物理學史--電磁學的建立PPT課件

.,1,電工與電子技術發(fā)展概況,電磁現(xiàn)象的早期研究電磁學的建立電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與研究電磁場理論的建立,.,2,一電磁現(xiàn)象的早期認識,公元前7世紀，古希臘哲學家泰勒斯已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用毛織物摩擦過的琥珀能吸引某些輕小物體。Electricity（電）這個字的起源就來自希臘文的“琥珀”(electron)。,公元前7世紀，古希臘哲學家泰勒斯已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用毛織物摩擦過的琥珀能吸引某些輕小物體。Electricity（電）這個字的起源就來自希臘文的“琥珀”(electron)。,.,3,首先對電和磁現(xiàn)象進行系統(tǒng)實驗研究的是英國的威廉吉爾伯特（WilliamGilbert，15441603）。他認識到電力和磁力是性質(zhì)不同的兩種力。他第一個將琥珀和毛皮摩擦后吸引輕小物體的性質(zhì)叫做“電”。1600年，吉爾伯特發(fā)表了論磁、磁體和地球作為一個巨大的磁體（Demagnete，magneticisquecorporibusetdemagnomagnetetellure，簡稱磁石論）。他總結了前人對磁的研究，周密地討論了地磁的性質(zhì)，記載了大量實驗，使磁學從經(jīng)驗轉變?yōu)榭茖W。書中他也記載了電學方面的研究。,(一)吉爾伯特與,.,4,第一卷介紹了他的磁性“小地球”實驗，得出結論：地球本身就是一個巨大的磁體，其兩極位于地理的南極和北極附近；第二卷詳細地論述了電現(xiàn)象的實驗研究與結論，還把電與磁的性質(zhì)進行了比較；第三卷記載了天然磁石的定向性；第四卷說明了磁偏角與不同地點和高度的關系；第五卷介紹了測定磁傾角的儀器及各地磁傾角的大??；第六卷試圖用物體的磁力來解釋行星運動，當然，他沒有成功。,磁石論共分六卷。,.,5,（二）萊頓瓶的發(fā)明,1720年，格雷(S.Gray，16751736)研究了電的傳導現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)導體與絕緣體的區(qū)別。隨后，他又發(fā)現(xiàn)導體的靜電感應現(xiàn)象。,1734年法國人杜菲（Charles-FrancoisduFay，16961739）在實驗中發(fā)現(xiàn)帶電的玻璃和帶電的琥珀是相互吸引的，但是兩塊帶電的琥珀或者兩塊帶電的玻璃則是相互排斥的。杜菲根據(jù)大量的實驗事實斷定電有兩種：一種是與琥珀帶的電性質(zhì)相同，叫做“琥珀電”；一種是與玻璃帶的電性質(zhì)相同，叫做“玻璃電”。,1745年普魯士（德國的前身）的一位副主教克萊斯特(EwaldGeorgvonKleist，1700-1748)在實驗中利用導線將摩擦所起的電引向裝有鐵釘?shù)牟Ａ?。當他用手觸及鐵釘時，受到猛烈的一擊，他由此發(fā)現(xiàn)了放電現(xiàn)象。,.,6,1746年，荷蘭萊頓大學的物理學教授馬森布羅克（PietervonMusschenbrock,16921761）在克萊斯特發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)下發(fā)明了收集電荷的“萊頓瓶”。,馬森布羅克看到好不容易取得的電很容易地在空氣中消失，所以想尋找一種保存電的方法。有一天，他用一支槍管懸在空中，用起電機與槍管連著，另用一根銅線從槍管中引出，浸入一個盛有水的玻璃瓶中，他讓一個助手一只手握著玻璃瓶，馬森布羅克在一旁使勁搖動起電機。這時他的助手不小心將另一只手碰到槍管上，他猛然感到一次強烈的電擊，喊了起來。馬森布羅克于是與助手互換了一下，讓助手搖起電機，他自己一手拿水瓶子，另一只手去碰槍管。,“我想告訴你一個新奇但是可怕的實驗事實，但我警告你無論如何也不要再重復這個實驗突然，我的手受到了一下力量很大的打擊，使我的全身都震動了手臂和身體產(chǎn)生了一種無法形容的恐怖感覺。一句話，我以為我命休矣！”,.,7,雖然馬森布羅克不愿再做這個實驗，但他由此得出結論：把帶電體放在玻璃瓶內(nèi)可以把電保存下來。只是當時搞不清楚起保存電作用的究竟是瓶子還是瓶子里的水，后來人們就把這個蓄電的瓶子稱作“萊頓瓶”，這個實驗稱為“萊頓瓶實驗”。