电磁学2学习教程.pptx

1.电和磁有没有联系？电和磁有没有联系？“顿牟缀芥，磁石引针顿牟缀芥，磁石引针”说明电现象和磁现象的说明电现象和磁现象的相似性；电力与磁力都遵守平方反比定律，说明它们有相似性；电力与磁力都遵守平方反比定律，说明它们有类似的规律。但电与磁有没有联系呢？类似的规律。但电与磁有没有联系呢？1774年，德国一家研究机构悬奖征解，题目是年，德国一家研究机构悬奖征解，题目是：“电力和电力和磁力是否存在实际和物理的相似性？磁力是否存在实际和物理的相似性？”1731年一名年一名英国商人英国商人的一箱新刀在闪电过后带上了磁性；的一箱新刀在闪电过后带上了磁性；1751年，年，富兰克林富兰克林发现缝纫针经过莱顿瓶放电后磁化了。发现缝纫针经过莱顿瓶放电后磁化了。17世纪初，世纪初，吉尔伯特吉尔伯特断言，他们之间没有因果关系；库仑断言，他们之间没有因果关系；库仑也持相同观点。但：也持相同观点。但：一一.发现电流磁效应发现电流磁效应第1页/共51页奥奥斯斯特特像像 17991799年的博士论文年的博士论文论外部论外部自然的基本的形而上学范畴自然的基本的形而上学范畴中，中，阐述了康德哲学思想对科学的指阐述了康德哲学思想对科学的指导作用，并深受康德关于导作用，并深受康德关于“基本基本力力”可以转化为其它各种形式的可以转化为其它各种形式的力的观点影响，力的观点影响，18031803年，旅游德年，旅游德国时，结识了坚信化学现象、电国时，结识了坚信化学现象、电流和磁之间有相互联系的德国青流和磁之间有相互联系的德国青年化学家里特，还参加过里特为年化学家里特，还参加过里特为寻找这种联系而进行的一些实验。寻找这种联系而进行的一些实验。这些都为奥斯特发现电流磁效应这些都为奥斯特发现电流磁效应打下了基础。打下了基础。2.2.奥斯特（奥斯特（1777-18511777-1851）的发现：）的发现：丹麦人，发现丹麦人，发现电流磁效应的第一人。电流磁效应的第一人。第2页/共51页3 3）但是他认为电流对磁体的作用是纵向的，所以他的猜测但是他认为电流对磁体的作用是纵向的，所以他的猜测一直未能实现。他在通电的导线前一直未能实现。他在通电的导线前(侧侧)面放一根磁针，企图面放一根磁针，企图用通电的导线去吸引磁针。然而，导线灼热了，甚至烧红发用通电的导线去吸引磁针。然而，导线灼热了，甚至烧红发光了，磁针毫无动静。光了，磁针毫无动静。但奥斯特深信，电和磁有某种联系，但奥斯特深信，电和磁有某种联系，就像迪那和发热发光的现象一样。就像迪那和发热发光的现象一样。2)18122)1812年年发表发表关于化学力和电力的同一性研究关于化学力和电力的同一性研究，表明他已，表明他已经将自然力的统一思想运用到物理学和化学的研究中去了。他经将自然力的统一思想运用到物理学和化学的研究中去了。他从电流流经直径较小的导线时导线会生热的现象推测，如果导从电流流经直径较小的导线时导线会生热的现象推测，如果导线直径再小，就可能发光，直径再继续减小，就会产生磁。并线直径再小，就可能发光，直径再继续减小，就会产生磁。并指出指出:“我们应该检验的是，究竟电是否以其最隐蔽的方式对我们应该检验的是，究竟电是否以其最隐蔽的方式对磁体有所影响。磁体有所影响。”1)18031)1803年年他曾说他曾说:“我们的物理学将不再是关于运动、热、空我们的物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的任何其他现象的零散的罗气、光、电、磁以及我们所知道的任何其他现象的零散的罗列，我们将把整个宇宙容纳在一个体系中。列，我们将把整个宇宙容纳在一个体系中。”他认为他认为“自然自然力之统一力之统一”。第3页/共51页4 4）18191819冬冬-1820-1820年年4 4月月，奥斯特在给学生上，奥斯特在给学生上“电学、伽伐尼电学、伽伐尼电流和磁学电流和磁学”课程时，在一次讲课中，他将磁针放在了导线课程时，在一次讲课中，他将磁针放在了导线的下面。当他接通电源时，发现磁针轻微的晃动了一下的下面。当他接通电源时，发现磁针轻微的晃动了一下!正正是这一轻微的晃动，奥斯特马上意识到他多年孜孜以求的东是这一轻微的晃动，奥斯特马上意识到他多年孜孜以求的东西就要实现了。奥斯特紧抓不放，经过反复实验，查明了西就要实现了。奥斯特紧抓不放，经过反复实验，查明了电电流具有磁效应流具有磁效应。18201820年年7 7月月2121日，发表日，发表了了电流对磁针的作电流对磁针的作用的实验用的实验，引起了引起了学术界的轰动。