物理学的概念与文化素养

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PHYSICS Concepts & Connections 专题4 从静电现象到电磁波 INSTRUCTOR: TAO LIN Spring 2013

从静电现象到电磁波 静电和静磁现象的研究电流的产生及其磁效应电磁感应定律麦克斯韦电磁场理论的建立电磁波

“自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理学的公理基础——换句话说，就是我们关于实在结构的概念——最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁学方面的工作所引起的。”“自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理学的公理基础——换句话说，就是我们关于实在结构的概念——最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁学方面的工作所引起的。” —爱因斯坦

本章将涉及下面一些科学家以及他们的重大发现，他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。本章将涉及下面一些科学家以及他们的重大发现，他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。奥斯特库仑麦克斯韦法拉第安培

伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他们把科学思维和实验研究很好地结合在一起，为力学的发展开辟了一条正确的道路。 电学、磁学构成了经典物理学的另一重要分支。随着一个个电磁学研究成果的取得，企图把全部物理学归纳为力学的机械论观点宣告彻底失败。

1 静电和静磁现象的研究 一、静磁和静电现象的早期研究 • 中国古代的贡献：最早文字记载“雷”、“电”，发明指南针等。 • 最早总结前人对电磁研究的大量经验，讨论电磁体性质的英国医生吉尔伯特，他断言：电与磁是两种不同的现象。 • 相比静磁现象，静电研究困难得多。直到第一台摩擦起电机发明后，对静电研究才迅速开展起来。吉尔伯特

二、库仑定律 类比万有引力，科学家猜测电荷间作用力与距离平方成反比。罗比逊实验，发现罗比逊实验装置

卡文迪许利用两个同心球的实验证明了上述规律，他得到δ=0.02，可惜两人的工作都未发表。 卡文迪许扭称旋吊线悬吊在半空中可以自由转动的木杆小铅球大铅球

库仑于1875年用电扭实验，通过与万有引力类比，确信并提出了库仑定律 C2/（N·m2）计算表明，库仑力远大于万有引力

三、从库仑定律的建立看，类比方法的重要性 • 库仑测得δ=0.04，但他断定力与距离成平方反比，是成功运用类比方法的结果。 • 麦克斯韦对类比法的论述：“为了不用物理理论而得到物理思想，我们必须熟悉物理类比的存在。所谓物理类比，我指的是一种科学定律与另一种科学定律之间的部分相似性。它使得这两种科学可以相互说明。”

汤川秀树也是类比法的成功运用者，他通过将核力和电磁力类比，成功地提出了核力的介子理论。他说：“类比是一种创造性思维的形式，……假定存在一个人所不能理解的某物，他偶尔注意到这一物和他所熟悉的另一物的相似性。他通过将两者比较就可以理解他在此刻之前尚不能理解的某物。如果他的理解是恰当的，而且还没有人达到这样的理解，那么可以说，他的思维确实是创造性得到。”汤川秀树也是类比法的成功运用者，他通过将核力和电磁力类比，成功地提出了核力的介子理论。他说：“类比是一种创造性思维的形式，……假定存在一个人所不能理解的某物，他偶尔注意到这一物和他所熟悉的另一物的相似性。他通过将两者比较就可以理解他在此刻之前尚不能理解的某物。如果他的理解是恰当的，而且还没有人达到这样的理解，那么可以说，他的思维确实是创造性得到。” 必须指出：有时简单的类比也会导致错误的结果。如惠更斯类比声波，认为光波也是纵波就错了。可见类比结果是否正确还得由实验检验。

一、从动物电研究到伏打电堆发明 伽伐尼发现“动物电” 伏打怀疑神经电流的说法，从实验发现了金属的接触电势差，从而发明了伏打电堆。从此使电学从静电领域到电流（动电）领域，实现了一大飞跃。伏打电堆被称为“神奇的仪器”，还曾经表演给拿破仑看。伏打的重大发明与他自小爱好科学，喜欢动手实验分不开。 2 电流的产生及其磁效应