這種“電震”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，轟動一時，極大的增加了人們對萊頓瓶的關注。,.,8,萊頓瓶的發(fā)明，使物理學家們第一次有辦法存儲大量電荷，并對其性質(zhì)進行研究。,.,9,法國人諾萊特在巴黎進行的萊頓瓶表演（法國國王路易十五及皇室成員臨場觀看）,.,10,（三）兩種電流質(zhì)假說的提出與爭論,1747年，富蘭克林提出了單元電液理論。認為帶電的兩物體是通過電液的遷移，其一具有比正常情況少一些的電液，另一個物體具有了比正常情況多一些的電液。相互接觸后，又恢復到都具有正常數(shù)量的電液，則兩個物體都不顯電性。他提出了正電和負電的概念，他認為缺少電液，就是帶負電，可以用“”號表示；帶超過正常情況的電液就帶正電，用“+”號表示。正、負電可互相抵消。正、負電的提出，為定量研究電現(xiàn)象提供了基礎，使人們第一次可以用數(shù)學來表示帶電現(xiàn)象，其重要性是顯而易見的。,為了解釋摩擦起電及電的吸引和排斥現(xiàn)象，法國人杜菲（Charles-FrancoisduFay，16961739）認為存在兩種流質(zhì)，可以通過摩擦的形式把它們分開，使兩個物體帶異種電荷而相互吸引，當它們結合時，又彼此中和。這個假設后來被稱為杜菲的“雙流說”。,.,11,富蘭克林的理論足以解釋當時人們已知的絕大部分靜電現(xiàn)象?，F(xiàn)在我們知道，所謂的電液是不存在的，比較容易遷移的是帶負電的載體電子，用電液遷移來解釋電現(xiàn)象并不科學。盡管這樣，正、負電的概念和電荷守恒的觀念是至今仍然有效的科學觀念，是富蘭克林對電學的一大貢獻。,.,12,（四）富蘭克林及其電荷守恒定律,富蘭克林還認為摩擦只能使電液從一個物體轉移到另一個物體上，即“電不是摩擦玻璃管而產(chǎn)生的，而只是從摩擦者轉移到了玻璃管，摩擦者失去的電與玻璃管獲得的電嚴格相同”。這就告訴人們，在任一絕緣體系中電的總量是不變的，這就是通常所說的電荷守恒原理。,富蘭克林所做的另一項重大貢獻是統(tǒng)一了天電和地電。當時的歐洲和美國的大多數(shù)人認為雷電是“上帝之火”，是天神發(fā)怒的結果。為破除這種迷信，富蘭克林通過親自進行大量的實驗，證明了雷電的電與摩擦電本質(zhì)上是一樣的。徹底破除了人們對雷電的恐懼、迷信心理。富蘭克林據(jù)此提出了制造避雷針的設想，使建筑物免遭雷擊。,.,13,費城實驗,在1752年7月的一個雷雨天富蘭克林做了著名的費城實驗：風箏上安上一根尖細的鐵絲，用來捕捉電，并用麻繩與這鐵絲相連，麻繩的末端拴一把銅鑰匙，鑰匙塞在萊頓瓶中間。,.,14,富蘭克林（BenjaminFranklin，17061790年）是18世紀美國的實業(yè)家、科學家、社會活動家、思想家和外交家，美國獨立宣言和美國憲法的起草人之一。,富蘭克林出身于相當貧寒的家庭，一生只念過兩年書。但他利用業(yè)余時間刻苦自學，廣泛地接受了多方面的知識，終于成為電學研究的先驅(qū)。他曾說過；你熱愛生命嗎？那么別浪費時間，因為時間是組成生命的材料。,.,15,（五）伽伐尼電流的發(fā)現(xiàn),1780年，意大利科學家伽伐尼（LuigiGalvani,17371798)在一次解剖青蛙時有一個偶然的發(fā)現(xiàn)，一只已解剖的青蛙放在一個潮濕的鐵案上，當解剖刀無意中觸及蛙腿上外露的神經(jīng)時，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重復了這個實驗，又觀察到同樣的現(xiàn)象。,他以嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，選擇各種不同的金屬，例如銅和鐵或銅和銀，接在一起，而把另兩端分別與死蛙的肌肉和神經(jīng)接觸，青蛙就會不停地屈伸抽動。如果用玻璃、橡膠、松香、干木頭等代替金屬，就不會發(fā)生這樣的現(xiàn)象。他認為這是一種生物電現(xiàn)象，并于1791年發(fā)表了題為關于電對肌肉運動的作用的論文。,.,16,1791年意大利物理學家亞歷山德羅伏打(AlessandroVolta，17451827)得知伽伐尼的這一發(fā)現(xiàn)，引起了他的極大興趣，作了一系列實驗，甚至還在自己身上做實驗。他用兩種金屬接成一根彎桿，一端放在嘴里，另一端和眼睛接觸，在接觸的瞬間就有光亮的感覺產(chǎn)生。他用舌頭舔著一枚金幣和一枚銀幣，然后用導線把硬幣連接起來，就在連接的瞬間，舌頭有發(fā)麻的感覺。