学术界的轰动。第4页/共51页5)5)电冲突和螺旋线：电冲突和螺旋线：奥斯特把导体周围空间发生的这种效应奥斯特把导体周围空间发生的这种效应称为称为“电冲突电冲突”。他指出他指出:“这种冲突呈现为圆形，否则就不这种冲突呈现为圆形，否则就不可能解释这种现象：当磁极放在导线下面时，磁极被推向东可能解释这种现象：当磁极放在导线下面时，磁极被推向东方；当磁极被置于导线上方时，磁极被推向西方。其原因是，方；当磁极被置于导线上方时，磁极被推向西方。其原因是，只有圆才具有这样的性质只有圆才具有这样的性质,其相反部分的运动具有相反的方向。其相反部分的运动具有相反的方向。此外，沿着导线长度方向连续前进的圆形运动必然形成蜗线此外，沿着导线长度方向连续前进的圆形运动必然形成蜗线或螺旋线。或螺旋线。”6 6）旋转力与中心力：）旋转力与中心力：奥斯特的发现和牛顿力学的基本原理奥斯特的发现和牛顿力学的基本原理是相互矛盾的。在牛顿力学中，自然界的力只能是作用于物是相互矛盾的。在牛顿力学中，自然界的力只能是作用于物体连线上的吸引或排斥力，体连线上的吸引或排斥力，即直接推拉性质的即直接推拉性质的“中心力中心力”。而奥斯特发现的却是一种而奥斯特发现的却是一种“旋转力旋转力”。他所说的他所说的“螺旋线螺旋线”，实际上就是关于磁的横向效应或电流所引起的涡流磁场的实际上就是关于磁的横向效应或电流所引起的涡流磁场的直观描述。直观描述。是是“场场”的思想的开端。的思想的开端。第5页/共51页在观察的领域内，机遇只偏爱那种有准备的头脑。巴斯德1)1)第一个揭示出了电与磁之间的内在联系。第一个揭示出了电与磁之间的内在联系。2)2)为电流计、电报和电机的发明制造开辟了道路。为电流计、电报和电机的发明制造开辟了道路。3)3)为电磁场理论的发展奠定了基础。为电磁场理论的发展奠定了基础。3.3.意义意义第6页/共51页二二.安培和安培定律安培和安培定律 1.1.安培简介安培简介 2.2.安培的四个实验和一个假设安培的四个实验和一个假设 3 3 分子电流假说分子电流假说 4.4.安培环路定理的提出安培环路定理的提出 5.5.安培的科学研究方法安培的科学研究方法第7页/共51页1.1.安安培培(A.M.Amp，1775177518361836年年)：法法国国物物理理学学家家，对对数数学学和和化化学学也也有有贡贡献献。生生于于里里昂昂一一个个富富商商家家庭庭。安安培培在在法法国国长长大大时时，正正是是法法国国社社会会变变革革时时期期，他他几几乎乎没没受受过过正正规规教教育育，他他的的父父亲亲信信奉奉J JJ J卢卢梭梭(植植物物学学家家)的的教教育育思思想想，供供给给他他大大量量图图书书，令令其其走走自自学学道道路路，于于是是他他博博览览群群书书，吸取营养；吸取营养；第8页/共51页 奥斯特发现电流磁效应的消息传到世界各地，在瑞士参奥斯特发现电流磁效应的消息传到世界各地，在瑞士参加日内瓦科学会议的加日内瓦科学会议的法国物理学家阿拉果法国物理学家阿拉果得知此消息后，随得知此消息后，随即回国。于同年即回国。于同年9 9月月1111日向法国科学院报告并重复了奥斯特的日向法国科学院报告并重复了奥斯特的实验。实验。这一效应引起了这一效应引起了法国科学家安培法国科学家安培的极大兴趣。经过一周的极大兴趣。经过一周的夜以继日的工作后，于的夜以继日的工作后，于9 9月月1818日发现了电流间也存在着相互日发现了电流间也存在着相互作用力；接着提出了一个完整的定量理论；并于作用力；接着提出了一个完整的定量理论；并于18201820年年9 9月与月与1010月间，接连写了三篇论文；在月间，接连写了三篇论文；在18201820年年1212月月4 4日，又提出了著日，又提出了著名的安培定律；名的安培定律；18271827年发表了名著的年发表了名著的从实验导出的关于电从实验导出的关于电动力学现象的数学理论动力学现象的数学理论。为电动力学的产生奠定了基础。为电动力学的产生奠定了基础。人们为纪念他，将电流强度的单位定义为人们为纪念他，将电流强度的单位定义为“安培安培”。-时间就是生时间就是生命命背景：背景：第9页/共51页2.2.安培定律的建立安培定律的建立-四个示零实验四个示零实验和一个假设和一个假设 首先安培设计了一个无定向秤：首先安培设计了一个无定向秤：下图为由硬导线作成的下图为由硬导线作成的无定向秤，由同一根导线作成两个大小相等、电流方向相无定向秤，由同一根导线作成两个大小相等、电流方向相反的平面回路反的平面回路1 1和和2 2，两回路固定连在一起，整个犹如一个，两回路固定连在一起，整个犹如一个刚体。