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第三章电磁学本讲稿第一页，共四十六页第一节第一节电磁学发展历程简述电磁学发展历程简述第三章第三章电磁学电磁学第二节第二节电磁感应与电磁波电磁感应与电磁波一、电磁感应现象的发现一、电磁感应现象的发现三、法拉第的科学思想方法三、法拉第的科学思想方法二、电磁感应定律开辟了电气时代的新纪元二、电磁感应定律开辟了电气时代的新纪元本讲稿第二页，共四十六页第三章第三章近代科学的重要基础近代科学的重要基础电磁学电磁学 第一节第一节电磁学发展历程简述电磁学发展历程简述一、静电学与静磁学一、静电学与静磁学1、早期的静电学研究、早期的静电学研究泰勒斯泰勒斯早在公元前早在公元前5 5世纪的希腊时代，就有了关世纪的希腊时代，就有了关于静电现象的历史记载。古希腊人已经于静电现象的历史记载。古希腊人已经发现用毛皮磨擦过的琥珀能吸引一些像发现用毛皮磨擦过的琥珀能吸引一些像绒毛、麦杆等一些轻小的东西，他们把绒毛、麦杆等一些轻小的东西，他们把这种现象称作这种现象称作“电电”。ElectricityElectricity（电）这个字的起源就来电）这个字的起源就来自希腊文的自希腊文的“琥珀琥珀”中国古代的玳瑁能够吸引微小的物体。西晋时中国古代的玳瑁能够吸引微小的物体。西晋时期，博物志中也有摩擦起电的记载。玳瑁期，博物志中也有摩擦起电的记载。玳瑁的背甲可以用来制作精美的装饰品，汉代的著的背甲可以用来制作精美的装饰品，汉代的著名诗篇孔雀东南飞中就有名诗篇孔雀东南飞中就有“足下蹑丝履，足下蹑丝履，头上玳瑁光头上玳瑁光”的诗句。的诗句。本讲稿第三页，共四十六页英国物理学家、医生吉尔伯特英国物理学家、医生吉尔伯特做了多年的实验，做了多年的实验，发现可以经过摩发现可以经过摩擦而带电的物体擦而带电的物体不限于琥珀，硫磺、玻不限于琥珀，硫磺、玻璃、火漆璃、火漆等物都有这个性质，而且他等物都有这个性质，而且他还还发现了发现了“电力电力”，“电吸引电吸引”等许多等许多现象，并最先使用了现象，并最先使用了“电力电力”、“电吸引电吸引”等专用术语，因此许多人称他是等专用术语，因此许多人称他是电学电学研究之父研究之父。吉尔伯特对摩擦带电现象提吉尔伯特对摩擦带电现象提出解释，认为这是由于摩擦时将物体中的出解释，认为这是由于摩擦时将物体中的种流体擦掉，而只剩下大气包围着带电种流体擦掉，而只剩下大气包围着带电体了。体了。吉尔伯特吉尔伯特本讲稿第四页，共四十六页 1650年年德德国国科科学学家家居居里里凯凯制制成成了了摩摩擦擦起起电电机机。一一个个在在支支架架上上可可以以旋旋转的大硫磺球，用人手在球上摩擦就使硫磺球带电。转的大硫磺球，用人手在球上摩擦就使硫磺球带电。1705年年德德国国工工程程师师兼兼物物理理学学家家豪豪克克斯斯比比用用空空心心玻玻璃璃壳壳代代替替琉琉璃璃球球，并并且且对对原原有有起起电电机机做做了了很很多多改改动动，发发明明了了较较轻轻便便的的手手摇摇起起电电机机。直直到到1818世纪末，摩擦起电机都一直是研究电现象的基本工具。世纪末，摩擦起电机都一直是研究电现象的基本工具。1734年年法法国国王王家家花花园园的的管管家家杜杜菲菲在在实实验验中中发发现现带带电电的的玻玻璃璃和和带带电电的的琥琥珀珀是是相相互互吸吸引引的的，但但是是两两块块带带电电的的琥琥珀珀或或者者两两块块带带电电的的玻玻璃璃则则是是相相互互排排斥斥的的。即即“同同性性相相斥斥、异异性性相相吸吸”。杜杜菲菲根根据据大大量量的的实实验验事事实实断断定定电电有有两两种种：一一种种是是与与琥琥珀珀带带的的电电性性质质相相同同，叫叫做做“琥琥珀珀电电”；一一种种是是与与玻玻璃璃带带的的电性质相同，叫做电性质相同，叫做“玻璃电玻璃电”。杜杜菲菲本讲稿第五页，共四十六页1745年普鲁士（德国的前身）的一位副主教年普鲁士（德国的前身）的一位副主教克莱斯特克莱斯特在实验中利用导在实验中利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时，受线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时，受到猛烈的一击，他由此发现了放电现象。到猛烈的一击，他由此发现了放电现象。同同年年荷荷兰兰莱莱顿顿大大学学的的物物理理学学教教授授马马森森布布罗罗克克在在克克莱莱斯斯特特发发现现的的启启发发下下发发明明了了收收集集电电荷荷的的“莱顿瓶莱顿瓶”。因因为为马马森森布布罗罗克克是是莱莱顿顿大大学学的的教教师师，所所以以这这个个最最早早的的电电容器叫做莱顿瓶。