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1、电磁学序言第1页，本讲稿共11页子尺度和分子尺度，即10-8到10-7cm的距离范围内很重要。引力在大天体尺度上起着很重要的作用，如地球、太阳、银河系以及迄今能观测到的宇宙。电磁相互作用是研究得最为广泛的一种相互作用。首先它在决定原子和分子结构方面起着关键性的作用，因而在很大程度上决定着各种物质的物理和化学性质。其次，电磁相互作用的规律是其他许多学科如电子电工学、等离子体物理学、磁流体物理学、电化学、量子电动力学等的基础。此外，电磁学的知识在科研和生产中有着极为广泛的应用，从工业到农业，从日常生活到国防现代化无不涉及到电磁学的的原理。综上所述，学习和掌握这门学科的重要性是不言而喻的了。二、电磁
2、学的发展简史第2页，本讲稿共11页二、电磁学的发展简史 远在我国古代和古希腊，人类在生产和实践中便了解到电和磁的一些现象和知识。如我国春秋战国时代管子地数（公元前600多年）中写到“上有慈石者，其下有铜金”，这是我国关于磁石的最早记载，其后有东汉王充的论衡是应（公元前82年左右），论衡乱龙。在公元前585年，古希腊哲学家泰勒斯（Thales)就记载了用木头摩擦过的瑚玻能够吸引草屑等轻小物体，以及天然磁石吸引铁的现象。在随后1000多年漫长历史过程中，由于人类对电磁现象缺乏系统的理论研究，只是靠零碎的自然知识积累，所以整个电磁学的发展十分缓慢。第3页，本讲稿共11页 十三世纪前后，欧洲出现了有名
3、的学术复兴，通过实十三世纪前后，欧洲出现了有名的学术复兴，通过实验研究自然规律已蔚然成风。当时英国有名的学者培根验研究自然规律已蔚然成风。当时英国有名的学者培根（Roger Bacon)提出，提出，“应当靠实验来弄懂自然科学应当靠实验来弄懂自然科学”。在他的影响下，马里古特在他的影响下，马里古特(Pierre de Maricourt，英国，英国人人)做了不少磁学实验，并于做了不少磁学实验，并于1269年前后写了一本小册子年前后写了一本小册子，描述了他的发现。马里古特发现磁石有两极，他把这两，描述了他的发现。马里古特发现磁石有两极，他把这两极分别叫做极分别叫做N极和极和S极。通过实验证实了同性
4、磁极相斥，极。通过实验证实了同性磁极相斥，异性磁极相吸，一根磁针断为两半时，每一根小磁针又成异性磁极相吸，一根磁针断为两半时，每一根小磁针又成为一根独立的小磁针。这股实验风气，很快遭到教廷中那为一根独立的小磁针。这股实验风气，很快遭到教廷中那些偏执狂的僧侣的反对，很快被压了下去，电和慈的研究些偏执狂的僧侣的反对，很快被压了下去，电和慈的研究又进入了停顿期。又进入了停顿期。十六世纪，由于工、商业及航海的发展，社会的需要十六世纪，由于工、商业及航海的发展，社会的需要再次推动自然科学的研究。第一个从实验和理论上对电和磁做再次推动自然科学的研究。第一个从实验和理论上对电和磁做了较为系统研究的是英国伊利
5、莎白女王的御医吉尔伯特了较为系统研究的是英国伊利莎白女王的御医吉尔伯特（William Gilbert,1544-1603)，他发现了电和，他发现了电和第4页，本讲稿共11页 磁有一些不同性质。他提出了解释电现象的理论，制作了磁有一些不同性质。他提出了解释电现象的理论，制作了验电器等。验电器等。1600年，德国工程师盖利克（年，德国工程师盖利克（Guoricke 1602-1686)发明了第一台象小足球大的转动硫磺球的摩擦起电机，使较发明了第一台象小足球大的转动硫磺球的摩擦起电机，使较大量电荷的获得成为可能。大量电荷的获得成为可能。1729年，英国的格雷（年，英国的格雷（Stephen Gra
6、y 1670-1736)发现了导体和绝缘体具有不同的导电属性，这一发现为电发现了导体和绝缘体具有不同的导电属性，这一发现为电荷荷 的输运奠定了基础。的输运奠定了基础。1733年，法国的杜费（年，法国的杜费（Charles Francois du Fay,1698-1739)发现了有两种性质完全不同的电荷，并提出了发现了有两种性质完全不同的电荷，并提出了两元电液理论。两元电液理论。1745年，荷兰莱顿的物理学家穆欣布罗克（年，荷兰莱顿的物理学家穆欣布罗克（pieter van Musschenbrock,1692-1791)在寻找保存电的办法中，发明在寻找保存电的办法中，发明了莱顿瓶，即电容器的
