電磁場與電磁波-麥克斯韋與法拉第的貢獻.pptx
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電子1101班晉澤平寶艷青,當麥克斯韋遇見法拉第,他們就像伽利略和牛頓一樣,相輔相成?!獝垡蛩固?,人類在兩千多年前便已經(jīng)認識到了磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象,然而從人們開始認識到電與磁,到把他們聯(lián)系起來,直至最后形成電磁學,卻是一個復雜而曲折的過程。在這過程中,有兩個不得不提的人,他們就是法拉第和麥克斯韋。,,1791年9月22日法拉第出生在薩里郡紐因頓一個貧苦鐵匠家庭。因家庭貧困僅上過幾年小學,13歲時便在一家書店里當學徒。書店的工作使他有機會讀到許多科學書籍,也因此對科學產(chǎn)生了濃厚的興趣。在哥哥的資助下,他有幸參加了學者塔特姆領導的青年科學組織--倫敦城哲學會。法拉第的好學精神感動了一位書店的老主顧,在他的幫助下,法拉第有幸聆聽了著名化學家戴維的演講。,,他把演講內(nèi)容全部記錄下來并整理清楚,回去和朋友們認真討論研究。他還把整理好的演講記錄送給戴維,并且附信,表明自己愿意獻身科學事業(yè)。結(jié)果他如愿以償。22歲上做了戴維的實驗助手。從此,法拉第開始了他的科學生涯。戴維雖然在科學上有許多了不起的貢獻,但他說,我對科學最大的貢獻是發(fā)現(xiàn)了法拉第。,,1820年,奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應,受到科學界的關注,1821年,英國《哲學年鑒》的主編約請戴維撰寫一篇文章,評述自奧斯特的發(fā)現(xiàn)以來電磁學實驗的理論發(fā)展概況。戴維把這一工作交給了法拉第。法拉第在收集資料的過程中,對電磁現(xiàn)象產(chǎn)生了極大的熱情,并開始轉(zhuǎn)向電磁學的研究。他仔細地分析了電流的磁效應等現(xiàn)象,認為既然電能夠產(chǎn)生磁,反過來,磁也應該能產(chǎn)生電。于是,他企圖從靜止的磁力對導線或線圈的作用中產(chǎn)生電流,但是努力失敗了。,,經(jīng)過近10年的不斷實驗,到1831年法拉第終于發(fā)現(xiàn),一個通電線圈的磁力雖然不能在另一個線圈中引起電流,但是當通電線圈的電流剛接通或中斷的時候,另一個線圈中的電流計指針有微小偏轉(zhuǎn)。法拉第心明眼亮,經(jīng)過反復實驗,都證實了當磁作用力發(fā)生變化時,另一個線圈中就有電流產(chǎn)生。他又設計了各種各樣實驗,比如兩個線圈發(fā)生相對運動,磁作用力的變化同樣也能產(chǎn)生電流。這樣,法拉第終于用實驗揭開了電磁感應定律。,,法拉第的這個發(fā)現(xiàn)掃清了探索電磁本質(zhì)道路上的攔路虎,開通了在電池之外大量產(chǎn)生電流的新道路。根據(jù)這個實驗,1831年10月28日法拉第發(fā)明了圓盤發(fā)動機,這是法拉第第二項重大的電發(fā)明。這個圓盤發(fā)電機,結(jié)構雖然簡單,但它卻是人類創(chuàng)造出的第一個發(fā)電機。現(xiàn)代世界上產(chǎn)生電力的發(fā)電機就是從它開始的。,,1854年,麥克斯韋剛從劍橋畢業(yè)不過幾星期。他讀到了法拉第的《電學實驗研究》,立即被書中新穎的實驗和見解吸引住了。在當時人們對法拉第的觀點和理論看法不一,有不少非議。作為實驗大師,法拉第有許多過人的地方,唯獨數(shù)學功夫不夠,他的創(chuàng)見都是用直觀形式表達的,比如他在描述電場時首次提出了力線的概念。但一般的理論物理學家都不承認法拉第的學說。,,麥克斯韋特意給湯姆遜寫信,向他求教有關電學的知識。湯姆遜比麥克斯韋大7歲,對麥克斯韋從事電學研究給予過極大的幫助。在湯姆遜的指導下,麥克斯韋得到啟示,相信法拉第的新論中有著不為人所了解的真理。,,1855,24歲的麥克斯韋麥表《論法拉第的力線》,這是他第一篇關于電磁學的論文。在論文中,麥克斯韋通過數(shù)學方法,把電流周圍存在力線這個現(xiàn)象,概括做一個高等數(shù)學里的矢量微分方程?!墩摲ɡ诘牧€》這篇論文,雖然基本上是對法拉第力線概念的數(shù)學“翻譯”,卻是十分重要的一步。因為麥克斯韋一開始就使用了數(shù)學方法,而且選定了法拉第學說的精髓——力線思想,當做自己研究的起點。