容器叫做莱顿瓶。马森布罗克马森布罗克 本讲稿第六页，共四十六页马森布罗克看到好不容易起得的电却很马森布罗克看到好不容易起得的电却很容易地在空气中逐渐消失，为了寻找一容易地在空气中逐渐消失，为了寻找一种保存电的方法种保存电的方法，马森布罗克于，马森布罗克于1746年做了如下的实验：他将一枪管悬挂在年做了如下的实验：他将一枪管悬挂在空中，用起电机与枪管相连，另用一根空中，用起电机与枪管相连，另用一根铜线铜线一端与枪管相连，另一端浸入盛有一端与枪管相连，另一端浸入盛有水的玻璃瓶中，当他的助手一只手握着水的玻璃瓶中，当他的助手一只手握着玻璃瓶，另一只手不小心触到枪管上，玻璃瓶，另一只手不小心触到枪管上，助手因猛然感到一次强烈的电击而喊了助手因猛然感到一次强烈的电击而喊了起来，马森布罗克替下助手亲自体验了起来，马森布罗克替下助手亲自体验了给他带来极大恐怖感觉的实验。这使人给他带来极大恐怖感觉的实验。这使人们认识到：人体作导体参与放电过程的们认识到：人体作导体参与放电过程的瞬间，电会使人感到一种可怕的突然震瞬间，电会使人感到一种可怕的突然震动和打击，这就是常说的动和打击，这就是常说的电击电击(或叫电震或叫电震)。马森布罗克还由此。马森布罗克还由此认识到，盛水的玻璃瓶认识到，盛水的玻璃瓶通电后，可以将电保存起来，这就是通电后，可以将电保存起来，这就是“莱顿瓶莱顿瓶”。“莱顿瓶莱顿瓶”的发明的发明本讲稿第七页，共四十六页18世纪中叶，在大洋彼岸的美国科世纪中叶，在大洋彼岸的美国科学家本杰明学家本杰明.富兰克林富兰克林又做了多次实又做了多次实验，进一步揭示了电的性质，并提验，进一步揭示了电的性质，并提出了电流这一术语。他认为电是一出了电流这一术语。他认为电是一种没有重量的流体，存在于所有的种没有重量的流体，存在于所有的物体之中。如果一个物体得到了比物体之中。如果一个物体得到了比它正常的份量更多的电，它就被称它正常的份量更多的电，它就被称之为带正电（或之为带正电（或“阳电阳电”）；如果）；如果一个物体少于它正常份量的电，它一个物体少于它正常份量的电，它就被称之为带负电（或就被称之为带负电（或“阴电阴电”）。）。所谓放电就是正电流向负电的过程。所谓放电就是正电流向负电的过程。富兰克林的这一说法，在当时确实富兰克林的这一说法，在当时确实能够比较圆满地解释一些电的现象。能够比较圆满地解释一些电的现象。富兰克林富兰克林本讲稿第八页，共四十六页 富兰克林的贡献富兰克林的贡献提出存在正电和负电及电荷守提出存在正电和负电及电荷守恒定律。恒定律。“电不是摩擦玻璃管而电不是摩擦玻璃管而产生的，而只是从摩擦者转移到产生的，而只是从摩擦者转移到了玻璃管，摩擦者失去的电与玻了玻璃管，摩擦者失去的电与玻璃管获得的电严格相同璃管获得的电严格相同”。这这就是说：在任一绝缘体系中电的就是说：在任一绝缘体系中电的总量是不变的，即电荷守恒原理。总量是不变的，即电荷守恒原理。统一了天电和地电统一了天电和地电富兰克林的最著名的实验富兰克林的最著名的实验是风筝实验。早在是风筝实验。早在1749年他就注意到雷闪与放电有许多相同年他就注意到雷闪与放电有许多相同之处。之处。1752年他通过在雷雨天气将风筝放入云层，来进行雷年他通过在雷雨天气将风筝放入云层，来进行雷击实验，证明了雷闪就是放电现象，从而实现了天电与地电击实验，证明了雷闪就是放电现象，从而实现了天电与地电的统一。的统一。本讲稿第九页，共四十六页静电作用的平方反比定律静电作用的平方反比定律 18 18世纪后期，静电学三条基本原理：静电力基本特性、电荷守恒和静世纪后期，静电学三条基本原理：静电力基本特性、电荷守恒和静电感应原理都已经建立，对电的认识有了初步的成果。然而，如果不建立电感应原理都已经建立，对电的认识有了初步的成果。然而，如果不建立定量的规律，电的知识还不能形成一门严密的科学。由此，科学期待着能定量的规律，电的知识还不能形成一门严密的科学。由此，科学期待着能够进行定量分析的规律出现。够进行定量分析的规律出现。两两个个电电荷荷之之间间的的作作用用力力正正比比于于电电荷荷的的乘乘积积而而反反比比于于它它们们之之间间距距离离的的平平方方。这这就就是是现现在在人人们们熟熟知知的的库库仑仑定定律律，又又称称为为平平方方反反比比定定律律。定定律律的的形形式式十十分分简简单单，但但是是整整个个静静电电理理论论就就建建立立在在这这个个定定律律的的基基础础上上。这这个个定定律律的的发发现现，和和许许多多科科学学原原理理一一样样，很很难难归归功功于于某某一一个个人人，而而且且还还被被重重复复地地发发现现了四次。了四次。