线圈的两端刚体。线圈的两端A、B通过水银槽和固定支架相连。通过水银槽和固定支架相连。将通电的无定向秤置于将通电的无定向秤置于均匀磁场中时，由于不受力均匀磁场中时，由于不受力和力矩的作用，无定向秤处和力矩的作用，无定向秤处于平衡状态。但当将其放入于平衡状态。但当将其放入非均匀磁场中时将会产生作非均匀磁场中时将会产生作用而发生旋转。用而发生旋转。第10页/共51页实验证明，这种作用不存实验证明，这种作用不存在，无定向秤丝毫不动。在，无定向秤丝毫不动。这表明：这表明：强度相等、方向强度相等、方向相反的两个靠的很近的电相反的两个靠的很近的电流产生的作用力也是大小流产生的作用力也是大小相等、方向相反的。相等、方向相反的。下方为对折导线（1 1）实验一：对折导线电流的作用）实验一：对折导线电流的作用 安培用对折的导线进行探测，在其两端通入大小相等、安培用对折的导线进行探测，在其两端通入大小相等、方向相反的电流，把它移近无定向秤附近的不同部位，观察方向相反的电流，把它移近无定向秤附近的不同部位，观察无定向秤的反映，以检验它对无定向秤的作用。无定向秤的反映，以检验它对无定向秤的作用。第11页/共51页（2 2）实验二：螺旋状电流的作用）实验二：螺旋状电流的作用 安培仍用无定向秤，将对折导线中的一根弯成螺旋状安培仍用无定向秤，将对折导线中的一根弯成螺旋状如图。如图。结果也没有作用。结果也没有作用。说明弯曲的说明弯曲的电流和直线电流是等效的，因电流和直线电流是等效的，因此可以把弯曲电流看成是许多此可以把弯曲电流看成是许多小段电流（即电流元）组成，小段电流（即电流元）组成，其作用就是各电流元的矢量和。其作用就是各电流元的矢量和。第12页/共51页（3 3）实验三：电流作用力的方向横向性。）实验三：电流作用力的方向横向性。安培把圆弧形导体架在水银槽上，中间固定在绝缘安培把圆弧形导体架在水银槽上，中间固定在绝缘柄的一端，绝缘柄的另一端和一转轴相连，经水银槽可以柄的一端，绝缘柄的另一端和一转轴相连，经水银槽可以给弧性导体通电，如图示。给弧性导体通电，如图示。通电后，安培用各通电后，安培用各种载流线圈检测对这个种载流线圈检测对这个装置的作用，结果发现：装置的作用，结果发现：都不能使圆弧导体运动。都不能使圆弧导体运动。这表明：这表明：作用在电流元作用在电流元上的力与它垂直。上的力与它垂直。第13页/共51页（4 4）实验四：圆形导线电流作用力与距离的关系。）实验四：圆形导线电流作用力与距离的关系。1 1、2 2、3 3是三个几何形状相似的线圈，是三个几何形状相似的线圈，其半径之比其半径之比分别等于其距离之比。分别等于其距离之比。1 1、3 3线圈固定并串联在一起，通线圈固定并串联在一起，通入相同电流入相同电流I I1 1；线圈；线圈2 2通入电流通入电流I I2 2并可以左右移动；由于并可以左右移动；由于线圈线圈1 1和和3 3在线圈在线圈2 2的两侧，它们对线圈的两侧，它们对线圈2 2的作用力的方向的作用力的方向是相反的。安培用这一装置检验是相反的。安培用这一装置检验1 1、3 3对对2 2的作用。的作用。结果通电后，中间线圈丝毫结果通电后，中间线圈丝毫不动，不动，说明线圈说明线圈1 1和和3 3对线圈对线圈2 2的作用相互抵消。由此得的作用相互抵消。由此得出结论：出结论：载流导线的长度与载流导线的长度与作用距离增加相同倍数时，作用距离增加相同倍数时，作用不变。作用不变。第14页/共51页一个假设一个假设 两个电流元之间的相互作用力沿它们的连线方向。两个电流元之间的相互作用力沿它们的连线方向。可以看出，电流元之间的相互作用的数学形式类似于可以看出，电流元之间的相互作用的数学形式类似于电荷之间相互作用的库仑定律。电荷之间相互作用的库仑定律。上式表示电流元上式表示电流元dL1施加给电流元施加给电流元dL2的作用力的作用力df12，dL1和和dL2之间的距离为之间的距离为r12。安培定律的建立：安培定律的建立：在上述四个实验和这个假设的基础上，安培推出了在上述四个实验和这个假设的基础上，安培推出了电流电流元之间相互作用力的公式：元之间相互作用力的公式：第15页/共51页4.4.