经典电磁场理论的建立

经典电磁场理论的建立经典电磁场理论的建立 1 1、电磁场理论的建立、电磁场理论的建立 1755 年，普里斯特列（ Priestley J，17331804）通过类比，猜测到电荷间的电力也与物质间的引力一 样，服从平方反比定律。10 年后，库仑与卡文迪许不约而同地通过扭秤实验总结出电相互作用和磁相互作 用的平方反比定律。库仑定律与万有引力定律的惊人相似。促使人们将引力领域的超距作用思想移接到电 磁领域中。由此开始，超距作用的思想和方法便在电磁领域中迅速扩展，并取得了一系列丰硕成果。其中 又以法国的安培所取得的成就最为世人瞩目。安培实际上是想仿照力学的理论结构来建立电磁理论的。因 此，他认为最核心的概念应该是与质点相对应的作为实体的电流元以及它们之间能超距作用的有心力。他 把自己的理论取名为“电动力学” 。安培的电动力学，作为将当时所知道的一切电磁现象用超距有心力的 作用来说明的理论，的确十分出色。但是，运用建立在超距有心力基础上的安培理论来解释i831 年法拉第 发现的电磁感应现象时，却显得力不从心。 1845 年，德国的纽曼（Neumann F E，1798～1895）发展了安培的电动力学思想，并成功地解释了电 磁感应定律。纽曼考虑了两个载流线圈的情况，他把其中一个叫施感线圈，另一个叫被感线圈。当施感电 流线圈运动时，两个线圈的相互作用将发生变化，他假设被感电流线圈中的感应电动势与两线圈相互作用 能的变化率成正比，并根据楞次定律而加上一个负号，于是  A dl  tt 式中 dl 是被感电流的线元，积分沿被感电流回路1 进行，而矢量 A A 定义为  dl A  i r 式中 A 是一个电流的位置函数，纽曼称之为电动力学势。 一年后，德国电动力学的另一位创始人韦伯在 安培定律的基础上提出了所谓的韦伯电作用定律 e e F 1 2 2 r  1 1 2   c 2 2rd2r dr     22  c dt  dr  式中 el、e2表示电量。c 表示光速。它将库仑的静电力、安培的电动力和法拉第的电磁感应力统一在一个 公式中，1847 年亥姆霍兹创立了能量守恒与转化定律， 在电磁学领域深刻阐述了能量原理。韦伯和纽曼的 理论提供了当时欧洲大陆上关于电磁理论所做的几乎全部工作的出发点。正当精通数学的大陆派物理学家 们遵循超距作用思想满怀信心地向电磁学理论高峰攀登的时候，海峡对岸的一位只有初等数学知识但富有 哲学头脑的物理学家却悄无声息地开辟了电磁学研究的新方向。他就是法拉第。 2 2、法拉第关于场的思想、法拉第关于场的思想 法拉第是伟大的物理学家，生于 1791 年 9 月 22 日，他的父亲是一个铁匠。由于家境贫寒，他12 岁 就去伦敦谋生，当了一年报童，后又到一家书店当装订工。由于一个偶然的机会，法拉第成了英国大化学 家戴维的助手，并在化学领域取得了一系列成果，1820 年以后，法拉第从化学领域转到物理学方面。 提出场的观点是法拉第对于物理学发展作出的最伟大贡献之一。从法拉第开始到现在，对场的本质认 识基本上有三种看法一种是力场，如磁力场，电力场和重力场等；另一种是实体场，如认为场是物质的 一种表现形式；再一种就是实在场，即场为实在或万物之本源，如认为物质是场的凝聚或密度大的地方。 法拉第对场的认识过程经历了前两个阶段。 法拉第关于力场的概念是在他用在空间中传递和分布的磁力线观点解释电磁感应现象的过程中形成 的。法拉第通过一系列实验后认识到，电力和磁力可以脱离发射它的物体而独立地存在于空间，并有传递 的时间和过程。