电磁学历史
电磁学从两个独立的科学(电学和磁学)发展成为一个完整的物理学分支,主要是基于两个重要的实验发现,即电流的流动产生磁效应,变化的磁场产生电效应。
这两个实验现象,加上J.C .麦克斯韦提出的改变电场产生磁场的假设,奠定了电磁学的整个理论体系,发展了对现代文明产生重大影响的电工电子技术。
麦克斯韦电磁理论的伟大意义不仅在于它支配了所有宏观电磁现象(包括静电、稳恒磁场、电磁感应、电路、电磁波等。),还在于它把光学现象统一在这个理论框架内,深刻影响了人们认识物质世界的思维。
电子的发现将电磁学与原子和物质结构理论结合起来。H.A. Lorenz的电子理论将物质的宏观电磁性质归结于原子中电子的作用,统一解释了电、磁、光现象。
与电磁学密切相关的是经典电动力学,两者在内容上没有原理上的区别。
一般来说,电磁学侧重于电磁现象的实验研究,从广泛的电磁现象研究中总结出电磁学的基本规律;经典电动力学侧重于理论。它以麦克斯韦方程组和洛仑兹力为基础,研究电磁场分布、电磁波的激发、辐射和传播、带电粒子与电磁场的相互作用等电磁问题。也可以说广义电磁学包括经典电动力学。
相对论和量子论对电磁学发展的影响,参见相对论电动力学和量子电动力学。
麦克斯韦的“电磁理论”由于理论艰深,没有实验验证,长期以来没有得到重视和普遍认可。
1879年,柏林科学院设奖征文,证明以下三个假说:①如果位移电流存在,一定会产生磁效应;(2)变化的磁力必然会在绝缘子介质中引起位移电流;(3)在空气或真空中,上述两个假设同样成立。
这篇文章成了赫兹电磁波实验的先驱。
在1885年,赫兹实验了一个带有初级和次级绕组的振荡线圈。恰巧在初级线圈输入脉冲电流时,次级绕组两端的狭缝之间产生了电火花,赫兹马上想到这可能是电磁共振现象。
由于一次绕组的振荡电流可以引起二次绕组的电火花,因此可以在相邻介质中产生振荡位移电流,进而影响二次绕组电火花的强度变化。
1886年,赫兹设计了一个线性开路振荡器,环形导体C上有一个缝隙作为电感,放置在线性振荡器AB附近。当向AB输入脉冲电流并在间隙中产生火花时,在C的间隙中也产生火花..
这其实就是电磁波的产生、传播和接收。
证明电磁波和光波的一致性:1888年3月,赫兹测量电磁波的速度,在《论电磁波在空气中及其反射》一文中介绍了测量方法:赫兹利用电磁波形成的驻波测量相邻两个波节(半波长)之间的距离,再结合振子的频率计算电磁波的速度。
他把一块铅皮钉在大房子的墙上反射电磁波形成驻波。
在13m处使用一个辅助振动器作为波源。
使用感应线圈作为检测器,沿着驻波方向来回移动。探测器在节点处不产生火花,但在波腹处产生的火花最强。
这种方法用于测量两个节点之间的长度,从而确定电磁波的速度等于光速。
1887中设计了一个“感应平衡器”,即在1886中的器件一侧放置一块金属板D,然后将C调远,使缝隙中不出现火花,再将金属板D向AB和C方向移动,在C的缝隙中出现电火花..
这是因为D中感应的振荡电流产生了一个附加的电磁场作用在C上,当D接近时,C的平衡被破坏。
这个实验表明,振子AB交替极化附近的介质,形成可变位移电流,进而影响“感应平衡器C”的平衡状态。
使c出现电火花。
当D接近C时,平衡态再次被破坏,C再次产生火花。
这证明了“位移电流”的存在。
赫兹也是用金属表面,以45°角反射电磁波;用金属凹面镜聚焦电磁波;用金属网格极化电磁波;非金属材料制成的大棱镜折射电磁波。
从而证明麦克斯韦的光的电磁理论的正确性。
麦克斯韦的电磁场理论得到了人们的认可。
被公认为“自牛顿以来世界上最伟大的数学物理学家”。
至此,由法拉第开创,麦克斯韦建立,赫兹验证的电磁场理论向全世界宣告了它的胜利。