单位文秘网 2021-09-01 09:08:09 点击: 次
摘 要:麦克斯韦电磁理论的产生揭示了电磁现象的基本属性,确立了电荷、电流与电场、磁场之间的普遍联系。本文介绍了麦克斯韦电磁理论产生的理论背景及其在物理学中的重要地位。
关键词:麦克斯韦电磁理论;建立;意义
虽然人们很早就发现了电现象和磁现象,但是很久以来,电和磁的本质是什么,人们并不清楚,并认为这两种现象是无关联的。直到19世纪麦克斯韦电磁理论建立后,人们才对电和磁的本质以及它们之间的关系有所了解。麦克斯韦电磁理论的建立在物理学史上具有重大意义,是19世纪物理学上最伟大的成就之一,其建立了电荷、电流和电场之间的普遍联系。爱因斯坦曾在《麦克斯韦对物理实在观念发展的影响》一文中写到:“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来,物理学的公理基础——换句话就是我们关于实在的结构的概念——的伟大的变革是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的”。
1 麦克斯韦电磁理论的建立
1820年奥斯特发现了电流的磁效应,通过实验得出了“运动电荷产生磁现象”的结论,人们认识到电和磁并不是两种孤立的物理现象,而是有着密切的关联。同年安培发现磁铁对载流导体有作用力,从而得出了“磁对运动电荷产生作用力”的结论。那么,既然电能产生磁,磁能产生电吗?法拉第经过多年的实验观察研究,于1831年发现把一根磁棒放入或移出螺线管,就会在其中产生电流,这就是著名的磁电感应现象。这一发现在科学史上具有重大意义,它揭示了电与磁相互联系和转化的重要条件。法拉第是一位伟大的实验物理学家,他的研究方法主要是通过实验来检验推动他的科学思想,其研究成果没有通过严谨的数学语言形式化,只是用自然语言把物理现象表述出来。
麦克斯韦对法拉第电磁学的研究成果非常感兴趣,他致力于从数学上阐述电磁理论。1855年他发表了《论法拉第力线》一文,文中第1部分将力线和不可压缩流体进行类比,把流体力学中的数学工具移用到电磁理论中,用通量、环流、散度、旋度等具有明确定义的量来定量描述抽象的电场、磁场在空间中的变化情况。在第2部分主要讨论电磁感应现象,首先系统阐述了法拉第的电磁感应定律;接着,麦克斯韦阐述了法拉第的电紧张态概念,指出法拉第的电动力取决于所处状态的力线数的改变。
随后在1861年到1862年间麦克斯韦分4个部分陆续发表了他的第二篇文章。在静电场、传导电流的基础上,扩充了电场、电流概念,独到地提出了涡旋电场、位移电流两个新观点。从而改写了电磁感应定律,修正了磁场环路定理,在电磁理論研究上取得了关键性的突破。变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,如此交替激发下去,交变的电磁场就会以波的形式向空间散步开去。麦克斯韦预言了电磁波的存在,并和当时已知的光速作比较,得到了一个非常重要的结论:“光是某种媒质横向波动,这种媒质正是产生电磁现象的同一媒质。”
2 麦克斯韦电磁理论的重要意义
麦克斯韦电磁理论在科学史上具有重大意义,其将电、磁、光和谐对称地统一起来。这是继牛顿完成物理学的第一次大统一以来的第二次大统一。麦克斯韦方程组显示了和谐的对称性,由麦克斯韦方程组导出的自由空间电场强度和磁场强度满足的方程完全对称,与波动方程一致,也就是说电场、磁场都是波,而光的本质也是波,显示了电、磁、光的统一。
麦克斯韦把电场、磁场与流速场类比,创造性地把流体力学的数学工具移植到电磁学中,使法拉第的科学思想数学化,这对建立电磁理论具有非常重大的意义。麦克斯韦在库仑定律、毕奥—萨伐尔定律、法拉第电磁感应定律这3个基本电磁实验定律的基础上,引如涡旋电场与位移电流2个假设,将这些定律与假设加以整合与推广从而得到麦克斯韦方程组。方程组定量地给出了电场与磁场以及产生这些场的电荷、稳恒电流及时变电流之间的关系。麦克斯韦方程组物理结构清晰,数学结构优美,电磁时空对称,逻辑体系严密。运用数学演绎,由麦克斯韦方程组可以自然而然地得到电磁波动方程,并求得波在真空中的传播速度就是光速C。这说明麦克斯韦方程组背后蕴含着深刻的物理内核。
麦克斯韦电磁场理论的建立标志着电磁学的研究发展到了一个全新的阶段,开拓了广泛的应用研究领域。电磁理论为通信、广播和信息传输技术的发展开拓了广阔的前行道路;推动了物质电磁性质的研究,促进了材料科学的发展,许多优质物性材料不断被发现;以电磁理论研究为基础的光学研究得到了突飞猛进的发展;对于以太的深入研究导致了狭义相对论的诞生。在纪念麦克斯韦诞生100周年时,爱因斯坦写道:“在麦克斯韦以前,人们以为物理实在——就它应当代表自然界中的事件而论——是质点,质点的变化完全是由那些服从全微分方程的运动组成的。在麦克斯韦之后,他们则认为,物理实在是由连续的场来代表的,它服从偏微分方程,不能对它作机械论的解释。实在概念的这一变革,是物理学自牛顿以来的一次最深刻的和最富有成效的变革。”
参考文献:
[1]白玄.十九世纪最深刻数学 物理学家—麦可斯韦[M].北京:中央文献出版社,2000.
[2] JC Maxwell, WD Niven The Scientific Papers of James Clerk Maxwell Cambridge University Press,2003.
[3]周兆平.破解电磁场奥秘的天才——麦克斯韦[M].合肥:安徽人民出版社,2001.
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