的宏偉大廈，經(jīng)過幾代人的努力，巍然矗立起來了！,,麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學(xué)大成的偉大科學(xué)家。他依據(jù)庫(kù)侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)成果，建立了第一個(gè)完整的電磁理論體系，不僅科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合。這一理論自然科學(xué)的成果，奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無線電工業(yè)的基礎(chǔ)。,