二、奥斯特实验的启示 电和磁现象内在联系的发现首推丹麦物理学家奥斯特（H.C.Oerstde, 1777-1851）。青年时代的奥斯特是康德哲学家的崇拜者，后来周游欧洲，成了德国自然哲学学派的追随者。坚信自然界各种力具有统一性，并对电、磁统一进行研究。

一次演讲中，偶然发现导线通电时，在它的下方的小磁针有一微小晃动。他抓住了这个现象，经过3个月的反复实验，发现了电流磁效应。揭开了研究电与磁内在联系的序幕。一次演讲中，偶然发现导线通电时，在它的下方的小磁针有一微小晃动。他抓住了这个现象，经过3个月的反复实验，发现了电流磁效应。揭开了研究电与磁内在联系的序幕。 I N S 在1820年8月21日发表了题为《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文，向世界宣布了“电流的磁效应”，轰动了整个欧洲。

三、安培对电流磁效应的深入研究 法国物理学家安培（A.M.Ampere，1775–1836）从磁体与磁体、电流与磁体相互作用，联想并发现了通电导线之间有相互作用。并进一步发现了通电螺线管与条形磁铁的等效性。载流螺线管与条形磁铁等效安培

安培也通过理论研究，提出了计算两载流回路之间的相互作用力的方法。对于作用在长为l 两载流直导线上的力为其中和是两导线中的电流，d为两平行导线间的距离，在国际单位制中，常量为真空磁导率，由此安培提出了著名的“磁性起源假说”：物质磁性来自于内部有电流，并可解释物体可被磁化的现象及磁体被分割后仍有N、S极性现象。此假说，直到19世纪知道了原子结构和物质结构的秘密，才真正知道这是“分子电流”。

安培1820年底提出了著名的安培定律： 通有电流强度为I，长度为l的直导线，放在磁感应强度为B的均匀磁场中，导线所受的安培力的大小为载流直导线相互作用

3 法拉第电磁感应定律的建立 法拉第（Faraday, 1791-1867）称得上是十九世纪电磁领域中最伟大的实验物理家。 1824年被选为皇家学会会员； 1825年，法拉第任皇家研究院院长。法拉第一生的贡献主要表现在两个方面： ⑴发现了电磁感应现象； ⑵引入了“力线”和“场”的概念。

一、发现了电磁感应现象 1831年10月17日，法拉第做了一个实验，他用一个电流计连接在一个线圈中，形成一个回路，在回路中没有电源。然后，迅速将一条形磁铁插入线圈或拔出线圈，这是发现电流计指针发生偏转，这表明线圈回路中产生了电流。 S N 电磁感应现象

N N - S S + 二、法拉第力线和场的概念历史上，对电荷与电荷、磁极与磁极的相互作用有两种不同的理解：超距作用：远距离作用，作用不需要时间。直接作用：直接接触的作用，作用需要时间。电荷电场电荷电流（磁体）磁场电流（磁体）

+ + – 点电荷的电力线法拉第认为：“场”是由“力线”所组成，这些力线把不同的电荷、磁体或电流连接在一起。点电荷的电力线

三、磁通量 为了定量描述通过导线回路所围面积的磁场的变化，引入磁通量 1 Wb=1 的单位是韦伯（Wb）电通量引入磁通量后，导线回路中感应电流的产生条件归结为：通过导线回路的磁通量必须发生变化。

四、楞次定律 楞次定律是判断感应电流方向的法则：闭合回路中产生的感应电流方向，总是使由此感应电流所产生的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化。楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现——插入和抽出磁铁时所做的功转变为回路中的电能。磁铁插入和抽出时，线圈中感应电流的方向

I I 条形磁铁周围的磁感应线

五、电磁感应定律： 当通过回路所包围的面积的磁通量发生变化时，回路中将产生感应电流或感应电动势。感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比。