从万有引力得到的启示从万有引力得到的启示 德国柏林科学院院士德国柏林科学院院士爱皮努斯爱皮努斯于于17591759年对电力作了假设，设想电年对电力作了假设，设想电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减少而增大，于是对静电感荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减少而增大，于是对静电感应现象做出了更完善的解释。不过，他并没有实际测量电荷间的作用应现象做出了更完善的解释。不过，他并没有实际测量电荷间的作用力，因而只是一种猜测。力，因而只是一种猜测。17601760年，瑞士物理学家、数学家年，瑞士物理学家、数学家伯努利伯努利首先猜首先猜测电测电力会不会也跟万有力会不会也跟万有引力一引力一样样，服从平方反比定律。，服从平方反比定律。本讲稿第十页，共四十六页17661766年年富兰克林富兰克林写信告诉了英国友人写信告诉了英国友人普利斯特利普利斯特利他发现的空罐实验他发现的空罐实验（用丝线将一小块软木悬挂在带电金属罐外的附近，软木受到吸引。但把（用丝线将一小块软木悬挂在带电金属罐外的附近，软木受到吸引。但把它悬挂在罐内时，不论在罐内何处，它都不受电力）。它悬挂在罐内时，不论在罐内何处，它都不受电力）。普利斯特利普利斯特利专门专门重重复了复了这这个个实验实验，发现带电发现带电金属容器内表面没有金属容器内表面没有电电荷，荷，于是于是猜猜测电测电力与力与万有引力有相似的万有引力有相似的规规律律，这对电力规律有重要启示。，这对电力规律有重要启示。不不过过，普利斯特，普利斯特利的利的结论结论并没有得到科学界的普遍重并没有得到科学界的普遍重视视，因，因为为他并没有特他并没有特别别明确地明确地进进行行论证论证，仍然停留在猜，仍然停留在猜测测的的阶阶段。段。17691769年，年，鲁宾孙鲁宾孙通通过过作用在一个小作用在一个小球上球上电电力和重力平衡的力和重力平衡的实验实验，第一，第一次直接次直接测测定了两个定了两个电电荷相互作用力荷相互作用力与距离二次方成反比。与距离二次方成反比。17731773年，卡年，卡文迪什推算出文迪什推算出电电力与距离的二次方力与距离的二次方成反比，他的成反比，他的这这一一实验实验是近代精确是近代精确验证电验证电力定律的力定律的雏雏形。形。卡文迪许的实验装置卡文迪许的实验装置本讲稿第十一页，共四十六页卡文迪什卡文迪什卡卡文文迪迪什什取取得得的的成成果果远远远远超超过过以以前前的的人人。他他不不仅仅获获得得静静电电力力的的平平方方反反比比定定律律，并并且且对对实实验验数数据据的的精精确确度度做做出出了了估估计计。可可惜惜的的是是，卡卡文文迪迪什什的的研研究究结结果果也也没没有有发发表表。约约在在100年年后后，麦麦克克斯斯韦韦受受委委托托整整理理卡卡文文迪迪什什遗遗留留的的大大量量资资料料时时，才才发发现现有有许许多多重重要要科科学学成成果果，出出版版了了亨亨利利卡卡文文迪迪什什的的电电学学研研究究一一书书。书书中中有有平平方方反反比比定定律律实实验验设设备备的的草草图图。从从书书中中可可以以知知道道他他又又是是最最早早提提出出电电位位概概念念的的人人、称称之之为为“带带电电度度”。他他断断定定两两个个带带电电导导体体如如果果用用导导线线联联通通，电电荷荷就就要要在在这这两两个个导导体体之之间间重重新新分分配配，以以达达到到相相同同的的“带带电电度度”，还还证证明明形形状状相相似似的的导导体体在在相相同同的的“带带电电度度”下下，所所带带的的电电荷荷数数量量与与它它们的线性尺寸成比例等等。们的线性尺寸成比例等等。卡文迪什的贡献卡文迪什的贡献本讲稿第十二页，共四十六页库仑的扭秤实验库仑的扭秤实验1785年，库仑设计了精巧的扭秤实验，直接测定了两个静止点电荷的相年，库仑设计了精巧的扭秤实验，直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比，与它们的电量乘积成正比。互作用力与它们之间的距离二次方成反比，与它们的电量乘积成正比。库仑的实验得到了世界的公认，从此电学的研究开始进入科学行列。库仑的实验得到了世界的公认，从此电学的研究开始进入科学行列。库仑定律库仑定律本讲稿第十三页，共四十六页2 2、稳恒电流的获得与研究、稳恒电流的获得与研究伽伐尼的研究伽伐尼的研究 1780年，意大利科学家伽伐尼在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现，年，意大利科学家伽伐尼在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现，一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这上外露的神经时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验，个实验，又观察到同样的现象。