安培环路定理的提出安培环路定理的提出 18271827年，安培发表了年，安培发表了电动力学理论电动力学理论，在书中安培总结，在书中安培总结了已知的电磁现象，得出了磁场的安培环路定理；还阐述了他了已知的电磁现象，得出了磁场的安培环路定理；还阐述了他处理电磁现象的方法是沿着牛顿所走的道路，遵循法国物理学处理电磁现象的方法是沿着牛顿所走的道路，遵循法国物理学家拉普拉斯的途径，将一切物理现象归结为粒子间吸引或排斥家拉普拉斯的途径，将一切物理现象归结为粒子间吸引或排斥现象，并将它们付诸数学形式加以表征。安培把牛顿力学引入现象，并将它们付诸数学形式加以表征。安培把牛顿力学引入电学，从而创立了电动力学。电学，从而创立了电动力学。3.3.分子电流假说分子电流假说 安培接受了法国数学家安培接受了法国数学家菲涅尔菲涅尔的意见的意见,从微观去考虑分从微观去考虑分子电流来认识物质磁性的起因。经过反复分析和思考，于子电流来认识物质磁性的起因。经过反复分析和思考，于18211821年年,提出了著名的提出了著名的“分子电流假说分子电流假说”，成功的解释了物成功的解释了物质宏观磁性形成的内在原因。安培假设：质宏观磁性形成的内在原因。安培假设：磁性物质内存在磁性物质内存在无数微小的无数微小的“分子电流分子电流”，它们永不衰竭地沿着闭合的路，它们永不衰竭地沿着闭合的路径流动，从而形成一个个小磁体。径流动，从而形成一个个小磁体。第16页/共51页5.5.安培的科学研究方法安培的科学研究方法（1 1）善于接受他人的成果和意见；）善于接受他人的成果和意见；（2 2）善于设计实验，以检验自己的设想；）善于设计实验，以检验自己的设想；（3 3）擅擅长长把把实实验验研研究究的的成成果果进进行行归归纳纳和和总总结结，并并上上升升到到理论高度。理论高度。安培在安培在电动力学理论电动力学理论书中，总结了他处理电磁现象书中，总结了他处理电磁现象的方法是：的方法是：沿着牛顿所走的道路，遵循法国物理学家拉普拉沿着牛顿所走的道路，遵循法国物理学家拉普拉斯的途径，将一切物理现象归结为粒子间吸引或排斥现象，斯的途径，将一切物理现象归结为粒子间吸引或排斥现象，并将它们付诸数学形式加以表征。并将它们付诸数学形式加以表征。安培把牛顿力学引入电学，安培把牛顿力学引入电学，从而创立了电动力学。从而创立了电动力学。迈克斯韦迈克斯韦称其为称其为“电学中的牛顿电学中的牛顿”。第17页/共51页 安培的电流元之间作用力的又一个安培的电流元之间作用力的又一个平方反比规律平方反比规律的发的发现，使人们对大自然力之间的内在联系又有了一个新的认现，使人们对大自然力之间的内在联系又有了一个新的认识。识。安培安培首先研制了电流计，首先研制了电流计，用来测量回路电流。为了纪用来测量回路电流。为了纪念他，电流的国际单位命名为念他，电流的国际单位命名为安培，符号为安培，符号为A.第18页/共51页欧欧姆姆像像三三.欧姆定律的建立欧姆定律的建立欧姆欧姆（G.S.Ohm,1787-1854G.S.Ohm,1787-1854）：）：德国人，德国人，家境贫困，长期担任中学教师和家庭教师。家境贫困，长期担任中学教师和家庭教师。为了能到柏林图书馆阅读资料，后来就辞为了能到柏林图书馆阅读资料，后来就辞去教师职务，寄居到弟弟家里专心搞研究去教师职务，寄居到弟弟家里专心搞研究工作。后被慕尼黑大学任命为教授。工作。后被慕尼黑大学任命为教授。类比：类比：从从傅立叶傅立叶发现的热传导规律受到启发：导热杆中两点发现的热传导规律受到启发：导热杆中两点之间的热流正比于这两点之间的温度差。因而欧姆认为，电之间的热流正比于这两点之间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此很相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于流现象与此很相似，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力，欧姆称之为它们之间的某种驱动力，欧姆称之为“电张力电张力(electric(electric tension)tension)”，即现在所称的电势差。，即现在所称的电势差。欧姆花了很大精力在这个方向上进行探索，但实验效果欧姆花了很大精力在这个方向上进行探索，但实验效果一直不理想。一直不理想。第19页/共51页问题的解决：问题的解决：(1)1821(1)1821年，年，塞贝克（塞贝克（T.J.Seebeck)T.J.Seebeck)发明了温差电偶。欧发明了温差电偶。欧姆采纳姆采纳波根道夫波根道夫的建议，采用温差电偶做电源，从而得到稳定的建议，采用温差电偶做电源，从而得到稳定的电源。