這些實驗證明：電不僅能夠產(chǎn)生顫動，而且還會影響視覺和味覺神經(jīng)。,1793年伏打發(fā)表一篇論文，總結了自己的實驗，不同意伽伐尼關于動物生電的觀點。伏打在伽伐尼實險的基礎上，致力研究兩種不同金屬的接觸。他得出了新的結論，認為兩金屬不僅僅是導體，而且是由它們產(chǎn)生電流的。用伏打自己的話來說：金屬是真正的電流激發(fā)者，而神經(jīng)是被動的。伏打并把這種電流命名為“金屬的”或“接觸的”電流。他為了尊重伽伐尼的最先發(fā)現(xiàn)權，把這種電流稱為“伽伐尼電流”。,.,17,伏打發(fā)現(xiàn)當金屬浸入某些液體時，也會發(fā)生同樣的電流效應。伏打開始是用幾只碗盛了鹽水，把幾對黃銅和鋅做成的電極連接起來，就有電流產(chǎn)生。1800年3月20日，伏打宣布了一個重要的發(fā)現(xiàn)，這就是著名的“伏打電池”（左圖）。他用30塊、40塊、60塊或更多的銅片（最好是用銀片），每一片都和一塊錫片（最好是鋅片）接觸，并且用相同數(shù)目的水層或比純水更好些的導電液體層，好食鹽水或堿水等，或是浸透這些液體的紙殼或皮革。銀片和鋅片是兩種不同的金屬，鹽水或其他導電溶液作為電解液，它們構成了電流回路。這是一種比較原始的電池，是由很多銀鋅電池連接而成的電池組。,伏打（AlessandroVolta,17451827）意大利物理學家。1745年2月18日生于科莫。學生時代就會對自然科學有濃厚興趣。17741779年任科莫大學預科物理學教授。17791815年任帕多瓦大學哲學系主任。1819年退休后回到故鄉(xiāng)科莫。1827年3月5日在該地逝世。,（六）伏打電堆的發(fā)明,.,18,伏打證明這個堆的一端帶正電，另一端帶負電，當時引起極大的轟動。這是第一個能人為產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)電流的裝置，為電流現(xiàn)象的研究提供了物質(zhì)基礎，也為電流效應的應用打開了前景，并很快成為進行電磁學和化學研究的有力工具，促使電學研究有一個巨大的進展。伏打的成就受到各界普遍贊賞，科學界用他的姓氏命名電勢，電勢差（電壓）的單位，為“伏特”（就是伏打，音譯演變的），簡稱“伏”。,.,19,2電磁學的建立,從18世紀中期開始，對電磁現(xiàn)象的研究進入了定量階段。電荷間的相互作用規(guī)律被發(fā)現(xiàn)。1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應。19世紀20年代，安培發(fā)表了“電動力學的觀察匯編”和電動力學理論等集當時電理論研究之大成的著作。至此電磁學理論基本建立。,（一）卡文迪許及其平方反比定律,18世紀中葉，牛頓力學已經(jīng)取得輝煌勝利，人們借助于萬有引力的規(guī)律，對電力和磁力作了種種猜測。,德國柏林科學院院士愛皮努斯(F.U.T.Aepinus，17241802)1759年對電力作了研究。他在書中假設電荷之間的斥力和吸力隨帶電物體的距離的減少而增大，于是對靜電感應現(xiàn)象作出了更完善的解釋。不過，他并沒有實際測量電荷間的作用力，因而只是一種猜測。,.,20,1760年，D伯努利首先猜測電力會不會也跟萬有引力一樣，服從平方反比定律。,富蘭克林的空罐實驗（也叫冰桶實驗）對電力規(guī)律有重要啟示。1755年，他在給蘭寧(JohnLining)的信中，提到過這樣的實驗：,“我把一只品脫銀罐放在電支架（即絕緣支架）上，使它帶電，用絲線吊著一個直徑約為1英寸的木橢球，放進銀罐中，直到觸及罐的底部，但是，當取出時，卻沒有發(fā)現(xiàn)接觸使它帶電，象從外部接觸的那樣?！?.,21,富蘭克林的這封信不久跟其他有關天電和尖端放電等問題的信件，被人們整理公開發(fā)表流傳甚廣，很多人都知道這個空罐實驗，不過也和富蘭克林一樣，不知如何解釋這一實驗現(xiàn)象。富蘭克林有一位英國友人，名叫普利斯特利（JosephPriestley，17331804），是化學家，對電學也很有研究。富蘭克林寫信告訴他這個實驗并向他求教。普利斯特利專門重復了這個實驗，在1767年的電學歷史和現(xiàn)狀及其原始實驗一書中他寫道：,“難道我們就不可以從這個實驗得出結論：電的吸引與萬有引力服從同一定律，即距離的平方，因為很容易證明，假如地球是一個球殼，在殼內(nèi)的物體受到一邊的吸引作用，決不會大于另一邊的吸引?！?