又观察到同样的现象。他以严谨的科学态度，选择各种不同的金属，例如铜和铁或铜和银，他以严谨的科学态度，选择各种不同的金属，例如铜和铁或铜和银，接在一起，而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，青蛙就会不接在一起，而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属，就停地屈伸抽动。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会发生这样的现象。他认为这是一种生物电现象，他的关于电不会发生这样的现象。他认为这是一种生物电现象，他的关于电对肌肉运动的作用论文于对肌肉运动的作用论文于1791年发表。年发表。本讲稿第十四页，共四十六页伽伐尼伽伐尼本讲稿第十五页，共四十六页伏达的研究伏达的研究1791年意大利物理学家亚历山德罗年意大利物理学家亚历山德罗.伏打伏打得知得知伽伐尼伽伐尼的这一发现，引的这一发现，引起了他的极大兴趣，作了一系列实验，甚至还在自己身上做实验。起了他的极大兴趣，作了一系列实验，甚至还在自己身上做实验。他用两种金属接成一根弯杆，一端放在嘴里，另一端和眼睛接触，他用两种金属接成一根弯杆，一端放在嘴里，另一端和眼睛接触，在接触的瞬间就有光亮的感觉产生。他用舌头舔着一枚金币和一枚在接触的瞬间就有光亮的感觉产生。他用舌头舔着一枚金币和一枚银币，然后用导线把硬币连接起来，就在连接的瞬间，舌头有发麻银币，然后用导线把硬币连接起来，就在连接的瞬间，舌头有发麻的感觉。这些实验证明：电不仅能够产生颤动，而且还会影响视觉的感觉。这些实验证明：电不仅能够产生颤动，而且还会影响视觉和味觉神经。和味觉神经。伏打在伽伐尼实险的基础上，致力研究两种不同金属的接触。伏打在伽伐尼实险的基础上，致力研究两种不同金属的接触。他得出了新的结论，认为两金属不仅仅是导体，而且是由它们他得出了新的结论，认为两金属不仅仅是导体，而且是由它们产生电流的。用伏打自己的话来说：金属是真正的电流激发者，产生电流的。用伏打自己的话来说：金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为“金属的金属的”或或“接接触的触的”电流。电流。本讲稿第十六页，共四十六页伏打还发现当金属浸入某些液体时，也会发生同样的电流效应。伏打还发现当金属浸入某些液体时，也会发生同样的电流效应。伏打开始是用几只碗盛了盐水，把几对黄铜和锌做成的电极连伏打开始是用几只碗盛了盐水，把几对黄铜和锌做成的电极连接起来，就有电流产生。接起来，就有电流产生。1800年年3月月20日，伏打宣布了一个重要日，伏打宣布了一个重要的发现，这就是著名的的发现，这就是著名的“伏打电池伏打电池”。这是第一个能人为产生稳定、持续电流的装置，为电流现象的研这是第一个能人为产生稳定、持续电流的装置，为电流现象的研究提供了物质基础，也为电流效应的应用打开了前景，并很快成究提供了物质基础，也为电流效应的应用打开了前景，并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具，促使电学研究有一个巨大为进行电磁学和化学研究的有力工具，促使电学研究有一个巨大的进展。伏打的成就受到各界普遍赞赏，科学界用他的姓氏命名的进展。伏打的成就受到各界普遍赞赏，科学界用他的姓氏命名电势，电势差（电压）的单位，为电势，电势差（电压）的单位，为“伏特伏特”（就是伏打，音译演（就是伏打，音译演变的），简称变的），简称“伏伏”。本讲稿第十七页，共四十六页欧姆定律的发现欧姆定律的发现 欧姆欧姆欧姆欧姆对导线中的电流进行了研究。他对导线中的电流进行了研究。他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中两点间的热流正比于这两点导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为，电流现间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此相似，猜想导线中两点之间的象与此相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动电流也许正比于它们之间的某种驱动力，即现在所称的电动势。