为后来实验的成功提供了条件。的电源。为后来实验的成功提供了条件。存在的问题：存在的问题：(1)(1)伏打电堆产生的电流不稳定；伏打电堆产生的电流不稳定；(2)(2)没有电流强度的测量装置。没有电流强度的测量装置。(2)(2)开始，欧姆想利用电流的热效应，用热胀冷缩的方法开始，欧姆想利用电流的热效应，用热胀冷缩的方法来测量电流强度，但很难取得精确的结果。后来，欧姆创造性来测量电流强度，但很难取得精确的结果。后来，欧姆创造性的将的将奥斯特奥斯特关于电流的磁效应和库仑扭秤法结合起来，巧妙设关于电流的磁效应和库仑扭秤法结合起来，巧妙设计了电流扭力天平：温差电源由弯成计了电流扭力天平：温差电源由弯成abab形的铋条和两根铜形的铋条和两根铜条组成，条组成，ab端插入冰水中，端插入冰水中，ab插入沸水中，电流扭秤的扭丝插入沸水中，电流扭秤的扭丝和磁针置于玻璃罩中，磁针偏转的角度用一放大镜观察。和磁针置于玻璃罩中，磁针偏转的角度用一放大镜观察。第20页/共51页 1926 1926年，欧姆先后发表了两年，欧姆先后发表了两篇论文：篇论文：论金属导电定律的测论金属导电定律的测定定和和由伽伐尼电力产生的电由伽伐尼电力产生的电现象的理论现象的理论。他仿照傅立叶的热传导理论，他仿照傅立叶的热传导理论，最后推导出如下公式：最后推导出如下公式：X=a/L 1927 1927年，欧姆又出版了年，欧姆又出版了动动电电路的数学研究电电路的数学研究。最初，欧姆的工作并未得到最初，欧姆的工作并未得到德国科学界的认可，但在俄国、德国科学界的认可，但在俄国、英国和美国却逐渐受到了重视，英国和美国却逐渐受到了重视，18411841年英国皇家学会授予他最高年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金奖。直到荣誉的科普利金奖。直到18491849年年才被任命为慕尼黑大学的非常任才被任命为慕尼黑大学的非常任教授，教授，18521852年成为正式教授。年成为正式教授。第21页/共51页一一.法拉第简介（法拉第简介（1791-1867）二二.法拉第在电磁学方面的主要贡献法拉第在电磁学方面的主要贡献三三.法拉第的主导思想法拉第的主导思想四四.亨利及自感现象的发现亨利及自感现象的发现五五.楞次定律的发现楞次定律的发现六六.法拉第的力线思想法拉第的力线思想七七.对法拉第的高度评价对法拉第的高度评价7.5 法拉第的实验研究及其主法拉第的实验研究及其主导思想导思想第22页/共51页英英国国物物理理学学家家。他他的的父父亲亲一一个个铁铁匠匠。十十三三岁岁时时，他他就就到到一一家家装装订订和和出出售售书书籍籍的的铺铺子子里里当当学学徒徒。这这为为他他读读书书创创造造了了条条件件。他他的的老老板板也也鼓鼓励励他他读读书书，后后来来有有一一位位顾顾客客送送给给他他一一些些伦伦敦敦皇皇家家学学院院讲讲演演的的听听讲讲证证。18121812年年冬冬季季，他他来来到到了了伦伦敦敦皇皇家家学学院院，要要求求和和著著名名的的院院长长戴戴维维见见面面谈谈话话。作作为为自自荐荐书书，他他带带来来了了听听戴戴维维讲讲演演时时记记下下的的笔笔记记。笔笔记记装装订订得得整整齐齐美美观观，给给戴戴维维留留下下了了很很好好的的印印象象。戴戴维维正正好好缺缺少少一一位位助助手手，不不久久他他就就雇雇用用了了他他。18211821年年受受任任为为皇皇家研究所试验室主任。家研究所试验室主任。法拉第一一.法拉第（法拉第（1791-18671791-1867）第23页/共51页 当上了戴维的助手后，不久他就成为皇家学院的一员。当上了戴维的助手后，不久他就成为皇家学院的一员。18131813年戴维夫妇决定去欧洲大陆游历，他们带着法拉第作为年戴维夫妇决定去欧洲大陆游历，他们带着法拉第作为秘书。这次旅游进行了秘书。这次旅游进行了1818个月，这对法拉第的教育起了重大个月，这对法拉第的教育起了重大作用。作用。他见到了许多著名的科学家，象安培、伏特、阿尔戈他见到了许多著名的科学家，象安培、伏特、阿尔戈和盖和盖吕萨克等，吕萨克等，其中几位学者立即发现了这位陪伴戴维的朴其中几位学者立即发现了这位陪伴戴维的朴实年青人的才华。实年青人的才华。从欧洲大陆旅游回来后，他几年内都致力于化学分析，从欧洲大陆旅游回来后，他几年内都致力于化学分析，并在皇家学院担任助手工作。他在并在皇家学院担任助手工作。他在18161816年发表了第一篇论年发表了第一篇论文，论述了托斯卡纳生石灰的性质。