麥克斯韋電磁場理論的建立

與電磁波的發(fā)現(xiàn)

“一個民族要想站在科學(xué)的頂峰，就一刻也不能沒有理論思維。〞——恩格斯恩格斯一、一場偉大的變革在1999年，英國播送公司〔BBC〕所評選出的1000年來最偉大的10位思想家中麥克斯韋與馬克思、愛因斯坦、牛頓等人一起榜上有名，他排名第九.后由英國雜志《物理世界》在100位著名物理學(xué)家中選出的10位最偉大者中，麥克斯韋緊跟愛因斯坦和牛頓排名第三.Maxwell(1831~1879)1831年出生蘇格蘭愛丁堡一個名門望族1847年16歲愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)1851年20歲劍橋大學(xué)1852年21歲劍橋大學(xué)三一學(xué)院研究員1856年25歲被阿伯丁馬里歇爾學(xué)院聘為教授1860年29歲倫敦皇家學(xué)院物理教授2.Fraday的思想對Maxwell的影響1.麥克斯韋簡介：法拉第無疑是一位偉大的實驗家，有豐富的想象力，但他一系列觀點還缺乏嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式,在理論上不夠嚴(yán)密。加上當(dāng)時在學(xué)術(shù)界中，“超距作用〞的傳統(tǒng)觀念還很深，所以當(dāng)時學(xué)術(shù)界對法拉第學(xué)說表示出冷漠、甚至非議?？墒悄贻p的麥克斯韋卻有與眾不同的眼光，他體會到了“場〞的引入的革命性意義。他被法拉第的成果所吸引。在1856年以后，他致力于用數(shù)學(xué)語言翻譯和表述電磁場的運動規(guī)律?！胺ɡ诤望溈怂鬼f在電磁場方面的工作引起一場最偉大的革命〞——愛因斯坦二、麥克斯韋方程組的建立1.麥克斯韋的科學(xué)思想:(1)他把以庫侖定律為根底導(dǎo)出反映電荷與其所產(chǎn)生的電場之間的靜電場方程推廣到對變化的電場也成立。(2)把法拉第電磁感應(yīng)定律進行推廣。他認(rèn)為如果僅用場的概念來表達(dá)的話，法拉第的電磁感應(yīng)定律可簡述為:

磁場隨時間的變化必定在其周圍產(chǎn)生電場。(3)由于磁感線無頭無尾總是閉合的，因此通過封閉曲面的磁通量為零，這也反映了自然界中不存在類似電荷那樣的磁荷這一事實。(4)麥克斯韋通過對前人的發(fā)現(xiàn)和成果加以總結(jié)和升華以及結(jié)合位移電流概念的引入，提出了：

變化電場可在周圍激發(fā)磁場的假設(shè)這樣在傳導(dǎo)電流中斷處,就有位移電流接上去了,保持了電流的連續(xù)性.