不過，普利斯特利的結論并沒有得到科學界的普遍重視，因為他并沒有特別明確地進行論證，仍然停留在猜測的階段，一直拖了18年，才由庫侖正式提出。,.,22,其實早在1773年，卡文迪許比庫侖早12年就發(fā)現(xiàn)了“庫侖定律”?？上麤]有發(fā)表他的研究結果。,他在1773年用兩個同心金屬殼作實驗，外球殼由兩個半球裝置而成，兩半球合起來正好形成內(nèi)球的同心球?？ㄎ牡鲜策@樣描述他的裝置：“我取一個直徑為12.1英寸的球，用一根實心的玻璃棒穿過中心當作軸，并覆蓋以封蠟。然后把這個球封在兩個中空的半球中間，半正極接到半球，使半球帶電?！?卡文迪什用一根導線將內(nèi)外球聯(lián)起來，外球殼帶電后，取走導線，打開外球殼，用驗電器試驗內(nèi)球是否帶電。結果發(fā)現(xiàn)驗電器沒有指示，證明內(nèi)球沒有帶電，電荷完全分布在外球上。,卡文迪什將這個實驗重復了多次，確定電力服從平方反比定律，指數(shù)偏差不超過0.02?？ㄎ牡鲜策@個實驗的設計相當巧妙。他用的是當年最原始的電測儀器，卻獲得了相當可靠而且精確的結果。他成功的關鍵在于掌握了牛頓萬有引力定律這一理論武器，通過數(shù)學處理，將直接測量變?yōu)殚g接測量，從而得到了電力的平方反比定律。,.,23,（二）庫侖定律的建立,庫侖（Charlse-AugustindeCoulomb17361806年）是法國工程師和物理學家。青少年時期，庫侖受過良好的教育。離開學校后，庫侖當過軍事工程隊的工程師，對材料的性質(zhì)、物體上應力和應變的計算十分在行。,1781年庫侖研究了摩擦定律，研究了絲線和金屬絲的扭轉，確立了彈性扭轉的定律。根據(jù)這些成果，1784年庫侖制成了測量力的儀器-扭秤。1785年，他借助扭秤在實驗上確立了靜電學基本定律即庫侖定律。同年，他在給法國科學院的電力定律的論文中詳細地介紹了他的實驗裝置，測試經(jīng)過和實驗結果。,.,24,庫侖扭秤,.,25,（三）奧斯特的發(fā)現(xiàn),奧斯特丹麥物理學家奧斯特(HansChristianOersted，17771851)1777年8月14日生于丹麥朗格蘭德島一個藥劑師家庭12歲開始幫助父親在藥房里干活，同時堅持學習化學由于刻苦攻讀，17歲以優(yōu)異的成績考取了哥本哈根大學的免費生他一邊當家庭教師，一邊在學校學習藥物學、天文、數(shù)學、物理、化學等1806年任哥本哈根大學物理學教授，1821年被選為英國皇家學會會員，1823年被選為法國科學院院士，后來任丹麥皇家科學協(xié)會會長,.,26,電和磁有沒有聯(lián)系？這是先人經(jīng)常思索的問題。17世紀初，吉爾伯特就斷言，它們之間沒有因果關系，庫侖也持同樣觀點。然而實際事例不斷吸引人們注意。例如：1731年有一名英國商人訴述，雷閃過后，他的一箱新刀叉竟帶上了磁性。1751年富蘭克林發(fā)現(xiàn)在萊頓瓶放電后，縫紉針磁化了。,電真的會產(chǎn)生磁嗎？這個疑問促使1774年德國一家研究機構懸獎征解，題目是：“電力和磁力是否存在實際和物理的相似性？”許多人紛紛作實驗進行研究，但是，在伏打發(fā)明電堆以前，這類實驗很難成功，因為沒有產(chǎn)生穩(wěn)恒電流的條件。不過，即使有了伏打電堆，也不一定能立即找到電和磁的聯(lián)系。,1819年冬，奧斯特在哥本哈根開設了一個講座，講授電磁學方面的課題。在備課中，奧斯特分析了前人在電流方向上尋找磁效應都未成功的事實，想到磁效應可能像電流通過導線產(chǎn)生熱和光那樣是向四周散射的，即是一種橫向力，而不是縱向的。,.,27,1820年春，奧斯特安排了一個這方面的實驗，他采用講演時常用的電池槽，讓電流通過一根很細的鉑絲，把一個帶玻璃罩的指南針放在鉑絲下面，實驗沒有取得明顯的效果1820年4月的一天晚上，奧斯特在講課中突然出現(xiàn)了一個想法，講課快結束時，他說：讓我把導線與磁針平行放置來試試看當他接通電源時，他發(fā)現(xiàn)小磁針微微動了一下這一現(xiàn)象使奧斯特又驚又喜，他緊緊抓住這一現(xiàn)象，連續(xù)進行了3個月的實驗研究，終于在1820年7月21日發(fā)表了題為關于磁針上的電流碰撞的實驗的論文。,奧斯特從實驗總結出：電流的作用僅存在于載流導線的周圍；沿著螺紋方向垂直于導線；電流對磁針的作用可以穿過各種不同的介質(zhì)；作用的強弱決定于介質(zhì)，也決定于導線到磁針的距離和電流的強弱；銅和其他一些材料做的針不受電流作用；通電的環(huán)形導體相當于一個磁針，具有兩個磁極，等等。