文，论述了托斯卡纳生石灰的性质。18601860年前后，法拉第年前后，法拉第的研究活动结束时，他的实验笔记已达到一万六千多条，的研究活动结束时，他的实验笔记已达到一万六千多条，他仔细地依次编号，分订成许多卷。他仔细地依次编号，分订成许多卷。第24页/共51页 法拉第所研究的课题广泛多样，按编年顺序排列法拉第所研究的课题广泛多样，按编年顺序排列,有如有如下各方面：铁合金研究（下各方面：铁合金研究（1818181818241824）；氯和碳的化合物）；氯和碳的化合物（18201820）；电磁转动（）；电磁转动（18211821）；气体液化（）；气体液化（18231823，18451845）；）；光学玻璃（光学玻璃（1825182518311831）；苯的发明（）；苯的发明（18251825）；电磁感应现）；电磁感应现象（象（18311831）；不同来源的电的同一性（）；不同来源的电的同一性（18321832）；电化学分解）；电化学分解（18321832年起）；静电学，电介质（年起）；静电学，电介质（18351835年起）；气体放电年起）；气体放电（18351835年）；光、电和磁（年）；光、电和磁（18451845年起）；抗磁性（年起）；抗磁性（18451845年起）年起）；射线振动思想射线振动思想（18461846年起）；重力和电（年起）；重力和电（18491849年起）；年起）；时间和磁性（时间和磁性（18571857年起）。年起）。在大约在大约18301830年以前，年以前，法拉第主要是一位化学家。法拉第主要是一位化学家。18271827年出版了六百多页的巨著年出版了六百多页的巨著化学操作化学操作。那时他已成为很。那时他已成为很有成就的专业分析化学家和实际顾问，已赢得了国际声誉。有成就的专业分析化学家和实际顾问，已赢得了国际声誉。第25页/共51页18241824年年，当当选选为为英英国国皇皇家家学学会会会会员员；19251925年年任任皇皇家家学学院院实实验验室室主主任任。法法拉拉第第一一生生发发明明极极多多，他他发发现现了了电电磁磁感感应应现现象象，建建立立了了电电磁磁感感应应定定律律；发发明明了了第第一一台台电电动动机机和和发发电电机机；发发现现了了电电流流的的化化学学作作用用的的规规律律，即即法法拉拉第第电电解解定定律律；提提出出了了电电场场和和磁磁场场等等重重要要概概念念；18451845年年，他他发发现现了了抗抗磁磁性性；他他的的巨巨著著电电学学的的实实验验研研究究中中有有三三千千多多个个条条目目，成成功功与与失失败败的的实实验验1604116041个。个。法拉第一生热衷科学事业，不好功名利禄。英国女王法拉第一生热衷科学事业，不好功名利禄。英国女王曾多次想对他封爵，都被他谢绝；晚年，英国首相想给他每曾多次想对他封爵，都被他谢绝；晚年，英国首相想给他每年年300英镑的退休金时，被他推辞；英镑的退休金时，被他推辞；1858年英国史学家廷德尔年英国史学家廷德尔提议让他担任皇家学会会长，他也坚决推辞。提议让他担任皇家学会会长，他也坚决推辞。1830 1830至至18391839年是法拉第成就最大的时期，是对现代电学年是法拉第成就最大的时期，是对现代电学发现作出贡献的第一流科学家。发现作出贡献的第一流科学家。18211821年他对年他对奥斯特奥斯特发现的电发现的电流磁作用的研究，导致他十年后的重大发现。流磁作用的研究，导致他十年后的重大发现。第26页/共51页二二 法拉第在法拉第在电磁学方面的主要贡献电磁学方面的主要贡献 18201820年，电磁学热席卷欧洲，研究结果大量发表，众年，电磁学热席卷欧洲，研究结果大量发表，众说纷纭，真伪难辩。说纷纭，真伪难辩。18211821年，英国年，英国哲学学报（哲学学报（Annal Annal of Philosophyof Philosophy）杂志编辑约法拉第写一篇关于电磁问杂志编辑约法拉第写一篇关于电磁问题的评述，这件事导致法拉第开始了电磁学方面的研究。题的评述，这件事导致法拉第开始了电磁学方面的研究。法拉第在整理文献时，为了判断各种学说的真伪，亲自法拉第在整理文献时，为了判断各种学说的真伪，亲自作了许多实验，其中包括作了许多实验，其中包括奥斯特奥斯特和和安培安培的实验。的实验。当时英国的皇家学会会长当时英国的皇家学会会长沃拉斯顿沃拉斯顿在获知在获知奥斯特奥斯特的发的发现之后，提出了现之后，提出了“电磁转动电磁转动”的思想，认为通电螺线管会的思想，认为通电螺线管会使附近的导线绕他的轴转动，但他的实验没有成功。