7、原形。了莱顿瓶，即电容器的原形。第5页，本讲稿共11页 与此同时，美国的富兰克林与此同时，美国的富兰克林(Benjamin Franklin,1706-1790)对莱顿瓶的功效进行了深入分析，并对它作了许多对莱顿瓶的功效进行了深入分析，并对它作了许多实验，提出了正电和负电的概念，他引入的正电和负电的概念至今实验，提出了正电和负电的概念，他引入的正电和负电的概念至今仍在运用，同时也提出了电荷守恒的理论。仍在运用，同时也提出了电荷守恒的理论。1750年左右，德国的埃皮诺斯发现了两电荷的作用力年左右，德国的埃皮诺斯发现了两电荷的作用力随作用距离的减小而增大的现象，但是他没有深入研究其随作用距离的减小
8、而增大的现象，但是他没有深入研究其相互作用的定量规律。相互作用的定量规律。1766年底德国科学家普里斯特利通过年底德国科学家普里斯特利通过一系列实验证明，带电的空心金属容器内表面上没有电荷，而一系列实验证明，带电的空心金属容器内表面上没有电荷，而且对内部空间没有任何电力作用。由此他做了一个猜测，认为且对内部空间没有任何电力作用。由此他做了一个猜测，认为电荷之间的相互作用力与万有引力相似，但他仅停留在猜测阶电荷之间的相互作用力与万有引力相似，但他仅停留在猜测阶段。段。1769年，英国的罗宾逊（年，英国的罗宾逊（John Robinsun)通过作用在通过作用在一个荷电小球上的电力和重力平衡的实验定
9、出，两个同种一个荷电小球上的电力和重力平衡的实验定出，两个同种电荷之间的相互作用力与它们距离的电荷之间的相互作用力与它们距离的.次方次方第6页，本讲稿共11页成反比，他进一步猜想正确的应当是平方反比关系但是他成反比，他进一步猜想正确的应当是平方反比关系但是他和普里斯特利的工作当时没有受到科学界的足够重视。和普里斯特利的工作当时没有受到科学界的足够重视。1785年年,法国的库仑（法国的库仑（Couloum,1736-1806)设计了精设计了精巧的扭秤实验，得出了至尽世界公认的库仑定律。从而开巧的扭秤实验，得出了至尽世界公认的库仑定律。从而开辟了近代电磁理论研究的新纪元。辟了近代电磁理论研究的新纪
10、元。1800年，意大利的伏打（年，意大利的伏打（Volta,1745-1827)制成制成了伏打电堆，有了稳定的电源，这为人类从研究静电现了伏打电堆，有了稳定的电源，这为人类从研究静电现象过渡到研究动电现象提供了坚实的技术基础。象过渡到研究动电现象提供了坚实的技术基础。自吉尔伯特将电现象和磁现象进行对比研究以来，自吉尔伯特将电现象和磁现象进行对比研究以来，200多年以来，人们一直认为电和磁没有什么联系。丹麦的奥多年以来，人们一直认为电和磁没有什么联系。丹麦的奥斯特（斯特（Hans Christian Oersted,1777-1804)在十多年在十多年不懈坚持努力下，于不懈坚持努力下，于1820
11、年发现了电流的磁效应年发现了电流的磁效应第7页，本讲稿共11页当电流通过导线时，会使导线旁边的小磁针向与导线垂直当电流通过导线时，会使导线旁边的小磁针向与导线垂直的方向转动。奥斯特的发现是电磁学发展史上的又一里程的方向转动。奥斯特的发现是电磁学发展史上的又一里程碑，轰动了当时整个欧洲的科学界。其中反映最快的首推碑，轰动了当时整个欧洲的科学界。其中反映最快的首推是法国的物理学界。是法国的物理学界。法国的毕奥法国的毕奥(Jean Baptiste Biot,1774-1862)和萨和萨伐尔伐尔(Felix Savart,1791-1841)于同年于同年10月月30日发表了论文，日发表了论文，阐述了
12、载流长直导线对磁极的作用力反比于距离的实验结果。阐述了载流长直导线对磁极的作用力反比于距离的实验结果。随后，法国的科学家拉普拉斯随后，法国的科学家拉普拉斯(Pierre Simon Laplace,1729-1827)在他们两人的基础上，用数学分析的方法将其表达成在他们两人的基础上，用数学分析的方法将其表达成微分和积分的形式，这便是我们现在使用的毕奥微分和积分的形式，这便是我们现在使用的毕奥-萨伐尔萨伐尔-拉拉普拉斯定律。这一定律是电流磁效应的理论基础。几乎与此同时，普拉斯定律。这一定律是电流磁效应的理论基础。几乎与此同时，法国的安培（法国的安培（Ampere,1775-1836)迅即重复了奥
13、斯特的实验，迅即重复了奥斯特的实验，并加以发展、设计，进行了一系列精巧实验，从中总结出磁针转并加以发展、设计，进行了一系列精巧实验，从中总结出磁针转动方向与电流方向满足右手螺旋法则、两电流元之间动方向与电流方向满足右手螺旋法则、两电流元之间第8页，本讲稿共11页的作用力与其距离的平方成反比的公式（即安培定律）和的作用力与其距离的平方成反比的公式（即安培定律）和物质磁性的分子电流假说。毫无疑问，在深化人类对电流物质磁性的分子电流假说。毫无疑问，在深化人类对电流磁效应认识方面，安培作出了重大贡献。电流的磁效应开磁效应认识方面，安培作出了重大贡献。电流的磁效应开辟了电应用的新领域。随后发明的电磁铁、
