1、13.3电与磁的统一01 电场与磁场库仑定律和安培定律，与 牛顿 的万有 引力定 律一样，都是 平方反 比定律，这自然使人联想到：电力和 磁力 与引力 的作用 如何产 生？需 不需要 通过媒 介传递？法拉第猜想：电力和磁力 是通 过振动 来传播 的，其 速度是 有限的。他还 认为，在每一个带电体或磁化 体周 围都充 满着电 力线或 磁力线，这些 力线连 接着相反的电荷或磁极。1851 年，法拉第发表论磁力线 一文，运用 磁力线 概念成 功地描 述了电磁感应定律：“无论 导线是垂直地 还是倾斜 地跨过磁力线，也无论 它是沿着这一 方向或那 一01 电场与磁场方向，该导线都把所 跨过的力 线所示的
2、力汇 总起来使 形成电流的力 正比于所 切割的力 线数”。1831年底，法拉 第用铁 粉实验 展示并 提出了“磁力 线”概 念他 认为 磁感应线显示了在磁体周围 空间 是物理 空间，其中存 在“磁 场”01 电场与磁场条形磁铁周围铁屑沿磁感应线排 列02“场”概念的建立和发展“你在巴黎 看见由充 满空间稀薄 物质的涡 旋构成的宇 宙，而 这些东西 在伦敦却荡 然无存，我们 什么也看 不见，在你 周围只 有引起海 潮的月亮的 引力”伏 尔泰02“场”概念的建立和发展2源 场 源02“场”概念的建立和发展（1）场具有能量（2）场具有动量03“场”的基本性质（2）场具有动量光压 1901年列别捷夫实
3、验验证（3）场具有质量03“场”的基本性质（4）微观条件下，场和实物 都具有 二象性“场”概念引入的重大意义03“场”的基本性质“想 象力比知 识更重要，因为知 识是有限 的，而想象 力概括 着世界上 的一切，推 动着进 步，并且 是知识进 化的源泉”爱 因斯坦法拉第的观点缺乏严格的 数学形 式，理 论上不 够严密“超 距作用”当时 在学术界中的传统观念很深，因 此当时 学术界 对法拉 第学说 表示出 冷漠、甚至非 议年轻的麦克斯韦体会到了“场”的引入 的04 麦克斯韦电磁场理论革命性意义“法拉 第实验所提供 的存在力 线的美妙例子，促使我相信力 线是某种 实际存在的东西。”04 麦克斯韦电磁
4、场理论1855 年，麦克斯韦在剑桥哲学学会 上宣读 了一篇 长达七 八十页 的论文。他充分发挥了法拉第的思想，认为电 荷之间 或电流 之间的 作用是 通过场 来传递 的。麦克斯韦将电场与流速场 作了类 比：把 电（磁）场强 度比作 流速；把电（磁）力线比作流线 并采用通 量 环 流 散 度和旋 度等数 学量来 描述电 磁场在 空间 力线比作流线，并采用通 量、环流、散 度和旋 度等数 学量来 描述电 磁场在 空间中的变化情况，建立了静 电场、静磁场 和感应 电场的 基本方 程。这样，麦克斯韦采用矢量 分析方 法阐明 了法拉 第力线 的意义，为法 拉第关 于场的描述提供了数学基础。3另一位物 理
5、学巨匠詹姆斯 克拉 克 麦克斯 韦（James Clerk Maxwell，18311879）综各家之所 长，挥经纶之巨 手，天才般地 写出了麦克斯 韦方程组包 含 了 自然界 的一切电磁现 象电荷变化的磁场（法 拉第的贡献）电场（库 仑等的贡献）描述电场的 两 个物理量：E 和D DtBE 电流变化的电场（麦 克斯韦假说）磁场（安 培等的贡献）描述磁场的 两 个物理量：B 和H0 BtDH 包含了 所有经典电磁 规律，揭 示了一切电磁 现象的本质麦克斯韦方程组04 麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁方程组，是 所有电 磁学定 律的简 明优美 的总结,是整个电磁学和光学的基础有趣的是，麦克斯韦 电
6、磁理 论当年是运用介质的弹性 学说导 出的麦克斯韦从介质“分子蜗 旋”形变导致的弹性性质 得出了 电磁方程组 他把 电力 归结 为分04 麦克斯韦电磁场理论方程组 他把“电力”归结 为分子蜗旋形变的弹性势 能，磁 力归结为转动动能麦克斯韦与妻子凯瑟琳在一起麦克斯韦的电磁理论 具有以 下几个 特点：04 麦克斯韦电磁场理论“法 拉第和麦 克斯韦在电 磁场方 面的工作 引起一场最 伟大的 革命”爱因斯坦法拉第和麦克斯韦等 人创立 的电磁 理论，导致 了发 电机、电动机、电 灯和电子技术的出现，人类文 明从此 进入 了电磁 时代 04 麦克斯韦电磁场理论4深刻、完美、新颖的 麦克斯 韦方程 组于 1
7、 865年提出，但开 始并 不被人们接受直到1 888年，赫兹(H.He rt z,1857 1894)用实验证明了电磁波的存在，并证明了电 磁波不 仅传播 速度 和光速 一样，而且 有类似 光的特性（反射、折射、衍射、偏振 等）从此 麦克 斯韦方 程组才 被04 麦克斯韦电磁场理论世人公认麦克斯韦不仅将电学与磁 学完全 统一起 来，而 且又将 他们与 光学统 一起来，实现了物理学史上继牛顿力 学建立 和能量 守恒提 出以来 的第三 次大综 合04 麦克斯韦电磁场理论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05 电磁波的预言及赫兹的实
8、验验证麦克斯韦认为这种交变电 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 预言了电磁波秒 米 真空光速/10 3180 0 c因此，光就是电磁波麦克斯韦推导出了电 磁波在 真空中 的传 播速度 为0 01（光速）真空c v105 电磁波的预言及赫兹的实验验证2 7 2 2 12/10 4/10 8.854 安培 牛顿）米（牛顿 库仑“电 磁波的这 一速度与光 速如此 接近，看 来我们有充 分理由 断定光本 身（以及热 辐射和 其他形式 的辐射）是以波动形 式按电 磁波的规 律传播的一 种电磁 振动。”1888年，电 磁波被证实海因里希鲁道夫赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857年2月22日1894年1 月1日），德国 物理学家麦克斯韦 去世8年之 后，其理论获 得完美验证51888年，德国卡勒休高级技术学校实验 物理教 授赫兹 实验证 实了麦 克斯韦 所预言的电磁波的存在。05 电磁波的预言及赫兹的实验验证赫兹实验