法拉使附近的导线绕他的轴转动，但他的实验没有成功。法拉第在得知这一实验后，想起了奥斯特的第在得知这一实验后，想起了奥斯特的“电冲突电冲突”是在载是在载流导线周围呈圆形分布的，于是于流导线周围呈圆形分布的，于是于18211821年年9 9月他设计了如下月他设计了如下所示的电磁旋转实验：所示的电磁旋转实验：第27页/共51页电磁旋转实验：电磁旋转实验：当接通电源时，当接通电源时，发现左侧的容器里，发现左侧的容器里，磁铁棒绕着固定导线磁铁棒绕着固定导线缓慢的作圆周运动；缓慢的作圆周运动；而右侧则是另一种情而右侧则是另一种情景：导线绕固定磁棒景：导线绕固定磁棒在转动。实际上，这在转动。实际上，这就是最早的旋转电动就是最早的旋转电动机的雏型。机的雏型。第28页/共51页 18221822年，英国物理学家年，英国物理学家巴罗（巴罗（P.Barlow)P.Barlow)运用相同的运用相同的原理，制成了著名的原理，制成了著名的“巴罗巴罗轮轮”：架在水平轴上的一个架在水平轴上的一个铅直的活动铜盘，下方侵入铅直的活动铜盘，下方侵入一个水银槽里，上方夹在一一个水银槽里，上方夹在一块马蹄形磁铁中间，当通过块马蹄形磁铁中间，当通过轴心和水银槽供给电流的时轴心和水银槽供给电流的时候，铜盘就转动起来。这实候，铜盘就转动起来。这实际上就是一台直流电动机。际上就是一台直流电动机。第29页/共51页信念的产生：信念的产生：从从18241824年到年到18281828年，法拉第做了无数次电磁效应实年，法拉第做了无数次电磁效应实验，收集了各种电磁实验的资料，经仔细分析思考，他验，收集了各种电磁实验的资料，经仔细分析思考，他认为既然有电流对磁、磁对磁、电流对电流的相互作用，认为既然有电流对磁、磁对磁、电流对电流的相互作用，那么为什么就没有磁对电的作用呢？那么为什么就没有磁对电的作用呢？于是他确信于是他确信“由电由电能产生磁，由磁也能产生电能产生磁，由磁也能产生电”。为此，法拉第坚持了长为此，法拉第坚持了长达达1010余年的苦心实验研究。日复一日的实验、思考、总余年的苦心实验研究。日复一日的实验、思考、总结和改进。例如他先将磁铁放入一个线圈内，再将线圈结和改进。例如他先将磁铁放入一个线圈内，再将线圈两端接在检流计上，未发现指针偏转等。两端接在检流计上，未发现指针偏转等。1.1.电磁感应的发现电磁感应的发现法拉第电磁感应实验法拉第电磁感应实验第30页/共51页实验一：实验一：18281828年年 如右图，右侧为一铜线圈，左侧如右图，右侧为一铜线圈，左侧为一平衡球，中间用线悬挂起来。然为一平衡球，中间用线悬挂起来。然后在右侧铜线圈内放一条形磁铁后在右侧铜线圈内放一条形磁铁,他认他认为这时线圈内应产生感生电流，然后为这时线圈内应产生感生电流，然后再用另一块磁铁靠近铜线圈，线圈就再用另一块磁铁靠近铜线圈，线圈就会转动。但什么现象也没发生。会转动。但什么现象也没发生。这时，英国物理学家这时，英国物理学家斯特金斯特金发明了电磁铁，即在一块原发明了电磁铁，即在一块原来没有磁性的软铁上绕以导线，通电以后，软铁就成了具有来没有磁性的软铁上绕以导线，通电以后，软铁就成了具有强磁性的磁铁。后来，美国物理学家强磁性的磁铁。后来，美国物理学家亨利亨利改进了改进了斯特金斯特金的电的电磁铁，用彼此绝缘的铜导线代替铜裸线，制成能吸引三百千磁铁，用彼此绝缘的铜导线代替铜裸线，制成能吸引三百千克铁的电磁铁。这些对法拉第的进一步研究有一定的启发和克铁的电磁铁。这些对法拉第的进一步研究有一定的启发和帮助。帮助。第31页/共51页实验二：实验二：18311831年年8 8月月2929日日，法拉第又进行了一个新的实验：他用软法拉第又进行了一个新的实验：他用软铁做成右图所示的环，其上绕有铁做成右图所示的环，其上绕有A A、B B两线圈，两线圈，B B线圈接检流计，线圈接检流计，A A线圈和十个电池组连接，当接通或断开电源时，发现电流计线圈和十个电池组连接，当接通或断开电源时，发现电流计指针摆动。当维持通电状态时，指针则无反应。法拉第称之指针摆动。当维持通电状态时，指针则无反应。法拉第称之为为“伏打电感应伏打电感应”。这时法拉第才认识到，磁感应现象是和变化联系在一起这时法拉第才认识到，磁感应现象是和变化联系在一起的的第32页/共51页实验三：实验三：如下图：当上下方磁棒张合之际，电流计指针也不断如下图：当上下方磁棒张合之际，电流计指针也不断摆动。摆动。第33页/共51页法拉第得出结论法拉第得出结论：“要产生感生电流，要产生感生电流，磁铁必须运动。