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电磁学（二）
2025-09-17
研究历史
早期认识
人类对电磁现象的认识大约始于5000年前。古代中国文明、玛雅文明、埃及文明都发现了天然铁磁性矿物具有吸引的特性，这个特性常常被用于艺术与建筑中。古籍中也常有闪电和静电现象的记载。约公元前600年，希腊哲学家泰勒斯（Thales, Θαλῆς）发现，琥珀用布摩擦可以带电，从而吸引稻草等较轻的物体。泰勒斯还试验了磁性岩石相互吸引的能力，并且假设这种现象与琥珀的吸引力有关。在这个时候，还没有电磁学的数学理论，人们常常通过宗教的视角来看待电磁现象。
经典理论简史
1735年，就有文献记载了电与磁之间的联系。文献中说："约克郡韦克菲尔德的一位商人在一个大箱子里存放了大量的刀叉，他把盒子放在一个大房间的角落里。突然发生了一场伴有雷声和闪电的暴风雨……店主在放着钉子的平台上清空盒子时发现，拿起放在钉子上的刀时，刀会将钉子吸附上去。我们尝试了其它金属物体，发现结果都是一样的，大钉子、包装针以及其它相当重的铁制品都会被刀吸引"。
1802年，意大利的吉安·多梅尼科·罗马尼奥西（Gian Domenico Romagnosi, romaɲˈɲoːzi）使用伏打堆偏转了磁针。该实验的设置尚不清楚，科学界也不知道是否有电流流过了针头。1802年，意大利报刊发表了罗马尼奥西的这个发现，但是这被当时的科学界忽视。
1820年4月，汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（Hans Christian Ørsted）观察到电线中电流会导致附近的罗盘指针移动。三个月后，他开始了更加深入的研究，并在不久后发表了他的发现：电流在流过电线时会产生磁场 。CGS磁感应装置（oersted）的命名是为了纪念他对电磁学的贡献 。
奥斯特的发现启发了安德烈·玛丽·安培（André-Marie Ampère）用数学形式来表示载流导体之间的磁力。安培后来提出了安培定理：磁场的环路积分正比于穿过环路的电流。
1831年，迈克尔·法拉第（MichaelFaraday）认识到了电磁力的统一，并提出了电磁感应定律。在詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）1861-1865年间的工作中，就已经有位移电流的概念了。1873年，麦克斯韦在《电磁通论》中总结电磁学的数学理论，提出了麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组成功地解释了静电、静磁、电生磁、磁生电四种电磁效应。奥利弗·赫维赛德（Oliver Heaviside）和海因里希·赫兹（Heinrich RudolfHertz, ˈhaɪnʁɪç hɛʁts）用更简洁的形式重新表述了麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组预言了电磁波。后来物理学家们认识到光是一种电磁波。
磁效应的探索
自吉尔伯特开始以来的二百多年，电和磁一直是毫无关系的两门学科，围绕电与磁寻找自然现象之间的联系，成为一种潮流。1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，继泰勒斯2400年之后，建立了电与磁的联系。
"顿牟缀芥，磁石引针"说明了磁现象。17世纪初，吉尔伯特断言，电磁之间没有因果关系；库仑也持相同观点。但：1731年一名英国商人的一箱新刀在闪电过后带上了磁性；电力与磁力都遵守平方反比定律，说明它们有类似的规律。1751年，富兰克林发现缝纫针经过莱顿瓶放电后磁化了。1774年，德国一家研究机构悬奖征解，题目是："电力和磁力是否存在实际和物理的相似性？"
奥斯特（1777~1851年）丹麦人，发现电流磁效应的第一人。1799年的博士论文《论外部自然的基本的形而上学范畴》中，阐述了康德哲学思想对科学的指导作用，并深受康德关于"基本力"可以转化为其它各种形式的力的观点影响，1803年，旅游德国时，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。这些都为奥斯特发现电流磁效应打下了基础。
（1）1803年他曾说："人们的物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及人们所知道的任何其他现象的零散的罗列，人们将把整个宇宙容纳在一个体系中。"他认为"自然力之统一"。
（2）1812年发表《关于化学力和电力的同一性研究》，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。并指出:"人们应该检验的是，究竟电是否以其最隐蔽的方式对磁体有所影响。"
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（3）但是他认为电流对磁体的作用是纵向的（即沿着电流的方向），所以他的猜测一直未能实现。他在通电的导线前面放一根磁针，企图用通电的导线去吸引磁针。然而，导线灼热了，甚至烧红发光了，磁针毫无动静。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。
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（4）1819冬--1820年4月，奥斯特在给学生讲"电学、伽伐尼电流和磁学"的课程时，他考虑：电流产生的磁效应是否像电流通过导线时产生的热和光那样向四周散射，即是一种侧（横）向作用呢？在一次讲课中，他尝试将磁针放在导线的侧面。当他接通电源时，发现磁针轻微的晃动了一下！ 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西就要实现了。奥斯特紧抓不放，经过反复实验，查明了电流具有磁效应。1820年7月21日，发表了《电流对磁针的作用的实验》，引起了学术界的轰动。
（5）电冲突和螺旋线：奥斯特把导体周围空间发生的这种效应称为"电冲突"指出："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，
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或螺旋线。"
（6）旋转力与中心力：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体连线上的吸引或排斥力，即直接推拉性质的"中心力"。而奥斯特发现的却是一种"旋转力"。他所说的"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直观描述。是"场"的思想的开端。
麦克斯韦方程的建立
物理类比
1855年发表《论法拉第力线》，他以一种几何观点，为法拉第的力线作出了数学描绘。他在文章中写到："如果人们从任意一点画一条线，并且当人们沿这条线走时，线上任一点的方向，总是和该点力的方向重合，那么这条曲线就表示他所通过的各点的合力的方向，并且在这个意义上才称为力线。用同样的方法人们可以画出其它力线。直到曲线充满整个空间以表示任一指定点的方向。"这样，力线的切线方向就是电场力的方向，力线的密度表示电场力的大小。
麦克斯韦用类比的方法，把力线看作不可压缩的流体的流线。由此他把力线、力管等与流体力学的理论做比较，如把正、负电荷比作流体的源和汇，电力线比作流管，电场强度比作流速等，引入一种新的矢量函数来描述电磁场。可以说把法拉第的物理翻译成了数学。在文章中，麦可斯韦导出了电流四周的磁力线和磁力之间的关系，表示描述电流和磁力线的一些物理量之间的定量关系的矢量微分方程，以及电流间作用力和电磁感应定律的定量公式。当法拉第看到麦可斯韦的文章后赞叹到："我惊讶的看到，这个主题居然处理的如此之好！"
1860年，70岁的法拉第和30岁的年轻人麦克斯韦见面了，建立电磁理论的共同心愿超越了年龄的鸿沟，法拉第对麦克斯韦说："你不要停留在用数学来解释我的观点上，而应该突破它。"