19世紀(jì)50-60年代,無論是實驗上還是理論上都為麥克斯韋建立統(tǒng)一的電磁場理論作好了充分的準(zhǔn)備.庫侖定律安培定律電磁感應(yīng)定律高斯定律電磁學(xué)四大定律2.麥克斯韋建立電磁場理論的背景穿越一閉合曲面B的通量=0穿越一閉合曲面的D的通量=面內(nèi)所有的電荷和3.麥克斯韋方程組E繞一環(huán)路的線積分=穿越該回路的B通量隨時間變化量H繞一環(huán)路的線積分=穿過該環(huán)路的電流+穿過該回路的E通量的時間變化量描述介質(zhì)性質(zhì)的物理量微分形式積分形式麥克斯韋的電磁理論具有以下幾個特點：〔1〕物理概念創(chuàng)新〔2〕邏輯體系嚴(yán)密〔3〕數(shù)學(xué)形式簡單優(yōu)美〔4〕演繹方法出色〔5〕電場與磁場以及時間空間的明顯對稱性麥克斯韋方程組是物理與數(shù)學(xué)相結(jié)合的偉大成果。簡明精確的數(shù)學(xué)語言是表述科學(xué)概念、科學(xué)理論的重要形式，是科學(xué)開展的要求，也是科學(xué)成熟的標(biāo)志之一。正如馬克思所說：“科學(xué)只有成功運用數(shù)學(xué)時，才算到達(dá)了完善的地步。〞隨著科學(xué)技術(shù)的進步，現(xiàn)代科學(xué)的開展已日趨定量化，只有定量化的數(shù)學(xué)描述才能經(jīng)得起在量上的實驗檢驗，也才能從量的細(xì)微差異上尋找理論的缺乏之處和改進方法。雖然他們兩人的科學(xué)方法與科學(xué)風(fēng)格迥然不同,然而麥克斯韋并不因此貶低法拉第的風(fēng)格。他曾說：“因為人們的心靈各有不同的類型?？茖W(xué)的真理也應(yīng)當(dāng)以種種不同的形式來表現(xiàn)。不管他以粗豪的物理方式說明其生動的顏色也好。還是以—種樸素?zé)o味的符號表現(xiàn)也好，都應(yīng)當(dāng)被當(dāng)作是同樣科學(xué)的。〞麥克斯韋終身都保持著謙遜謹(jǐn)慎的高尚品格。他曾認(rèn)為，他自己與法拉第相比，只不過是—只筆，寫出了法拉第那些杰出的科學(xué)思想。愛因斯坦指出：在牛頓的觀點中，質(zhì)點是我們表示實在的唯一形式，是實在的唯一代表。這種觀點本質(zhì)上是原子論的和機械論的。一切事件都要用機械的方式來解釋。然而，在法拉第和麥克斯韋的觀點中，物理實在是由連續(xù)的場來表示的。不能對它作機械論的解釋。實在概念這一變革，是物理學(xué)自牛頓以來的一次最深刻和最富有成效的變革。三、預(yù)言電磁波，實現(xiàn)第三次大綜合麥克斯韋從他所提出的方程組出發(fā)，他發(fā)現(xiàn)：如果空間某處有一電磁振源，假定其能產(chǎn)生交變電場〔或磁場〕，那么在其周圍可產(chǎn)生交變磁場〔或電場〕。于是這種交變電磁場可不斷由振源向遠(yuǎn)處傳播開來，電磁振蕩在空間的傳播就形成了電磁波。麥克斯韋還推導(dǎo)出了電磁波在真空中的傳播速度為“電磁波的這一速度與光速如此接近，看來我們有充分的理由斷定，光本身是以波動形式在電磁場中按電磁波規(guī)律傳播的一種電磁振動〞。電磁波振動的電場與磁場相互垂直,且振動方向都與傳播方向垂直,故電磁波是橫波.深刻、完美、新穎的麥克斯韋方程組于1864年提出，但開始并不被人們接受。Hertz（1857-1894）

在麥克斯韋逝世9年后(1888年)由德國物理學(xué)家赫茲通過實驗證實了電磁波的存在。赫茲又用類似的實驗證明電磁波具有類似光的特性,如：反射、折射、衍射、偏振等，證實了麥克斯韋電磁場理論的正確性。從此麥克斯韋方程組才被世人公認(rèn)。