法拉第于 1832 年 3 月 12 日交给英国皇家学会存档的密封信清楚地表明了这一点（该信 于 1938 年才启封公开） 1 “前不久在皇家学会上宣读了题为 对电作的实验工作 的两篇论文，文中所介绍．的一些研究成果， 以及由于其他观点与实验而产生的一些问题，使我得出结论磁作用的传播需要时间，即当一个磁铁作用 于另一个远处的磁铁或者一块铁时， 产生作用的原因是逐渐地从磁体传播开去的； 这种传播需要一定时间， 而这个时间显然是非常短的。我还认为，电感应也是这样传播的。我认为磁力从磁极出发的传播类似于水 面上波纹的振动或者空气粒子的声振动„„” 实体场概念意味着场是一种实体。法拉第实体场概念的形成 还与他从传统原子论的相信者转变为波 斯考维奇原子论的推崇者透切相关。按照波斯考维奇的原子论，原子是不可分和不可变的最小单元，与以 道尔顿为代表的传统原子论不同的是，他认为原子有质量，但无大小和形状。从波斯考维奇原子论出发， 法拉第意识到原子具有非原子性（粒子性） 。并进而认为波斯考维奇的原子仅仅是“力或动力的中心，而 不是物质的粒子，力就留在力心上” 。他假定，原子之间是由力气（atmosphere of force）构成的空间，如 果这个空间“必定是导体” ，就可解释不相接触的粒子构成的物体具有导电性和导磁性的原因。不由力气 构成的空间则是绝缘的，它可以解释绝缘现象。 法拉第的实体场概念是沿着这样的研究顺序提出来的磁力线电化学光的偏振性导磁性 和导电性批判传统的原子概念转而相信波斯考维奇的力心原子磁场场。离子的发现在他对传 统原子论的信仰上投下阴影，光的偏振性实验促使他发现顺磁性和抗磁性及研究材料的导电性，并试图以 力心和力取代原子进行解释。但是，磁力线是循环的，并以磁铁为居留所，空间导电无法解释绝缘现象， 空间不导电又难以说明导电现象。这就使他寻求一种更合理的解释，因而迫使他以力心取代原子，构成力 心与力线结合并分布于空间的想法，并进而把力实体化。法拉第相信无数的力和力心结合体既可密集成有 形体和质量的实体，又可形成分布于空间的实体。这就是实体场。这样，法拉第便建立起一种不同于超距 作用理论的电磁近距作用定性理论。由于企图用力学的图像来解释电磁现象，使得法拉第的“场”观念中 包含了许多机械唯物论的观点。但是，他所提出的崭新的场的概念为电磁场理论的建立奠定了坚实的基础 却是不可否认的。 法拉第关于力线场的概念对于电磁学的发展以及整个物理学的发展都是很有影响的。 几十年后， J． J． 汤 姆逊评论说 “在法拉第的许多伟大的贡献之中，最伟大的一个就是力线概念了，我想电场和磁场的许多 性质借助它就可以最简明而富有启发性地表示出来。 ”爱因斯坦也曾给法拉第的工作以高度评价，认为法 拉第在电学中的地位，相当于伽利略在力学中的地位。爱因斯坦尤其称赞了法拉第所建立的“场”的新概 念 ‘ “这样就奠定了同牛顿的物理学原则上不同的物理学的基础，同时在逻辑的一贯性上明显地超过牛顿 的物理学。因此相对论不过是场论的下一个发展阶段。 ”著名科学史家丹聂尔（Dantell J）也指出 “法拉 第奠定了实用电学的三大部门，即电化学、电磁感应与电磁波的基础。而且他坚持主张电磁场具有极大的 重要性，这也是现代物理学理论有关电的方面的历史起点。 ” 3 3、电磁理论之集大成麦克斯韦、电磁理论之集大成麦克斯韦 法拉第的创造性工作奠定了电磁学的物理概念基础，但是由于法拉第不懂数学，不能用精确的数学语 言表述他