电磁学的萌芽与发展进程

　　一、电磁学的萌芽时期

　　磁现象是自然界中的一种基本现象。磁现象比电现象的发现要早得多，我国古代人民从生产实践和日常生活中便了解到电和磁的一些现象和知识。在春秋战国时期的古书中已有记载，发现磁石，并记述了最古老的指南器）司南；西汉初年，发现了静电吸引现象等，这些都是人类初步认识电磁的现象，但仅仅来自于原始的生活经验。

　　十三世纪前后欧洲学术复兴，通过实验研究自然规律蔚然成风。当时通过实验，发现了磁石有两极，并命名为N极和S极，并通过实验证实了异性磁极相吸，同性磁极相斥。一根磁针断为两半时，每一半又各自成为一根独立的小磁针。但这股实验风气刚刚萌芽，立即遭到教廷中那些僧侣的反对，被压了下去。科学实验方法遭到遏制，因此电和磁的研究进入了停顿期。系统地对电磁现象进行研究则始于十六世纪。

　　1600年英国医生吉尔伯特发表了5论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体6,他总结了前人对磁的研究，周密地讨论了地磁的性质，记载了大量实验，使磁学从经验转变为科学。

　　1785年库仑公布了用扭秤实验得到电力的平方反比定律，使电学和磁学进入了定量研究的阶段库伦设计了精巧的扭秤实验，才直接测定了两个静止的同种点电荷之间的斥力与他们之间距离的平方成反比，与他们的电量乘积成正比。经过不断的探索，他又用电扭摆实验对吸引力测出了相同的结果。

　　至此，库仑定律得到了世界公认，从而开辟了近代电磁理论研究的新纪元。

　　二、电磁学的发展时期

　　奥斯特发现通电直导线附近平行放置的磁针，会受到力的作用而偏转；磁铁对通电导线有作用力。

　　在奥斯特发现电流磁效应后，首先对电磁作用力进行研究的是法国科学家安培，他在得知奥斯特发现之后，重复了奥斯特的实验，提出了右手定则，并用电流绕地球内部流动解释地磁的起因。接着他研究了载流导线之间的相互作用，建立了电流元之间的相互作用规律---安培定律，提出了磁性起源是电流的假说）安培分子电流假说。与此同时，法国科学家毕奥与萨伐尔和拉普拉斯在实验基础上，分析总结出电流元产生磁场的规律毕奥）萨伐尔定律。

　　英国物理学家法拉第对电磁学的贡献尤为突出。1831年发现电磁感应现象，进一步证实了电现象与磁现象的统一性。法拉第坚信电磁的近距作用，认为物质之间的电力和磁力都需要由媒介传递，媒介就是电场和磁场。电流磁效应的发现，使电流的测量成为可能。1826年欧姆受傅里叶热传导理论的启发，从电流现象和热现象相类似的设想出发，把/电流强度0类比于/热流量0,把/电势差0类比于/温度差0,猜想导线中两点间电流的大小也可能正比于这两点之问的某种驱动力（电势差）。从而设计实验推导出了欧姆定律。通过大量实验确定了电路的基本规律---欧姆定律。及至1865年，麦克斯韦把法拉第的电磁近距作用思想和安培开创的电动力学规律结合在一起，用一套方程组概括电磁规律，建立了电磁场理论，预测了光的电磁性质，终于实现了物理学史上第二次大综合。

　　三、电磁学发展的飞跃

　　麦克斯韦方程组凝聚了从1820年到1860年间，许多值得人类永远纪念的杰出科学家的贡献。

　　他们是：库仑、安培、法拉第、高斯、韦伯、赫姆霍兹、亨利、焦耳、楞茨、泊松、麦克斯韦、洛仑兹、毕奥等。

　　至此，电磁学理论基本成熟。

　　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。

　　1862年，麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文5论物理力线6.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。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L.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。

　　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。

　　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；但麦克斯韦清楚地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0的模型。所以在1864~1865年的论文5电磁场的动力学理论6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。

　　1873年，麦克斯韦出版5电磁学通论6,他不仅用数学理论发展了法拉第的思想，还创造性地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。

　　麦克斯韦方程组的一个重要结果，就是预言了电磁波的存在。麦克斯韦通过计算，从方程组中导出了自由空间中电场强度E和磁感应强度B的波动方程表示：电或磁的扰动，将在以太媒质里以速度c传播着。

　　1856年韦伯测定上述速度值为： c=31. 074万公里/秒，麦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。他认为这不是巧合，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0.从而将电、磁、光理论进行了一次伟大的综合。

　　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0.

　　参考文献：
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