赫茲驗證電磁波存在的實驗：赫茲用來研究電磁波反射的實驗裝置電磁波的實驗轟動了整個物理學(xué)界，全世界許多物理實驗室投入了對電磁波性質(zhì)及其應(yīng)用的研究。在赫茲宣布他的發(fā)現(xiàn)后不到六年，意大利的和俄羅斯的波波夫分別實現(xiàn)了無線電波遠(yuǎn)距離傳播，并很快投入實際應(yīng)用。無線電報、無線電播送、無線、、電視以及雷達(dá)等無線電技術(shù)像雨后春筍般涌現(xiàn)出來，近幾十年來，又實現(xiàn)了衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星通信等。麥克斯韋電磁理論和赫茲實驗不僅分別預(yù)言和證實了電磁波的存在，同時也迎來了無線電通信的新時代無線電技術(shù)是誰創(chuàng)造的？在人們心目中，一般認(rèn)為:波波夫是無線電技術(shù)的最早創(chuàng)造人馬可尼是無線電實用電報技術(shù)的創(chuàng)造人他們都是“無線電之父〞！馬可尼?波波夫?1.電磁波譜：1895年倫琴發(fā)現(xiàn)的X射線；1896年發(fā)現(xiàn)的放射性射線中的一種射線；紅外線與紫外線均為電磁波這些電磁波本質(zhì)上完全相同，只是頻率與波長不同而已四、電磁波的應(yīng)用電磁波的速度與頻率及波長有如下關(guān)系：電磁波譜⑴無線電波2.各種電磁涉及其應(yīng)用：①產(chǎn)生：L、C電磁振蕩電路電容器中形成電場電容器充電電感線圈中形成磁場電容器中形成電場形成交變電磁場開關(guān)Ｋ接右電容器放電反向?qū)﹄娙萜鞒潆婇_關(guān)Ｋ接左頻率：無線電波產(chǎn)生的條件：(1)頻率足夠高(2)電路必須開放LC振蕩回路的改造:極板面積減小，間距增大，線圈匝數(shù)減少LC振蕩回路+_+_+_振蕩偶極子交變的電場(或磁場)在周圍產(chǎn)生交變磁場(或電場),交變電磁場不斷由振源向遠(yuǎn)處傳播;電磁振蕩在空間的傳播就形成了電磁波。②無線電波的實際應(yīng)用：１.無線電波的四個波段及波長范圍：微波短波中波長波1~10-4m102~1m103~102m105~103m接收天線接收天線地波電離層空間波地球天波發(fā)射天線２.三種傳播方式：地波傳播：沿地球外表附近空間的傳播天波傳播：通過電離層反射方式而進行的傳播空間波傳播：沿直線的傳播各種無線電波的波長范圍和用途名稱長波中波中短波短波米波微波分米波厘米波毫米波波長3000～30000m200～3000m50～200m10～50m1～10m10～100cm1～10cm0.1～1cm頻率10～100kHz100～1500kHz1.5～6MHz6～30MHz30～300MHz300～3000MHz3000～30000MHz30000～300000MHz主要用途越洋長距離通訊和導(dǎo)航無線電廣播電報通訊無線電廣播和電報通訊調(diào)頻無線電廣播、電視廣播和無線電導(dǎo)航電視、雷達(dá)、無線電導(dǎo)航等從傳播特點而言，長波、中波由于波長很長,它們的衍射能力很強，適合傳送電臺的播送信號。短波衍射能力小，靠電離層向地面反射來傳播，能傳得很遠(yuǎn)。微波由于波長很短，在空間按直線傳播，容易被障礙物所反射，遠(yuǎn)距離傳播要用中繼站。適合于電視和無線電定位〔雷達(dá)〕和無線電導(dǎo)航技術(shù)。波長范圍大約在0.6mm～760nm之間的電磁波稱為紅外線，它的波長比紅光更長。紅外線主要來源于熾熱物體的熱輻射，給人以熱的感覺。它能透過濃霧或較厚大氣層而不易被吸收。紅外線雖然看不見，但可以通過特制的透鏡成像。根據(jù)這些性質(zhì)可制成紅外夜視儀，在夜間觀察物體。⑵紅外線(infrared)可見光光譜⑶可見光(visiblelight)可見光在整個電磁波譜中所占的波段最窄，其波長范圍在760nm～400nm之間。這一波段的電磁波能使人眼產(chǎn)生光的感覺，所以稱為光波?？梢姽獾牟煌l率決定了人眼感覺到的不同顏色，白光那么是由各種顏色的可見光——紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，按一定光強比例混合而成，稱為復(fù)色光。波長范圍在400nm～5nm之間的電磁波稱為紫外線,它比可見光的紫光波長更短，人眼也看不見。當(dāng)熾熱物體〔例如太陽〕的溫度很高時，就會輻射紫外線。由于紫外線的能量與一般化學(xué)反響所涉及的能量大小相當(dāng)，因此它有明顯的化學(xué)效應(yīng)和熒光效應(yīng)，也有較強的殺菌本領(lǐng)。無論是紅外線、可見光或紫外線，它們都是由原子的外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的。⑷紫外線〔ultraviolet〕倫琴在1895年發(fā)現(xiàn)了X射線。它的波長比紫外線更短，它是由原子中的內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的，其波長范圍在0.04～5nm之間。X射線具有很強的穿透能力，在醫(yī)療上用于透視和病理檢查；在工業(yè)上用于檢查金屬材料內(nèi)部的缺陷和分析晶體結(jié)構(gòu)等。隨著X射線技術(shù)的發(fā)展，它的波長范圍也朝著兩個方向發(fā)展，在長波方向與紫外線有所重疊，短波方向則進入了射線的領(lǐng)域。⑸X射線(X-Rays)這是一種比X射線波長更短的電磁波，它來自于宇宙射線或某些放射性元素在衰變過程中的輻射，其波長范圍在以下，甚至更短。它的穿透力比X射線更強，對生物的破壞力很大。除了用于金屬探傷外，還可用于了解原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

⑹宇宙射線(Gamma-Rays)麥克斯韋的奉獻(xiàn)不僅在