力，即现在所称的电动势。欧姆花了很大的精力在这方面进行欧姆花了很大的精力在这方面进行研究。研究。1827年欧姆又在电路的数学年欧姆又在电路的数学研究一书中，把他的实验规律总结研究一书中，把他的实验规律总结成如下公式：成如下公式：E。式中式中S表示电流；表示电流；E表示电动力，即导线两端的电势差，表示电动力，即导线两端的电势差，为导线对电流的传导率，其倒数即为电为导线对电流的传导率，其倒数即为电阻。阻。欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和评价这一发现，并遭到怀欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视，经济极其困难，使欧姆精神抑郁。直到疑和尖锐的批评。研究成果被忽视，经济极其困难，使欧姆精神抑郁。直到1841年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌，才引起德国科学界的重年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌，才引起德国科学界的重视。视。本讲稿第十八页，共四十六页2 2、早期静磁学的研究、早期静磁学的研究 我我国国是是用用文文字字记记载载磁磁现现象象最最早早的的国国家家之之一一。公公元元前前4世世纪纪战战国国时时期期成成书书的的管管子子中中已已有有“上上有有慈慈石石者者下下有有铜铜金金”的的描描述述。这这是是有有关关磁磁石石和和磁磁性性矿矿的的最最早早记记载载。公公元元前前3世世纪纪的的吕吕氏氏春春秋秋中中所所写写的的“慈慈石石召召铁铁，或或引引之之也也”，那那时时的的人人称称“磁磁”为为“慈慈”。他他们们把把磁磁石石吸吸引引铁铁看看作作慈慈母母对对子子女女的的吸吸引引。并并认认为为：“石石是是铁铁的的母母亲亲，但但石石有有慈慈和和不不慈慈两两种种，慈慈爱爱的的石石头头能能吸吸引引他他的的子子女女，不不慈慈的的石石头头就就不不能能吸吸引引了了。因因此此，汉汉以以前前人人们们把把磁磁石写做石写做“慈石慈石”，是慈爱石头的意思。，是慈爱石头的意思。关关于于磁磁现现象象的的应应用用，在在我我国国古古代代后后魏魏的的水水经经注注等等书书中中，就就提提到到秦秦始始皇皇为为了了防防备备刺刺客客行行刺刺，曾曾用用磁磁石石建建造造阿阿房房宫宫的的北北阀阀门门，以以阻阻止止身身带带刀刀剑剑的的刺刺客客入入内内。医医书书上上还还谈谈到到用用磁磁石石吸吸铁铁的的作作用用，来来治治疗疗吞吞针针，但但磁磁现现象象早早期期应应用用方方面面，最最光光辉辉的的成成就就是是指指南南针针的的发发明明和和应应用用，这这也也是是我我国国对对人人类类所所做出的巨大贡献。做出的巨大贡献。本讲稿第十九页，共四十六页指南针指南针 战国时司南和地盘复原模型战国时司南和地盘复原模型本讲稿第二十页，共四十六页北宋科学家沈括指南北宋科学家沈括指南北宋科学家沈括指南北宋科学家沈括指南针四种试验复原针四种试验复原针四种试验复原针四种试验复原 北宋初年，曾公亮主编的武经北宋初年，曾公亮主编的武经北宋初年，曾公亮主编的武经北宋初年，曾公亮主编的武经总要（约成书总要（约成书总要（约成书总要（约成书10441044年）中介绍年）中介绍年）中介绍年）中介绍了一种了一种了一种了一种“指南鱼指南鱼指南鱼指南鱼”(”(复原模型复原模型复原模型复原模型)本讲稿第二十一页，共四十六页元元代代磁磁州州窑窑绘绘浮浮针针瓷瓷碗碗元元代代指指南南龟龟复复原原(剖剖面面)本讲稿第二十二页，共四十六页明代航海水罗盘复原明代航海水罗盘复原本讲稿第二十三页，共四十六页明明嘉嘉靖靖年年间间(1 15 52 22 21 15 56 66 6)航航海海木木帆帆船船沿沿用用“旱旱罗罗盘盘”本讲稿第二十四页，共四十六页吉吉尔尔伯伯特特1600年年他他写写成成了了论论磁磁石石、磁磁体体、大大磁磁石石地地球球一一书书。书书中中系系统统地地讨讨论论了了地地球球的的磁磁性性，认认为为地地球球是是个个大大磁磁石石，他他还还提提出出可可以以用用磁磁倾倾角角判判断断地地球球上上各各处处的的纬纬度度；铁铁的的磁磁化化及及去去磁磁概概念念；定定性性的的研究磁石的吸引与推斥。这都为磁的进一步研究开拓了道路。研究磁石的吸引与推斥。这都为磁的进一步研究开拓了道路。库库仑仑提提出出丝丝悬悬指指南南针针的的设设想想，并并且且利利用用这这个个想想法法制制成成的的库库仑仑扭扭秤秤。