磁铁必须运动。”后来，法拉第又发后来，法拉第又发现无论是磁铁还是现无论是磁铁还是线圈运动，都产生线圈运动，都产生电流。电流。实验四：实验四：18311831年年1010月月1717日，日，法拉第将法拉第将220220英尺的铜线分层绕在一个英尺的铜线分层绕在一个用纸做的空心圆筒上，绕了八个线圈，再连成一个大线圈，用纸做的空心圆筒上，绕了八个线圈，再连成一个大线圈，接到检流计上，然后将一大的长圆形磁铁棒插入到圆筒中，接到检流计上，然后将一大的长圆形磁铁棒插入到圆筒中，结果指针摆动了，他不由自主的急忙将磁铁棒从圆筒中抽出结果指针摆动了，他不由自主的急忙将磁铁棒从圆筒中抽出来，检流计指针又摆动了一下。来，检流计指针又摆动了一下。第34页/共51页实验五：感应发电机的产生：实验五：感应发电机的产生：在这些实验的基础上，受在这些实验的基础上，受“巴罗轮巴罗轮”实验的启发，法拉实验的启发，法拉第发明了人类历史上第一台感应发电机。他将铜盘放在磁铁第发明了人类历史上第一台感应发电机。他将铜盘放在磁铁两极之间，又用一狭长的铅片放在铜盘边沿，作为收电用的两极之间，又用一狭长的铅片放在铜盘边沿，作为收电用的电刷，电刷接一个电流计。电刷，电刷接一个电流计。当铜盘旋转时，电流当铜盘旋转时，电流计上的指针也随着转动了。计上的指针也随着转动了。一种持续电流从电刷上传一种持续电流从电刷上传出来。出来。从此开始了人类广泛从此开始了人类广泛利用电能的新时代。利用电能的新时代。第35页/共51页 18311831年年1111月月2424日日，法拉第总结了一系列实验研究，向，法拉第总结了一系列实验研究，向英国皇家学会提交了论文。后来概括出五类情况可以产生英国皇家学会提交了论文。后来概括出五类情况可以产生感生电流：感生电流：变化着的电流；变化着的电流；运动的恒稳电流；运动的恒稳电流；变化的磁场；变化的磁场；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。在此基础上，法拉第发明了人类历史上第一台感应发电机。在此基础上，法拉第发明了人类历史上第一台感应发电机。涡旋电流涡旋电流涡电流简介：涡电流简介：第36页/共51页 在法拉第工作的前后，还有不少物理学家从事电磁感应在法拉第工作的前后，还有不少物理学家从事电磁感应的研究：的研究：瑞士物理学家科拉顿瑞士物理学家科拉顿在在18251825年曾做过类似上述法拉第实年曾做过类似上述法拉第实验验6 6的实验，他用一块磁铁在螺线管中移动，观察线圈中是否的实验，他用一块磁铁在螺线管中移动，观察线圈中是否有感生电流产生。为了排除磁铁对灵敏电流计的影响，他把有感生电流产生。为了排除磁铁对灵敏电流计的影响，他把很长的导线把连接于螺线管的电流计放在另一个房间，他在很长的导线把连接于螺线管的电流计放在另一个房间，他在两个房间跑来跑去进行实验和观察，因此未能观察到磁电感两个房间跑来跑去进行实验和观察，因此未能观察到磁电感应现象。他同样没想到效应的暂态性。应现象。他同样没想到效应的暂态性。18301830年，年，美国物理学家亨利美国物理学家亨利曾先于法拉第发现电磁感应曾先于法拉第发现电磁感应现象，但他没有立即发表实验结果。现象，但他没有立即发表实验结果。18321832年，年，俄国物理学家楞次俄国物理学家楞次受法拉第启发，开始做这方受法拉第启发，开始做这方面的研究，并发现了感应电流方向的规律。面的研究，并发现了感应电流方向的规律。第37页/共51页 为了解释电磁现象，必须找到一种直观表示的方法。为了解释电磁现象，必须找到一种直观表示的方法。法拉第从大量的实验中想象出描写电磁作用的力线，经数学法拉第从大量的实验中想象出描写电磁作用的力线，经数学家证明了其概念的正确，他为场的理论建立作出贡献。家证明了其概念的正确，他为场的理论建立作出贡献。汤姆逊汤姆逊说说:“我想电场和磁场的许多性质，借助力线就可我想电场和磁场的许多性质，借助力线就可以最简单而富有暗示地表示出来。以最简单而富有暗示地表示出来。”2.2.力线的提出力线的提出法拉第用法拉第用“磁力线磁力线”定量描述定量描述“电紧张状态电紧张状态”，认为电流的变认为电流的变化也会引起磁力线的变化。磁力线的多少表示这种状态的强弱，化也会引起磁力线的变化。磁力线的多少表示这种状态的强弱，磁力线数量的变化表示这种状态的变化。通过磁力线就把电磁磁力线数量的变化表示这种状态的变化。通过磁力线就把电磁感应和磁电感应统一了起