开尔文勋爵对法拉第的力线评价说： 在法拉第的许多贡献中，最伟大的就是力线的概念了。我想，借助于它，就可以把电场和磁场的许多性质，以最简单而极富启发性地表示出来。爱因斯坦认为：场的概念的价值要比电磁感应的发现高得多…。法拉弟的成功是与他的勤奋刻苦，坚韧不拔的精神，以及严格的科学态度分不开的。法拉弟不愧为十九世纪最伟大的实验物理学家，电磁学的奠基人之一。

麦克斯韦出生于苏格兰爱丁堡一个名门望族1847年进入爱丁堡大学学习数学、物理；1850年，考入剑桥大学主攻数学和物理。1856年被阿伯丁马里歇尔学院聘为教授；1860，年转往伦敦皇家学院；1871年，回剑桥任实验物理学教授，创办了著名的“卡文迪许实验室”。麦克斯韦出生于苏格兰爱丁堡一个名门望族1847年进入爱丁堡大学学习数学、物理；1850年，考入剑桥大学主攻数学和物理。1856年被阿伯丁马里歇尔学院聘为教授；1860，年转往伦敦皇家学院；1871年，回剑桥任实验物理学教授，创办了著名的“卡文迪许实验室”。 4 麦克斯韦电磁场理论的建立

当时电磁学已经建立了四大定律： 库仑定律高斯定律安培定律法拉弟电磁感应定律 19世纪50－60年代，无论是实验上还是理论上都为麦克斯韦建立统一的电磁场理论作好了充分的准备。

一、麦克斯韦的两个基本假设： • 感应电场（涡旋电场）变化的磁场周围出现的电场（非保守场）。电位移通量的变化率。 • 位移电流（A）感应电场的引入表示了变化的磁场能够产生电场。位移电流的引入表示了变化的电场能够产生磁场。电磁波

二、麦克斯韦方程组

电磁波速度： 麦克斯韦在文章中写到： “电磁波的这一速度与光速如此接近，看来我们有充分的理由断定，光本身是以波动形式在电磁场中按电磁波规律传播的一种电磁振动”。三、麦克斯韦建立的电磁理论具有以下几个特点： ① 物理概念创新； ② 逻辑体系严密； ③ 数学形式简单优美； ④ 演绎方法出色； ⑤ 电场与磁场以及时间空间的明显对称性。

四、预言电磁波，实现第三次大综合 由麦克斯韦方程组出发，根据交变的电场（或磁场）可在周围产生交变磁场（或电场），预言了电磁波。他认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来，电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波。

麦克斯韦还推导出了电磁波在真空中的传播速度为 并由此推断光就是电磁波。

赫兹（H.R.Hertz, 1857-1894） 在麦克斯韦逝世9年后由赫兹通过实验证实了电磁波的存在。 5 电磁波一、电磁波的发现

感应器 LC回路检波器金属板赫兹又用类似的实验证明电磁波具有类似光的特性，如：反射、折射、衍射、偏振等，证实了麦克斯韦电磁场理论的正确性。

无线电技术是谁发明的？ 马可尼? 波波夫? 在人们心目中，一般认为: 马可尼是无线电实用电报技术的发明人波波夫是无线电技术的最早发明人他们都是“无线电之父”！

二、电磁波谱 真空中电磁波的传播速度为：频率、波长和波速三者之间的关系为：到目前为止，人们已经认识并应用的电磁波，其波长最长达105米,最短的波长只有10-13米, 频率从1kHz到1021Hz的极高频率。

电磁波谱

电磁波谱表

三、无线电波的应用 一.无线电波、广播、电视和传真无线电波波长最长的电磁波，波长从几千米到几毫米。广播电台：中波（535—1605 kHz），短波（2—24 MHz）；调频广播（88——108 MHz）亚太地区卫星广播（11.7-12.2kMHz）；电视、雷达、无线电导航、卫星通讯等：（微波段：几千兆赫）。