,.,28,奧斯特,奧斯特實驗,.,29,奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流磁效應，是科學史上的重大發(fā)現(xiàn)它立即引起了那些懂得它的重要性和價值的人們的注意。在這一重大發(fā)現(xiàn)之后，一系列的新發(fā)現(xiàn)接連出現(xiàn)。,.,30,（四）安陪定律的建立,奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應的消息傳到德國和瑞士后，正在日內(nèi)瓦的法國科學家阿拉果（Arago）聞訊趕回巴黎，向法國科學院報告并演示了奧斯特的實驗，引起法國科學界的極大興趣。畢奧（J.B.Biot，17741862）和薩伐（FelixSavart，17911841）更仔細地研究了直線載流導線對磁針的作用，確定這個作用力正比于電流強度，反比于電流與磁極的距離，力的方向垂直于這一距離。,安培(Ampre，Andr-Marie，17751836)則從電流與電流之間的相互作用進行探討，他把磁性歸結為電流之間的相互作用，為了定量研究電流之間的相互作用，他設計了四個極其精巧的實驗，并在這些實驗的基礎上進行數(shù)學推導，得到普遍的電動力公式，為電動力學奠定了基礎。這四個實驗用的都是示零法，得到了精確可靠的結果。,.,31,安培(Ampre，Andr-Marie，17751836)是法國物理學家、數(shù)學家1775年1月22日生于里昂一個商人家庭父親為他安排了按照自己的意愿來學習的環(huán)境他自幼聰明好學，具有驚人的記憶力，尤其是在數(shù)學方面有非凡的天賦12歲學習了微積分，13歲發(fā)表關于螺旋線的論文18歲時，除了拉丁語，還通曉意大利語和希臘語1805年定居巴黎，擔任法蘭西學院的物理教授，1814年參加了法國科學會，1818年擔任巴黎大學總督學，1827年被選為英國皇家學會會員。他還是柏林科學院和斯德哥爾摩科學院院士。,.,32,第一個實驗證明電流反向，作用力也反向。安培用一無定向秤檢驗對折的通電導線有無磁力作用。所謂無定向秤，實際上是兩個方向相反的通電線圈，懸吊在水銀槽下。如果兩個線圈受力不均衡，就會發(fā)生偏轉。實驗結果是：當對折導線通電時，無定向秤絲毫不動，證明強度相等、方向相反的兩個靠得很近的電流對另一電流產(chǎn)生的吸力和斥力在絕對值上是相等的。,第二個實驗證明磁作用的方向性。安培仍用無定向秤，將對折導線中的一根繞成螺旋狀，結果也是沒有作用，說明彎曲的電流和直線的電流是等效的，因此可以把彎曲電流看成是許多小段電流（即電流元）組成，它的作用就是各小段電流的矢量和。,.,33,第三個實驗研究作用力的方向。安培把圓弧形導體架在水銀槽上，經(jīng)水銀槽通電。改變通電回路或用各種通電線圈對它作用，圓弧導體都不動，說明作用力一定垂直于載流導體。,第四個實驗檢驗作用力與電流及距離的關系。安培用三個相似的線圈，其半徑之比分別等于其距離之比。通電后，中間的線圈絲毫不動，說明第一個線圈和第三個線圈對第二個線圈的作用相互抵消。由此得出結論：載流導線的長度與作用距離增加相同倍數(shù)時，作用不變。,安培研究電流相互作用的儀器,.,34,在上述實驗的基礎上，安培于1820年12月4日推出了反映電流間的相互作用的公式，即兩個電流元之間的作用力跟它們之間距離的平方成反比，這就是著名的安培定律。,安培最初發(fā)表的公式如下：,安培定律目前的表達式為：,.,35,安培還進一步探索了磁的本質(zhì)，于1821年1月提出了分子電流假說，認為每個分子形成的圓形電流就相當于一根小磁針。安培把磁和電流聯(lián)系起來，從本質(zhì)上認識了磁和電的統(tǒng)一。,1827年，安培在其發(fā)表的電動力學理論總結了已知的電磁現(xiàn)象，得到了磁場的安培環(huán)路定理等。安培把牛頓力學引入電學，創(chuàng)立了電動力學，被麥克斯韋譽為“電學中的牛頓”。,安培定律的公式從形式上看，與牛頓的萬有引力定律非常相似。安培正是遵循牛頓的路線，仿照力學的理論體系，創(chuàng)建了電動力學。他認定電流元之間的相互作用力是電磁現(xiàn)象的核心，電流元相當于力學中的質(zhì)點，它們之間存在超距作用，就象萬有引力一樣。,.,36,（五）歐姆定律的建立,歐姆研究電路的實驗裝置,歐姆(GeorgSimonOhm，17891845)1789年3月16日出生在南德意志巴伐利亞的愛爾朗根。他在1805年考入愛爾朗根大學，但他只讀了三個學期就被父親送到了瑞士農(nóng)村。