《人類科學技術史-275》電磁學理論的發展

電磁學理論的發展

1800年發明伏打電堆以后，穩恒電流的研究取得了一系列進展，同年，尼科爾(1753-1815年，英國）和卡萊斯卡(1768-1840年，英國）發現了電流的化學效應。1805年，德國的李特爾(1776-1810年）發現了電流的熱效應。4年后戴維(1778-1829年，英國）發明了弧光燈，繼而發現了電阻定律。1826年，歐姆(1787-1845，德國）確立了著名的歐姆定律。1847年，基爾霍夫(1824-1887，德國）闡述了二條電路定律，從而發展了歐姆定律，并成為后來的網絡理論基礎。

直到19世紀初大多數人仍舊認為電和磁是毫不相關的兩種現象，但是自18世紀30年代以來不斷有人注意到電和磁之間相互關聯的現象，例如富蘭克林就曾發現萊頓瓶放電使鋼針磁化。

奧斯特(1777-1851年，丹麥）受到康德哲學思想的影響，深信自然界各種現象相互轉化，相互關聯，他認為只要找到適合的條件就有可能發現電轉化為磁的現象。1820年4月，他在課堂上偶然發現了通電導線使磁針偏轉的現象。他欣喜萬分，連續做了60多個實驗，證實在磁針和導線之間放置各種金屬或非金屬材料都不妨礙電流對磁針的偏轉作用。奧斯特的發現震動了整個歐洲的科學界，正如法拉弟所說，它"猛然打開了科學中一個黑暗的大門"。

是年9月，法國科學院院士安培(1775-1836年，法國）聽到這個消息后立即重復了這個實驗。一周后他向法國科學院報告了初步的研究成果，提出圓形電流可能產生磁場，而磁鐵類似于通電線圈；他還發現了安培右手定則，據此解釋了地磁場的成因，認為是由于地球上有從東向西流動的電流造成的。又過了一周，他報告了關于圓形電流相互作用的現象。10月初，他發現二條通電導線相互作用，當電流同向時相互吸引，電流異向時相互排斥。12月初，他報告了一個重要的研究成果，利用一組精巧的實驗和巧妙的數學方法，推導出了兩個電流元之間的作用力公式，即著名的安培定律。這一定律揭示出磁現象可能只是電特性的一種表現。從這一思想出發他于次年元月提出了著名的分子電流假設。他認為天然磁體中的每一個分子都存在圓形的電流，使分子類似一個小磁體。當分子磁體順向排列物體就顯示磁性。

安培努力把電磁學納入牛頓力學的框架，他把電流的相互作用叫做電動力，把1820至1827年間提出的理論叫電動力學，把磁學歸為其中一個分支。由于他的杰出貢獻，后來麥克斯韋稱他做"電學中的牛頓"。

1821年，《哲學雜志》的主編向當時任皇家研究院實驗室主任的法拉弟(1791-1867年，英國）約稿，請他綜述電磁學發展概況。這一工作促使法拉弟轉向電磁學的研究，最終導致電磁感應現象的偉大發現。是年9月，他在重復奧斯特的實驗時想到電流可能使磁體做連續的轉動。到年底他發明了這樣一種裝置，他把一根一端可繞軸轉動的磁針放在水銀中，當電流通過水銀時，磁針就連續地轉動起來。這實質是第一臺電動機。

從1821年至1822年，受靜電感應和靜磁感應的啟發，安培和菲涅耳等人都致力于探索用磁感應出電的途徑，但沒有成功。法拉弟在1822年的日記中寫道"從普通的磁中獲得電的希望，時時激勵著我從實驗上去探求電流感應現象。"他苦干了10年，直到1831年8月才獲得突破。他用一個外徑6時的軟鐵圓環，其上各繞兩個線圈，當其中一個線圈在通電或斷電的瞬間，在另一個中就感應出電流來，使放在附近的磁針偏轉。后來他用磁棒插入空心線圈中也得到了感生電流，這使他領悟到"作用不是持久的，而純屬瞬時的推或拉。"是年12月，他表演了一個實驗，他把銅盤裝在水平的軸上，使銅盤轉動時其邊緣通過一個碲形磁鐵，當盤轉動起來，所產生的感生電流由軸上引出，通過電線再回到銅盤邊緣，這實質上是第一臺發電機，一位在場的夫人譏笑地問"您的發明有什么用？"法拉弟回答："夫人，新生的嬰兒又有什么用呢？"11月，法拉弟在一篇論文中總結了五大類產生感生電流的情況，并把這一現象定名叫"電磁感應"。1851年，他對電流的磁感應定律作了較完善的表述："形成電流的力量正比于切割的磁力線數"。

與法拉弟同時進行有關電磁感應研究的還有亨利(1799-1878年，美國），他在1832年發表論文，敘述了在聽到法拉弟的工作之前和以后的研究成果。同年，他發表了自感現象的研究論文。1833年，物理學家楞茨(1804-1863年，俄國）提出判斷感生電流方向的方法，現在稱之為楞茨定律。