波段（频段） 波长范围频率范围超长波（甚低频）（VLF） 100~10Km 3~30KH z 长波（低频）（LF） 10~1Km 30–300KHz 中波（中频）（MF） 1000~100m 0.3~3MHz 短波（高频）（HF） 100~10m 3~30MHz 超短波（甚高频）（VHF） 10~1m 30~300MHz 微波分米波（特高频)（UHF） 10~1 dm 0.3~3GHz 厘米波（超高频）(SHF) 10~1cm 3~30GHz 毫米波（极高频）（EHF） 10~1mm 30~300GHz

超长波（100~10Km）（3~30KHz）用于水下通信，因为试验表明，无线电波在海水中的衰减是很大的，而且波长越短（频率越高）衰减就越大。所以海底通信用超长波。核爆炸时会产生超长波，所以用超长波无线电能够测出在何处进行了核爆炸试验。长波（10~1Km）（30~300KHz），是人类最早使用的通信波段，可谓老资格的信息载体，它已为人类服务了近100年，近年来，由于其他波段的通信方法日益成熟，长波通信逐渐被淘汰，现在保留的主要用于导航、报时。中波（100~1000m）（300~3000KHz）是人们熟悉的波段，是大众媒介的信息渠道，国际电信联盟规定526.5~1605.2千赫专供无线电广播用，平时我们就在这个波段收听广播。

短波（10~100m）（3~30MHz，1MHz=106Hz），短波广播能远距离传送，因为在地面50千米上空有一电离层，它是太阳辐射的产物，这一高度的大气层由于其中的气体分子受到太阳辐射出来的紫外线照射后产生了大量自由电子和离子，这个过程称为“电离”，这层大气称为电离层。超短波（1~10m）（30~300MHz），又称米波，由于频率高，所以通信容量大，可以传输大容量的电视（TV）信号。

四、微波、雷达和遥感 遥感是不接触的测量和识别技术，是空间信息的收集、记录、传送、分析处理和识别的应用科学。遥感技术包括三个组成部分：一是遥感仪，它的作用是接收辐射或反射来的电磁波二是运载工具，把遥感仪送到同被测物体保持一定距离和角度的地点去，这就是遥感平台三是识别设备，用它处理和判读由遥感仪接收到的目标物体的信息特征。

五、微波能的应用 两种情况，一是微波能使有些食品发热，二是微波会影响人体健康，因此引起了人们的注意。微波与物质作用时有热效应、生物效应和化学效应。

六、红外线 波长范围大约在0.6 mm～760 nm之间的电磁波称为红外线，它的波长比红光更长。红外线主要来源于炽热物体的热辐射，给人以热的感觉。它能透过浓雾或较厚大气层而不易被吸收。红外线虽然看不见，但可以通过特制的透镜成像。根据这些性质可制成红外夜视仪，在夜间观察物体。20世纪下半叶以来，由于微波无线电技术和红外技术的发展，两者之间不断拓展，目前微波和红外线的分界已不存在，有一定的重叠范围。

七、可见光 可见光在整个电磁波谱中所占的波段最窄，其波长范围在760nm～400nm之间。这些电磁波能使人眼产生光的感觉，所以称为光波。可见光的不同频率决定了人眼感觉到的不同颜色，白光则是由各种颜色的可见光——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，按一定光强比例混合而成，称为复色光。

八、紫外线 波长范围在400nm～5nm之间的电磁波称为紫外线（ultraviolet），它比可见光的紫光波长更短，人眼也看不见。当炽热物体（例如太阳）的温度很高时，就会辐射紫外线。由于紫外线的能量与一般化学反应所涉及的能量大小相当，因此它有明显的化学效应和荧光效应，也有较强的杀菌本领。无论是红外线、可见光或紫外线，它们都是由原子的外层电子受激发后产生的。

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