歐姆的父親認為農(nóng)村的清新空氣和純樸的社會關系，將會更有利于歐姆潛心學習。在這以后的歲月里，歐姆一邊自學，一邊擔任中學教師和家庭教師。1811年，歐姆再度進入愛爾朗根大學，并于同年月10月獲得了博士學位。,在安培專注于電流磁效應的研究時，德國的歐姆就開始了對導線中電流規(guī)律的研究工作。,.,37,他從傅立葉發(fā)現(xiàn)的熱傳導規(guī)律受到啟發(fā)，導熱桿中兩點間的熱流正比于這兩點間的溫度差。因而歐姆認為，電流現(xiàn)象與此相似，猜想導線中兩點之間的電流也許正比于它們之間的某種驅(qū)動力，即現(xiàn)在所稱的電動勢。,開始他用伏打電堆作電源，但是因為電流不穩(wěn)定，效果不好。后來他接受別人的建議改用溫差電池作電源，從而保證了電流的穩(wěn)定性。但是如何測量電流的大小，這在當時還是一個沒有解決的難題。他把奧斯特關于電流磁效應的發(fā)現(xiàn)和庫侖扭秤結合起來，巧妙地設計了一個電流扭秤。實驗中他用粗細相同、長度不同的八根銅導線進行了測量，得出了如下的等式：,Xa(bx)式中X為磁效應強度，即電流的大?。籥是與激發(fā)力(即溫度差)有關的常數(shù)，即電動勢；x表示導線的長度，b是與電路其余部分的電阻有關的常數(shù)，bx實際上表示電路的總電阻。這個結果于1826年發(fā)表。,.,38,1827年歐姆又在動電電路的數(shù)學研究一書中，把他的實驗規(guī)律總結成如下公式：E式中S表示電流；E表示電動力，即導線兩端的電勢差，為導線對電流的傳導率，其倒數(shù)即為電阻。,歐姆定律發(fā)現(xiàn)初期，許多物理學家不能正確理解和評價這一發(fā)現(xiàn)，并遭到懷疑和尖銳的批評。研究成果被忽視，經(jīng)濟極其困難，使歐姆精神抑郁。直到1841年英國皇家學會授予他最高榮譽的科普利獎章，才引起德國科學界的重視。,歐姆在自己的許多著作里還證明了：電阻與導體的長度成正比，與導體的橫截面積和傳導性成反比；在穩(wěn)定電流的情況下，電荷不僅在導體的表面上，而且在導體的整個截面上運動。,.,39,三.電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與研究,電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是電磁學發(fā)展史中又一重大的里程碑。對電磁感應現(xiàn)象的研究使人們對電與磁的關系有了更深刻的認識，使電磁學理論更趨于完善。,（一）法拉第電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應之后，英國物理學家法拉第于1821年提出“由磁產(chǎn)生電的大膽設想，并開始了艱苦的探索。1821年9月他發(fā)現(xiàn)通電的導線能繞磁鐵旋轉以及磁體繞載流導體的運動，第一次實現(xiàn)了電磁運動向機械運動的轉換，從而建立了電動機的實驗室模型。接著經(jīng)過無數(shù)次實驗的失敗，終于在1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應定律。這一劃時代的偉大發(fā)現(xiàn)，使人類掌握了電磁運動相互轉變以及機械能和電能相互轉變的方法，成為現(xiàn)代發(fā)電機、電動機、變壓器技術的基礎。,.,40,法拉第(MichaelFaraday1791-1867)是英國物理學家、化學家，也是著名的自學成才的科學家。1791年9月22日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。由于他愛好科學研究，專心致志，受到英國化學家戴維的賞識，1813年3月由戴維舉薦到皇家研究所任實驗室助手。,任實驗室助手是法拉第一生的轉折點，從此他踏上了獻身科學研究的道路。同年10月戴維到歐洲大陸作科學考察，講學，法拉第作為他的秘書、助手隨同前往。1815年5月回到皇家研究所在戴維指導下進行化學研究。1824年1月當選皇家學會會員，1825年2月任皇家研究所實驗室主任，1833-1862任皇家研究所化學教授。1846年榮獲倫福德獎章和皇家勛章。1867年8月25日逝世。,.,41,法拉第對各項試驗作了總結，向英國皇家學會報告說：產(chǎn)生感應電流的情況可以分為五類：1變化中的電流；2變化中的磁場；3運動的穩(wěn)恒電流；4運動中的磁鐵；5在磁場中運動的導體。,法拉第對電磁學的貢獻不僅是發(fā)現(xiàn)了電磁感應，他還發(fā)現(xiàn)了光磁效應（也叫法拉第效應）、電解定律和物質(zhì)的抗磁性。