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电磁学物理发展

2018/06/19171 作者:佚名
导读:电磁波的发现由于历史上的原因(最早,磁曾被认为是与电独立无关的现象),同时也由于磁学本身的发展和应用,如近代磁性材料和磁学技术的发展,新的磁效应和磁现象的发现和应用等等,使得磁学的内容不断扩大,而磁学在实际上也就作为一门和电学相平行的学科来研究。 麦克斯韦电磁理论的重大意义,不仅在于这个理论支配着一切宏观电磁现象(包括静电、稳恒磁场、电磁感应、电路、电磁波等等),而且在于它将光学现象统一在这个理论

电磁波的发现由于历史上的原因(最早,磁曾被认为是与电独立无关的现象),同时也由于磁学本身的发展和应用,如近代磁性材料和磁学技术的发展,新的磁效应和磁现象的发现和应用等等,使得磁学的内容不断扩大,而磁学在实际上也就作为一门和电学相平行的学科来研究。

麦克斯韦电磁理论的重大意义,不仅在于这个理论支配着一切宏观电磁现象(包括静电、稳恒磁场、电磁感应、电路、电磁波等等),而且在于它将光学现象统一在这个理论框架之内,深刻地影响着人们认识物质世界的思想。

和电磁学密切相关的学科是经典电动力学,两者在研究对象和内容上并没有原则的区别。一般说来,电磁学偏重于经典电磁现象的实验研究,从广泛的电磁现象研究中归纳出电磁学的基本规律,最后总结出麦克斯韦方程组(但不系统研究具体如何求解);而经典电动力学则偏重于理论方面,它以麦克斯韦方程组和洛伦兹力(逻辑上相当于牛顿力学中牛顿的三个运动定律)为基础,研究宏观、低能尺度下电磁场分布,电磁波的激发、辐射和传播,以及带电粒子与电磁场的相互作用等电磁问题。

电磁学的各种实验结论与电动力学的关系,某种程度上可以类比于开普勒三定律与牛顿万有引力定律的关系。由高中物理可知,虽然万有引力定律是从开普勒通过对天体运动观测总结出的三大定律联立推导出来的;而通过联立万有引力定律、牛顿运动定律与各种运动学量的定义式,我们也可以反推出开普勒行星运动三定律(包括第三定律中,常数k的表达式)。然而,对于许多特定已知条件的行星运动问题,直接利用开普勒三定律,往往能够避免大量繁琐的运算。

由此可见,从某种意义上,也可以认为广义的电磁学包含了经典电动力学。关于相对论和量子理论对电磁学发展的影响,详见相对论电动力学、量子电动力学。

麦克斯韦《电磁论》发表后,由于理论难懂,无实验验证,在相当长的一段时间里并未受到重视和普遍承认。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如果位移电流存在,必定会产生磁效应;②变化的磁力必定会使绝缘体介质产生位移电流;③在空气或真空中,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级两个绕组的振荡线圈进行实验,偶然发现:当初级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,这可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线圈的电火花,那么它就能在邻近介质中产生振荡的位移电流,这个位移电流又会反过来影响次级绕组的电火花发生的强弱变化。

1886年,赫兹设计了一种直线型开放振荡器留有间隙的环状导线C作为感应器,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、传播和接收。

证明电磁波和光波的一致性:1888年3月赫兹对电磁波的速度进行了测定,并在论文《论空气中的电磁波和它们的反射》介绍了测定方法: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。1887年又设计了“感应平衡器”:即将1886年的装置一侧放置了一块金属板D,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使附近的介质交替极化而形成变化的位移电流,这种位移电流又影响“感应平衡器C”的平衡状态。使C出现电火花。当D靠近C时,平衡状态再次被破坏,C再次出现火花。从而证明了“位移电流”的存在。

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聚焦;用金属栅使电磁波发生偏振;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。麦克斯韦因此被人们公认是“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。

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