從18世紀末到19世紀初，一些著名的學者如法國的庫侖、安培等人傾向于用超距觀點研究電磁現象。然而法拉弟卻繼承了笛卡爾的近距作用觀念，思索著電荷之間的相互作用是借助于什么傳遞的。1837年，他發現電容器中加入介質，電容器能容納更多的電荷。與此類似，在線圈中放入鐵芯，從而增強了電磁鐵的磁性。這些事實使法拉弟深信電力與磁力是通過中間的某種介質傳遞的。他設想這是一種由電和磁激發的物質，它像以太那樣連續分布在空間中，在帶電體和磁體的周圍，傳遞著電力和磁力。他想象這種連續分布的物質應與流體場相似，是由力線或力管組成，它們連結著相反的電荷和相反的磁極。這樣他創造了電力線和磁力線的新概念。法拉弟把力線看作是一種實際存在，并用細鐵屑顯示出磁場的力線。他指出力線的圖形實際上描述了電場和磁場，力線的疏密表征磁場與電場強度的變化，力線上任一點切線方向就是該點場強的方向等等。

法拉弟關于力線和場的概念，對傳統的質點概念是一大突破，它不僅對電磁學的發展且對整個物理學都有著深遠的影響。自此超距觀念日漸衰敗，近距觀念不斷發展和完善。

電磁學在19世紀得到了顯著的發展，逐漸構成了完善的體系。已經確立了庫侖定律、高斯定律、安培定律、法拉弟定律；提出了場和力線的概念。

在理論上，1828年格林(1793-1841)年，英國）提出了勢的概念，對電磁學的數學理論作出重大貢獻；1845年諾依曼(1798-1895年）借助于勢的理論，導出了電磁感應定律的數學形式。1846年韋伯(1804-1891年，德國）指出，兩個電荷之間的作用力不僅取決于它們之間的距離，而且還與它們的相對速度和相對加速度有關。1847年至1853年，w.湯姆遜(開爾文）提出了鐵磁質內磁場強度H和磁感應強度B的定義，導出了H＝μB以及磁能密度和載流導線的磁能公式。這一切為麥克斯韋電磁場理論的創立準備了必要的條件。

英國物理學家麥克斯韋在學生時代就研讀了法拉弟的著作，后來受W.湯姆遜的啟發決心深入研究"力線"、"力管"和"場"，他說："主要是抱著給這些觀念提供數學方法基礎的希望"。1855年，他發表了第一篇研究電磁場理論的論文。他用穩定流體的渦流線與電磁場的力線對比，用數學中的矢量運算來描述力線在空間各點的連續變化。在論文末尾，提出了6條定律，這些為他后來的研究開拓了道路。但是電磁場畢竟不是流體的運動，它有自身特有的性質，因此，類比方法帶來的缺陷是不可避免的。麥克斯韋認識到這一點，開始從物理的角度重新考察電和磁的力線。

1861年，麥克斯韋在對感應電動勢作深入分析時，意識到變化的磁場會在空間激發出"渦旋電場"。這一年的年底他提出了另一個十分重要的假定，即"位移電流"的概念。這兩條假定成為麥克斯韋創造新理論的核心和基石。

1862年麥克斯韋發表了《論物理的力線》，在這篇論文中他引進一種媒質的力學模型，即電磁以太模型。他假定在以太中存在以力線為軸可繞軸旋轉的以太管，管子轉動的速度代表力強，沿軸的方向代表力強的方向。以太管旋轉的離心作用產生了橫向壓力，在縱向同時存在收縮，因此橫向表現為排斥，縱向表現為引力。這一假說體現了清晰的近距作用思想。

電磁以太模型可以解釋電荷或磁極間的相互作用，也可以說明電場變化與磁場變化的關系，同樣還可以說明電流的磁效應，但它不是電磁現象的本質，而僅是一種輔助性質的假設。隨后這個模型就被拋棄了。

關于"位移電流"，麥克斯韋指出它是出現在有變化電場存在時的介質中，其大小與電場隨時間的變化率成正比。這樣在有介質的條件下位移電流和傳導電流就構成了連續的全電流，在全電流的周圍產生磁場。并由此得到：交變的電場產生磁場，交變的磁場產生電場的結論。

1864年，麥克斯韋在皇家學會宣讀了著名的論文《電磁場的動力理論》。這時他拋棄了以太管的假設而轉向"場"的觀點。他說："我之所以把我提出的這個學說叫做電磁場的學說，是因為它與帶電體或磁體周圍的空間有關，這個學說也可以叫做場的動力理論，因為它假定在這個空間中存在著一種物質在運動，由此而產生了可觀察到的各種電磁現象。"為了定量地描寫電磁現象，他列出了含有20個變量的20個方程式，幾乎包含了當時電磁理論的一切成果。由此推出了電場強度和磁感應強度的波動方程，這表明變化的電場和磁場將以橫波的方式傳播，二者相互垂直。麥克斯韋認為"根據我們的新理論，能量存在于電磁場中，存在于帶電體和磁體的周圍空間和這些物體的內部"。他計算出電磁波的能流密度公式并定義為坡印適矢量。他求出電磁波傳播速度為

v↑2=1/(μ*ε）

μ和ε分別是介質的磁導率和介電常數，在真空中，此值恰為每秒鐘30萬公里，與光速相等。

關于電磁波的預言，一度引起許多人的懷疑，直到1888年，赫茲(1857-1894年，德國）用實驗證實電磁波的存在，電磁場理論才被廣泛接受。1890年，赫茲把麥克斯韋的方程組精簡為4個對偶形式的微分方程。

電磁場理論始于法拉弟，最終由麥克斯韋完成。它是第一個場論，成為狹義相對論和現代場論的先導，是科學認識上的一次重大變革。麥克斯韋將經典物理學理論推到高峰。