他在大量實驗的基礎上創(chuàng)建了力線思想和場的概念，為麥克斯韋電磁場理論奠定了基礎。,.,42,(二)亨利及自感現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),1829年，美國物理學家亨利改進電磁鐵，他用絕緣導線密繞在鐵芯上，制成了能提起近一噸重物的強電磁鐵。同年，亨利在用實驗證明不同長度的導線對電磁鐵的提舉力的影響時，發(fā)現(xiàn)了電流的自感現(xiàn)象：斷開通有電流的長導線可以產(chǎn)生明亮的火花。1832年，他在發(fā)表的論文中宣布發(fā)現(xiàn)了自感現(xiàn)象。1835年1月，亨利向美國哲學會介紹了他的研究結果，他用14個實驗定性地確定了各種形狀導體的電感的相對大小。他還發(fā)現(xiàn)了變壓器工作的基本定律。,亨利（JosephHenry，1797.12.171878.5.13）1797年12月17日生于美國紐約州奧爾貝尼市。1822年畢業(yè)于奧爾貝尼學院，1826年被聘為奧爾貝尼學院物理學教授。1867年任美國科學院第一任院長。1878年5月13日亨利在華盛頓去世。,.,43,1830年8月，亨利在實驗中已經(jīng)觀察到了電磁感應現(xiàn)象，這比法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象早一年。但是當時亨利正在集中精力制作更大的電磁鐵，沒有及時發(fā)表這一實驗成果，失去了發(fā)明權。,.,44,法拉第只是定性地用文字表述了電磁感應現(xiàn)象。1833年楞茨（Lenz）進一步發(fā)現(xiàn)楞茨定律，說明感應電流的方向。1845年才由紐曼（F.E.Neumann，17981895）以定律的形式提出電磁感應的定量規(guī)律。,楞次（HeinrichFriedrichEmilLenz）是俄國物理學家和地球物理學家，生于愛沙尼亞的多爾帕特（今愛沙尼亞共和國的塔爾圖），16歲以優(yōu)異成績考入家鄉(xiāng)的多爾帕特大學。早年曾參加地球物理觀測活動，發(fā)現(xiàn)并正確解釋了大西洋、太平洋、印度洋海水含鹽量不同的現(xiàn)象。1828年被挑選為俄國圣彼得堡科學院的初級科學助理，1830年被選為圣彼得堡科學院通訊院士，1834年選為院士。1845年倡導組織了俄國地球物理學會。1836年至1865年任圣彼得堡大學教授，兼任海軍和師范等院校物理學教授。1865年寒假，楞次在意大利羅馬中風去世。,（三）楞次定律的發(fā)現(xiàn),.,45,楞次主要從事電學的研究。1832年當他知道了法拉第研究“磁生電”取得了成功，很受鼓舞，也開始進行一系列電磁實驗。1833年楞次把他的工作總結在論動電感應引起的電流的方向一文中，指出感應電流的方向是這樣確定的：它所產(chǎn)生的磁場方向與引起感應的原磁場的變化方向相反。這對充實、完善電磁感應規(guī)律是一大貢獻。后被稱為楞次定律，這一定律表明，電磁感應現(xiàn)象也是尊從能量守恒定律的。,.,46,（四）法拉第的“力線”思想,法拉第從廣泛的實驗研究中構想出描繪電磁作用的“力線”圖象。他認為電荷和磁極周圍的空間充滿了力線，靠力線（包括電力線和磁力線）將電荷（或磁極）聯(lián)系在一起。力線就象是從電荷（或磁極）發(fā)出、又落到電荷（或磁極）的一根根皮筋一樣，具有在長度方向力圖收縮，在側向力圖擴張的趨勢。他以豐富的想象力闡述電磁作用的本質(zhì)。,1851年他在論文論磁力線中指出：“無論導線事垂直還是傾斜地切過磁力線，也無論它是沿著某一方向或沿著另一方向，這根導線都能把它所切割過的力線中的力匯集在一起”，因此“形成電流的力應該正比于切割磁力線的數(shù)量”。,.,47,法拉第是電磁場理論的奠基人，他首先提出了磁力線、電力線的概念，在電磁感應、電化學、靜電感應的研究中進一步深化和發(fā)展了力線思想，并第一次提出場的思想，建立了電場法、磁場的概念，否定了超距作用觀點。愛因斯坦曾指出，場的思想是法拉第最富有創(chuàng)造性的思想，是自牛頓以來最重要的發(fā)現(xiàn)。麥克斯韋正是繼承和發(fā)展了法拉第的場的思想，為之找到了完美的數(shù)學表示形式從而建立了電磁場理論。,法拉第研究了電介質(zhì)對電力作用的影響，認識到這一影響表明電力不可能是超距作用，而是通過電介質(zhì)狀態(tài)的變化；即使沒有電介質(zhì)，空間也會產(chǎn)生某種變化，布滿了力線。