在在建建立立了了电电荷荷相相互互作作用用的的库库仑仑定定律律同同时时，得得到到了了磁磁力力的的相相互互作作用用定定律律，可可以以说说库库仑仑是是静电、静磁学的第一位奠基人。静电、静磁学的第一位奠基人。此此后后，法法国国数数学学家家、物物理理学学家家泊泊松松在在库库仑仑的的基基础础上上，提提出出了了磁磁体体间间的的相相互互作作用用的的势势函函数数积积分分方方程程，把把磁磁的的研研究究发发展展到到定定量量阶阶段段，但但这这时时电电与磁还是分别平行、独立地进行着研究。与磁还是分别平行、独立地进行着研究。本讲稿第二十五页，共四十六页第二节第二节电磁感应与电磁波电磁感应与电磁波一、电磁感应现象的发现一、电磁感应现象的发现 1、奥斯特的发现、奥斯特的发现丹麦物理学家奥斯特认为各种自然力丹麦物理学家奥斯特认为各种自然力都来自同一根源，可以相互转化富都来自同一根源，可以相互转化富兰克林发现的莱顿瓶放电使钢针磁化兰克林发现的莱顿瓶放电使钢针磁化的现象，对奥斯特启发很大，他认识的现象，对奥斯特启发很大，他认识到电向磁的转化不是不可能的，关键到电向磁的转化不是不可能的，关键是要找出转化的具体条件是要找出转化的具体条件在在1820年发现，一条通过电流的导线年发现，一条通过电流的导线会使其近处静悬着的磁针偏转，显示会使其近处静悬着的磁针偏转，显示出电流在其周围的空间产生了磁场，出电流在其周围的空间产生了磁场，这是证明电和磁现象密切结合的第一这是证明电和磁现象密切结合的第一个实验结果。个实验结果。奥斯特奥斯特本讲稿第二十六页，共四十六页本讲稿第二十七页，共四十六页2 2、安培的贡献、安培的贡献 安培由电流磁效应想到：既然磁体之间有相互作用，电流与磁体间安培由电流磁效应想到：既然磁体之间有相互作用，电流与磁体间也有作用，那么两个载流导体之间也一定存在着相互作用也有作用，那么两个载流导体之间也一定存在着相互作用。通过不懈的通过不懈的努力，安培得到了电动力的公式，努力，安培得到了电动力的公式，并发现的载流导体间的相互作并发现的载流导体间的相互作用。用。安培演示电流相互作用的装置（复制品）本讲稿第二十八页，共四十六页3、法拉第确立电磁感应定律、法拉第确立电磁感应定律 奥斯特的发现和日新月异的电流奥斯特的发现和日新月异的电流磁效应的研究成果，极大地激励了英磁效应的研究成果，极大地激励了英国学术界。国学术界。1821年，英国哲学年鉴年，英国哲学年鉴主编邀请著名化学家戴维撰写一篇主编邀请著名化学家戴维撰写一篇文章，综合评述奥斯特电流磁效应发文章，综合评述奥斯特电流磁效应发现以来的电磁学发展概况。戴维将这现以来的电磁学发展概况。戴维将这一工作交给了助手法拉第，法拉第在一工作交给了助手法拉第，法拉第在收集材料过程中，对电磁学研究产生收集材料过程中，对电磁学研究产生了兴趣和热情。从此，法拉第将研究了兴趣和热情。从此，法拉第将研究工作转向了电磁学。工作转向了电磁学。法拉第法拉第本讲稿第二十九页，共四十六页（1 1）法拉第发明电磁旋转器）法拉第发明电磁旋转器 18211821年年4 4月，英国大化学家、物月，英国大化学家、物理学家沃拉斯顿设计了电磁旋转器，理学家沃拉斯顿设计了电磁旋转器，几次实验都遭到了失败。法拉第认为，几次实验都遭到了失败。法拉第认为，沃拉斯顿的这种设计是合理的，法拉沃拉斯顿的这种设计是合理的，法拉第设计了一台电磁旋转器。第设计了一台电磁旋转器。电磁旋转器是电动机的实验室雏型，它对人类利用电电磁旋转器是电动机的实验室雏型，它对人类利用电能能具有划时代的意义具有划时代的意义。法拉第关于电磁旋转器实验的文。法拉第关于电磁旋转器实验的文章，被刊登在章，被刊登在18211821年年9 9月月3 3日英国的日英国的科学季刊科学季刊上。这上。这次成功，充分次成功，充分显示了法拉第无与伦比的实验技能和技巧显示了法拉第无与伦比的实验技能和技巧，是，是他的科学天才出现的他的科学天才出现的第一次高峰第一次高峰。同时，也强有力地激发。同时，也强有力地激发了法拉第对电磁学的研究信心和热情。了法拉第对电磁学的研究信心和热情。本讲稿第三十页，共四十六页（2）法拉第发现电磁感应现象）法拉第发现电磁感应现象 英国科学界普遍认为，作用总应伴随着反作用。奥斯特的英国科学界普遍认为，作用总应伴随着反作用。奥斯特的发现是发现是“电生磁电生磁”，促使人们想到了，促使人们想到了“磁生电磁生电”。法拉第就是。法拉第就是最早想到最早想到“磁生电磁生电”的科学家之一。的科学家之一。法拉第相信各种法拉第相信各种“自然力的统一自然力的统一”，追求这种统一，他确，追求这种统一，他确信客观事物本身的结构具有对称性。这是法拉第进行科学研究信客观事物本身的结构具有对称性。