14、检流计、电报、辟了电应用的新领域。随后发明的电磁铁、检流计、电报、电话等，为科学的发展和现代化的通讯奠定了基础。电话等，为科学的发展和现代化的通讯奠定了基础。1827年，德国的欧姆（年，德国的欧姆（Ohm,1787-1854)发表了发表了简单而极为有用的欧姆定律，这个定律是电工学最基本的规律之一。简单而极为有用的欧姆定律，这个定律是电工学最基本的规律之一。二十年后，德国的基尔霍夫（二十年后，德国的基尔霍夫（Kirchhoff,1824-1887)从电荷守从电荷守恒和能量守恒角度出发，将欧姆定律推广，建立了两个基尔霍恒和能量守恒角度出发，将欧姆定律推广，建立了两个基尔霍夫方程组，这为我们解决复杂
15、电路提供了基础。夫方程组，这为我们解决复杂电路提供了基础。1821年，英国的法拉第（年，英国的法拉第（Michael Faladay,1791-1867)在了解和重复了奥斯特的实验后，逐渐形成了一个在了解和重复了奥斯特的实验后，逐渐形成了一个想法，既然电流可以产生磁，那么磁应该可以转化为电流，想法，既然电流可以产生磁，那么磁应该可以转化为电流，通过近十年的求索，历经了多次实验上的失败，终于在通过近十年的求索，历经了多次实验上的失败，终于在第9页，本讲稿共11页1831年发现了电磁感应现象。在解释电磁感应现象时，提年发现了电磁感应现象。在解释电磁感应现象时，提出了力线的概念，认为当通过回路的磁感
16、应线变化时，回出了力线的概念，认为当通过回路的磁感应线变化时，回路中就产生感应电流，从而解释了感应电动势产生的真正路中就产生感应电流，从而解释了感应电动势产生的真正原因。电磁感应定律的定量表述是由德国的科学家诺埃曼原因。电磁感应定律的定量表述是由德国的科学家诺埃曼（Neumann,1798-1895)和韦伯和韦伯(Wilbelm Weber,1804-1890)分别于分别于1845和和1846年给出的。年给出的。1833年，俄国的楞次（年，俄国的楞次（Lenz,1804-1865)发表了他的实发表了他的实验结果，明确给出了确定感应电流方向的法则，即验结果，明确给出了确定感应电流方向的法则，即楞
17、次定律。楞次定律。1854年前后，英国的科学家麦克斯韦年前后，英国的科学家麦克斯韦(James ClerkMaxwell,1831-1879)致力于将法拉第力线的观念转变致力于将法拉第力线的观念转变成便于数学处理的形式。首先他提出了两个假设：成便于数学处理的形式。首先他提出了两个假设：“涡旋电场涡旋电场”、“位移电流位移电流”，然后将其用数学形式表示出来，就是现在我们，然后将其用数学形式表示出来，就是现在我们要学习的麦克斯韦方程组，他发表于要学习的麦克斯韦方程组，他发表于1865年，从这一理论出年，从这一理论出发他推论：变化的电场激发磁场，变化的磁场激发电场，由近及发他推论：变化的电场激发磁场
18、，变化的磁场激发电场，由近及远形成电磁波；并导出电磁波在远形成电磁波；并导出电磁波在第10页，本讲稿共11页真空的传播速度等于电量的电磁单位和静电单位之比，它正真空的传播速度等于电量的电磁单位和静电单位之比，它正好等于真空中的光速。于是他预言了电磁波的存在，并大胆好等于真空中的光速。于是他预言了电磁波的存在，并大胆提出光是电磁波的看法。他的理论一开始并没有被人们重视，提出光是电磁波的看法。他的理论一开始并没有被人们重视，直到直到1886年年10月，德国物理学家赫兹月，德国物理学家赫兹(Hertz,1857-1894)在做电在做电路放电实验过程中，偶然发现近旁一个两端间有空隙的开路线圈也路放电实
19、验过程中，偶然发现近旁一个两端间有空隙的开路线圈也发出火花，他敏锐地想到这可能是电磁共振，沿着这一思路，做了发出火花，他敏锐地想到这可能是电磁共振，沿着这一思路，做了一系列实验，研制出发射电磁波的赫兹振子和接收电磁波的探测器，一系列实验，研制出发射电磁波的赫兹振子和接收电磁波的探测器，这不仅证实了电磁波的存在，而且测出电磁波的速度与光速相同，这不仅证实了电磁波的存在，而且测出电磁波的速度与光速相同，与光一样具有反射、折射、干涉、衍射、偏振等物理现象。赫兹的与光一样具有反射、折射、干涉、衍射、偏振等物理现象。赫兹的实验光辉地证实了麦克斯韦的理论，实验光辉地证实了麦克斯韦的理论，并开创了无线电电子技术并开创了无线电电子技术的新时代。的新时代。第11页，本讲稿共11页