后來，法拉第又進一步研究了磁介質(zhì)，解釋了順磁性和反磁性。電磁感應現(xiàn)象則解釋為磁鐵周圍存在某種“電應力狀態(tài)”（electrotonicstate），當導線在其附近運動時，受到應力作用而有電荷作定向運動；回路中產(chǎn)生電動勢則是由于穿過回路的磁力線數(shù)目發(fā)生了變化。,.,48,（五）法拉第及其電學實驗研究,法拉第一生作出了很多的科學貢獻，發(fā)表了大量實驗方面的論文，后來這些論文匯集在三卷本的名為電學實驗研究的巨著中。這部由三千多節(jié)組成的巨著真實而詳細地記錄了他一生中成功的和失敗的16041個實驗，凝聚了他的實驗研究成果和對物理學的深刻見解，對以后的幾代物理學家甚至對現(xiàn)代物理學家都有深刻的教益。,1867年，就在法拉第逝世的那一年，一位名叫愛迪生(T.A.Edison,1847-1931)的美國青年在波士頓街頭的一個舊書攤上買到幾本殘缺不全的法拉第著作，其中就有電學實驗研究。愛迪生后來說：“這一筆小錢花得很值，是自己一生中收益最大的投資?！狈ɡ陔妼W實驗研究對愛迪生一生的發(fā)明創(chuàng)造富有啟迪。,.,49,麥克斯韋(JamesClerkMaxwell，18311879)，英國物理學家，經(jīng)典電磁理論的奠基人1831年8月31日出生于愛丁堡。自幼聰穎，15歲就在愛丁堡皇家學會會刊上發(fā)表了一篇關于二次曲線作圖問題的論文，已顯露出出眾的才華。,1847年進入愛丁堡大學學習數(shù)學和物理。1850年轉入劍橋大學三一學院數(shù)學系學習，1854年以第二名的成績獲史密斯獎學金，畢業(yè)留校任職兩年。1856年在蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳任自然哲學教授。1860年到倫敦國王學院任自然哲學和天文學教授。1861年選為倫敦皇家學會會員。1865年春辭去教職回到家鄉(xiāng)系統(tǒng)地總結他的關于電磁學的研究成果，完成了電磁場理論的經(jīng)典巨著論電和磁并于1873年出版，1871年受聘為劍橋大學新設立的卡文迪什實驗物理學教授，負責籌建著名的卡文迪什實驗室，1874年建成后擔任這個實驗室的第一任主任。1879年11月5日麥克斯韋因患癌癥在劍橋逝世，終年僅48歲。,四電磁場理論的建立,（一）麥克斯韋生平,.,50,Maxwell全面總結了電磁學研究的成果,并在此基礎上提出了“渦旋電場”和“位移電流”假說，建立了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)象的內(nèi)在聯(lián)系及統(tǒng)一性，完成了物理學的又一次大綜合。他在創(chuàng)建電磁場理論的奮斗中作了三次飛躍，前后歷程達十余年。,1856年，麥克斯韋發(fā)表了第一篇關于電磁理論的論文，題為：論法拉第力線。在這篇論文中，他發(fā)展了W.湯姆生的類比方法，用不可壓縮的流體的流線類比于法拉第的力線，把流線的數(shù)學表達式用到靜電理論中。流線不會中斷，力線也不會中斷，只能發(fā)源于電荷或磁極，或者形成閉合曲線。麥克斯韋通過類比，明確了兩類不同的概念，一類相當于流體中的力，E和H就是；另一類相當于流體的流量，D和B屬于這一類。麥克斯韋進一步討論了這兩類量的性質(zhì)。流量遵從連續(xù)性方程，可以沿曲面積分，而力則應沿線段積分。,（二）麥克斯韋電磁場理論,.,51,隔了5年以后，麥克斯韋又回過來研究電磁理論，寫了第二篇論文，題為論物理力線。內(nèi)容分四個部分，分別載于1861年和1862年的哲學雜志上。他的“目的是研究介質(zhì)中的應力和運動的某些狀態(tài)的力學效果，并將它們與觀察到的電磁現(xiàn)象加以比較，從而為了解力線的實質(zhì)作準備?！?1865年麥克斯韋發(fā)表了關于電磁場理論的第三篇論文：電磁場的動力學理論，全面地論述了電磁場理論。在這篇論文中，麥克斯韋提出了電磁場的普遍方程組，共20個方程，包括20個變量。,這20個變量是：電磁動量F、G、H；磁力（即磁場強度）、；電動熱P、Q、R；傳導電流p、q、r；電位移f、g、h；全電流（包括位移的變化）p、q、r；自由電荷電量e；以及電位。20個方程是：電位移方程、磁場力方程、電流方程、電動勢方程、電彈性方程、電阻方程、自由電荷方程、連續(xù)性方程。實際相當于8個方程，其中6個是矢量方程。,.,52,.,53,直到1890年，赫茲才給出簡化的對稱形式，整個方程組只包括四個矢量方程，一直