这是法拉第进行科学研究的思想基础。的思想基础。1831年年8月月29日，法拉第想用日，法拉第想用一条通电导线的磁场从另一条导一条通电导线的磁场从另一条导线中激发出感应电流来。实验中，线中激发出感应电流来。实验中，为了增强磁场和感应电流，他将为了增强磁场和感应电流，他将两条直导线绕在铁环上，形成两两条直导线绕在铁环上，形成两个共芯螺线管。个共芯螺线管。本讲稿第三十一页，共四十六页 1831年年9月月24日，法拉第用两根各日，法拉第用两根各5英尺长的铜线将线圈与电流计连英尺长的铜线将线圈与电流计连接，并把软铁棒插入线圈中。取两条接，并把软铁棒插入线圈中。取两条24英寸长的磁铁，使它们按异性磁极英寸长的磁铁，使它们按异性磁极并在一起。然后，把一端分开如马蹄形磁铁，让带线圈的软铁棒夹在其间。并在一起。然后，把一端分开如马蹄形磁铁，让带线圈的软铁棒夹在其间。他发现当圆铁棒接触他发现当圆铁棒接触N、S极和脱离极和脱离N、S极时极时,检流计的指针就会偏转。检流计的指针就会偏转。他指出他指出.这一效应不是永恒的而是瞬时的这一效应不是永恒的而是瞬时的,但也能够看清楚但也能够看清楚磁转化磁转化成了成了电。电。电磁感应现象电磁感应现象本讲稿第三十二页，共四十六页 法拉第在法拉第在1831年年11月月24日向英国皇家学会报告了电日向英国皇家学会报告了电学的实验研究的结果。他将产生电磁感应的条件概括为：学的实验研究的结果。他将产生电磁感应的条件概括为：变化的电流；变化的电流；变化的磁场；变化的磁场；运动的稳恒电流；运动的稳恒电流；运动的磁铁；运动的磁铁；在磁场中运动的导体。在磁场中运动的导体。并将并将“磁生电磁生电”的现象定名为的现象定名为“电磁感应电磁感应”。法拉第又进一步作了综合分析，找到了产生电磁感法拉第又进一步作了综合分析，找到了产生电磁感应的基本条件应的基本条件闭合回路中磁力线数量变化。闭合回路中磁力线数量变化。这样就确立了电磁感应定律：这样就确立了电磁感应定律：导体线圈中的磁力线数导体线圈中的磁力线数量发生变化将在线圈中激起感应电流。量发生变化将在线圈中激起感应电流。影视资料片：影视资料片：影视资料片：影视资料片：电磁感应电磁感应本讲稿第三十三页，共四十六页 法拉第一生致力于科学研究事业，不图虚荣，甚至不法拉第一生致力于科学研究事业，不图虚荣，甚至不接受为他增加的薪水。他成名之后，世界各国赠给他的学接受为他增加的薪水。他成名之后，世界各国赠给他的学位、学衔和其他荣誉达位、学衔和其他荣誉达94种之多，他从来不向任何人展示种之多，他从来不向任何人展示和炫耀。和炫耀。法拉第一生中一直过着清贫而简朴的生活，为后人留法拉第一生中一直过着清贫而简朴的生活，为后人留下了巨大的知识财富，他的代表作是电学的实验研究。下了巨大的知识财富，他的代表作是电学的实验研究。他还是一位了不起的科普作家，曾写过蜡烛的化学史他还是一位了不起的科普作家，曾写过蜡烛的化学史等书，被译成多种文字，流传很广。等书，被译成多种文字，流传很广。法拉第是当时世界上许多科学学会的会员，是当时法拉第是当时世界上许多科学学会的会员，是当时物理学家公认的领袖，是自伽利略以来，从来没有见过物理学家公认的领袖，是自伽利略以来，从来没有见过的头脑中涌现出那么多奇妙思想和发现的科学巨人，是的头脑中涌现出那么多奇妙思想和发现的科学巨人，是自学成材的典范，是人类走向电气时代的开路先锋。自学成材的典范，是人类走向电气时代的开路先锋。1867年年8月月25日，他坐在椅子上安详地去世。日，他坐在椅子上安详地去世。本讲稿第三十四页，共四十六页二、电磁感应定律开辟了电气时代的新纪元二、电磁感应定律开辟了电气时代的新纪元电磁感应定律使人类找到了机械能与电能之间的转换方电磁感应定律使人类找到了机械能与电能之间的转换方法，开创了电气化时代的新纪元。法，开创了电气化时代的新纪元。19世纪世纪40年代年代，西欧先进的资本主义国家先后进入了电气，西欧先进的资本主义国家先后进入了电气化时代的早期阶段。电磁学的飞速发展，引发了第二次世界化时代的早期阶段。电磁学的飞速发展，引发了第二次世界性技术革命浪潮，以电机为动力的电气化工业体系和各种电性技术革命浪潮，以电机为动力的电气化工业体系和各种电气工业生产部门，如电解、电镀、电热、电焊、电冶、电力气工业生产部门，如电解、电镀、电热、电焊、电冶、电力生产和输送等方面的工厂、企业如雨后春笋般地建立起来，生产和输送等方面的工厂、企业如雨后春笋般地建立起来，电报、电话等信息技术也被广泛地利用起来。电磁理论和电电报、电话等信息技术也被广泛地利用起来。电磁理论和电气技术的进步，把工业生产推向了历史的新高峰。