,,麥克斯韋到倫敦以后特地拜訪法拉第。這是一次難忘的會晤。這兩位偉人,他們不但在年齡上相差40歲,法拉第主要是實驗探索,麥克斯韋擅長理論概括??墒撬麄儗ξ镔|(zhì)世界的看法卻產(chǎn)生了共鳴。4年以前,法拉第曾經(jīng)稱贊過《論法拉第的力線》這篇論文,他沒有料到論文的作者竟這樣年輕。當麥克斯韋征求他對論文的看法的時候,法拉第沉思地說,“但是,你不應該停留在用數(shù)學來解釋我的觀點,你應該突破它!”,,法拉第的話像一盞明燈,照亮了青年物理學家麥克斯韋前進的道路。在討論以太模型的時候,麥克斯韋對自己發(fā)現(xiàn)的一個重要事實引起了極大的注意。他分析了法拉第對電介質(zhì)的研究以后,確認在電場變化著的電介質(zhì)中,也存在電流,他把這稱做“位移電流”。另外,他還計算出這種電流的速度。麥克斯韋驚奇地發(fā)現(xiàn):位移電流的速度恰好等于光速!這意味著他計算出了電磁波的傳播速度同光速是相等的,這是個非常了不起的發(fā)現(xiàn),正是這個發(fā)現(xiàn),促使麥克斯韋4年以后斷定光就是電磁波。,,1862年,麥克斯韋在英國《哲學雜志》第4卷23期上,發(fā)表了第二篇電磁學論文《論物理學的力線》。文章一登出來,立刻引起了廣泛的注意。它同1855年的《論法拉第的力線》相比,有了質(zhì)的飛躍。論文不再是法拉第觀點的單純數(shù)學翻譯,而是作了重大的引申和發(fā)展。其中具有決定意義的一步,是引進了“位移電流”的概念。,,從理論上引出位移電流的概念,實在是電磁學上繼法拉第電磁感應以后的一項重大突破。根據(jù)這個科學假設,麥克斯韋推導出兩個高度抽象的微分方程式(方程式直到1865年才最后完善),這就是著名的麥克斯韋方程式。這組方程式,從兩方面發(fā)展了法拉第的成就。一是位移電流,它表明不但變化著的磁場產(chǎn)生電場,而且變化著的電場也產(chǎn)生磁場;二是方程式不但完滿地解釋了電磁感應現(xiàn)象,而且還在理論上進行了總結(jié)。,,1865年,他發(fā)表了第三篇電磁學論文《電磁場動力學》在這篇重要文獻中,麥克斯韋方程的形式更完善了。他采用法國數(shù)學家、力學家拉格朗日(1736~1813)和愛爾蘭數(shù)學家、物理學家哈密頓(1805~1865)創(chuàng)立的數(shù)學方法,由那組方程式直接推導出了電場和磁場的波動方程,電磁波的傳播速度根據(jù)那個波動方程的系數(shù)計算,正好等于光速!這同麥克斯韋4年以前推算的那個比值完全一樣。,,直到這個時候,電磁波的存在是確定無疑的了!因此他大膽斷定,光也是一種電磁波。法拉第當年關于光的電磁理論的朦朧猜想,就這樣由麥克斯韋變成了科學的理論。法拉第和麥克斯韋的名字,從此聯(lián)系在一起,就跟伽利略和牛頓的名字一樣,在物理學上永放光彩。,,1865年,麥克斯韋正式宣布光的電磁學理論以后不久,就辭去皇家學院的工作,回到他的家鄉(xiāng)格倫萊莊園系統(tǒng)地總結(jié)研究成果,撰寫電磁學專著。經(jīng)過幾年苦干,他寫的《電磁學通論》在1873年問世。這是一部電磁理論的經(jīng)典著作,麥克斯韋系統(tǒng)地總結(jié)了19世紀中葉前后,庫侖、安培、奧斯特、法拉第和他本人對電磁現(xiàn)象的研究成果,建立了完整的電磁理論。,,這部巨著的重大意義,完全可以同牛頓的《數(shù)學原理》(力學)和達爾文的《物種起源》(生物學)相比較,它也是人類智慧的結(jié)晶。電磁理論的宏偉大廈,經(jīng)過幾代人的努力,巍然矗立起來了!,,麥克斯韋是繼法拉第之后,集電磁學大成的偉大科學家。他依據(jù)庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現(xiàn)和實驗成果,建立了第一個完整的電磁理論體系,不僅科學地預言了電磁波的存在,而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性,完成了物理學的又一次大綜合。這一理論自然科學的成果,奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無線電工業(yè)的基礎。,- 配套講稿:
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