气技术的进步，把工业生产推向了历史的新高峰。英国在英国在1840年年，由电气技术造成的劳动生产率是，由电气技术造成的劳动生产率是1770年年蒸汽技术造成的劳动生产率的蒸汽技术造成的劳动生产率的27倍，是手工劳动的倍，是手工劳动的108倍。倍。70年中，劳动生产率平均每年提高年中，劳动生产率平均每年提高11.28。本讲稿第三十五页，共四十六页三、三、法拉第的科学思想方法法拉第的科学思想方法1、确信各种运动形式的相互联系和相互转化、确信各种运动形式的相互联系和相互转化法拉第对自然力法拉第对自然力(或能或能)的统的统性具有坚定的信念，他始终性具有坚定的信念，他始终不渝地为证实各种现象之间的普遍联系而努力。不渝地为证实各种现象之间的普遍联系而努力。法拉第还考虑过法拉第还考虑过“在引力和电力之间可能的联系在引力和电力之间可能的联系”。1859年，他已是年，他已是68岁的老人，还步履蹒跚地爬到泰晤士河岁的老人，还步履蹒跚地爬到泰晤士河畔滑铁卢大桥附近的高塔上去做实验，观察是否会因重力的变畔滑铁卢大桥附近的高塔上去做实验，观察是否会因重力的变化而产生电荷的变化，结果失败了。他在日记上写道：化而产生电荷的变化，结果失败了。他在日记上写道：“现在现在我的实验就到此为止，结果是否定的。但它们并没有动摇我坚我的实验就到此为止，结果是否定的。但它们并没有动摇我坚强的信念，即重力和电力之间强的信念，即重力和电力之间定是有关系的。定是有关系的。”今天看来，今天看来，他把问题想得太简单直观了，但他坚信他把问题想得太简单直观了，但他坚信自然力的统一的思想自然力的统一的思想，仍然是非常可贵的。仍然是非常可贵的。本讲稿第三十六页，共四十六页2、力线和场的概念、力线和场的概念 法拉第主张物质之间的电磁力是需要由媒质法拉第主张物质之间的电磁力是需要由媒质传递的近距作用力的观点。然而，电磁作用究竟传递的近距作用力的观点。然而，电磁作用究竟怎样借介质接触而传递呢怎样借介质接触而传递呢?为了回答这一问题，为了回答这一问题，他引入了力线和场的概念。他引入了力线和场的概念。法拉第关于力线和场的概念对于电磁学的发展法拉第关于力线和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。以及整个物理学的发展都是很有影响的。汤姆逊汤姆逊评论说：评论说：“在法拉第的许多伟大的贡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简明而富有启发性和磁场的许多性质借助它就可以简明而富有启发性地表示出来。地表示出来。”本讲稿第三十七页，共四十六页 爱因斯坦爱因斯坦曾高度评价法拉第的工作，认为法拉第在曾高度评价法拉第的工作，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坦尤其称赞了法拉第所建立的“场场”的新概念：的新概念：“这样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，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，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。相对论不过是场论的下一个发展阶段。”著名科学史家丹皮尔著名科学史家丹皮尔也指出：也指出：“法拉第奠定了实用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。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重要性，这也是现代物而且他坚持主张电磁场具有极大重要性，这也是现代物理学理论有关电的方面的历史起点。理学理论有关电的方面的历史起点。”美国物理学家库瑞美国物理学家库瑞这样说过：这样说过：“可以这样来评述法拉第：可以这样来评述法拉第：当他考察自然现象时，他的头脑始终是警惕的，任何现象当他考察自然现象时，他的头脑始终是警惕的，任何现象只要在他的实验室里出现一次，他就能把它记住，哪怕这只要在他的实验室里出现一次，他就能把它记住，哪怕这些现象是偶然出现的。些现象是偶然出现的。”本讲稿第三十八页，共四十六页四四、麦克斯韦电磁场理论的建立、麦克斯韦电磁场理论的建立 在在电电磁磁理理论论建建立立以以前前，电电磁磁学学已已建建立立了了四四大大定定律律，即即库库仑仑定定律律、高高斯斯定定律律、法法拉拉第第定定律律和和安安培培定定律律。法法拉拉第第等等人人虽虽然然有有高高超超的的实实验验技技巧巧和和丰丰富富的的想