電磁場理論發(fā)展史

1、電磁場理論在法拉弟發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的那一年，英國誕生了一位偉大的科學家麥克斯韋，他因創(chuàng)立電磁場理論而成為十九世紀最偉大的物理學家麥克斯韋創(chuàng)立電磁場理論的思路與方法大致如下一、歷史的前奏在麥克斯韋以前，解釋電磁相互作用有兩種相互對立的觀點一種是超距作用學說即在研究兩個電荷之間相互作用力時，忽略中介空間的作用，電荷會超越空間距離而互相作用，庫侖、韋伯、安培等人都是主張用超距作用學說來解釋電磁相互作用的這種學說當時擁有數(shù)學基礎(chǔ)另一種是媒遞作用

2、學說認為空間有一種能傳遞電力的媒質(zhì)（稱作以太）存在，電荷間通過媒質(zhì)互相作用法拉弟通過實驗揭露了空間媒質(zhì)的重要作用，他認為在空間媒質(zhì)中充滿了電力線，即通過場來傳遞，但媒遞作用學說還沒有數(shù)學基礎(chǔ)，不易被人接受也使其發(fā)展受到了阻礙麥克斯韋功績就在于建立了電磁場理論并促進了它的發(fā)展他中學時曾在數(shù)學和詩歌比賽中獲第一名，這顯示了他的數(shù)學才華與豐富的想象力方面的潛力他年輕時曾讀過法拉弟的《電學實驗研究》，對法拉弟的物理思想（如電力線和場的思想）十分

3、推崇，同時也發(fā)現(xiàn)了它的弱點麥克斯韋對電磁相互作用的超距觀點早就表示“不能接受即時傳播的思想“，在法拉弟的物理思想影響下，他決心“為法拉弟的場概念提供數(shù)學方法的基礎(chǔ)“二、麥克斯韋創(chuàng)立電磁場理論麥克斯韋創(chuàng)立電磁場理論可分為三個階段：第一階段，統(tǒng)一已知電磁定律麥克斯韋于1856年發(fā)表了他的第一篇論文《論法拉弟的力線》，在這篇文章中，他試圖用數(shù)學語言精確地表述法拉弟的力線概念，他采用數(shù)學推論與物理類比相結(jié)合的方法，以假想流體的力學模型去模擬電磁

4、現(xiàn)象他說：“借助于這種類比，我試圖以一種方便的和易于處理的形式為研究電現(xiàn)象提供必要的數(shù)學觀念“他的目標是想據(jù)此統(tǒng)一已知的電磁學定律麥克斯韋為達到此目的，他運用了“建立力學模型引出基本公式進行數(shù)學引伸推導“的解決科學問題的思路和方法第一步，建立力學模型首先運用類比方法，麥克斯韋把電磁現(xiàn)象和力學現(xiàn)象做了類比，認為可以建立一種不可壓縮流體的力學模型來模擬電磁現(xiàn)象這種流體模型為：一是沒有慣性，因而也就沒有質(zhì)量；二是不可壓縮；三是可以從無產(chǎn)生，又

5、可消失顯然這是一種假設(shè)理想流體麥克斯韋在這篇文章中寫道：“我企圖把一個在空間畫力線的清楚概念擺在一個幾何學家的面前，并利用一個流體的流線的概念，說明如何畫出這些流線來““力線的切線方向就是電場力的方向，力線的密度表示電場力的大小“他企圖闡明電力線和電力線所在空間之間的幾何關(guān)系他還試圖通過類比憑借已知的力學公式推導出電磁學公式，尋求這兩種不同的現(xiàn)象在數(shù)學形式上的類似第二步，引出基本公式早在1842年，W湯姆遜就曾把拉普拉斯的勢函數(shù)的二階微

6、分方程，普遍用于熱、電和磁的運動，建立了這三種相似現(xiàn)象的數(shù)學聯(lián)系1847年，他又在不可壓縮流體的流線連續(xù)性基礎(chǔ)上，論述了電磁現(xiàn)象和流體力學現(xiàn)象的共同性麥克斯韋正是吸收了W湯姆遜這種類比方法，把它發(fā)展成為研究各種力線的重要工具例如麥克斯韋把電學中的勢等效于流產(chǎn)生平移；在兩個旋轉(zhuǎn)方向的分子間，電粒子不發(fā)生轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生平動，從而形成電流如右圖，六方形表示渦旋分子，小圓圈表示電粒子，磁場方向由“＋““－“表示“＋“表示磁場穿出紙面，“－“穿入紙面

7、放在A→B線上形成了位移電流麥克斯韋從這個渦旋模型出發(fā)，利用它進行唯象的思考，從物理意義一項，實現(xiàn)玻恩所說的“數(shù)學上的完美“麥克斯韋進一步以位移電流的概念為物理基礎(chǔ)，根據(jù)力學定律進行數(shù)學模擬，以彈性力學中的力、粒子流密度、及對旋渦轉(zhuǎn)速的影響分別模擬電場強度、傳導電流和磁場強度，從而建立起全電流的電磁場方程：第三階段，揭示電磁場動力學本質(zhì)1864年，麥克斯韋又發(fā)表了第三篇著名的論文《電磁場的動力理論》在這篇論文中，麥克斯韋舍棄了他原來提出

8、的力學模型而完全轉(zhuǎn)向場論的觀點，并明確論述了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的統(tǒng)一性，奠定了光的電磁理論的基礎(chǔ)麥克斯韋首先談到由于電磁相互作用不僅與距離有關(guān)，而且依賴于相對速度，不應(yīng)以超距作用為出發(fā)點他仍然假設(shè)產(chǎn)生電磁現(xiàn)象的作用力是同樣在空間媒質(zhì)中和在電磁物質(zhì)中進行的，在真空中有以太媒質(zhì)存在，這種以太媒質(zhì)彌漫整個空間，滲透物體內(nèi)部，具有能量密度，并能夠以有限速度傳播電磁作用麥克斯韋借助于以太媒質(zhì)這種力學圖象來描述真空場的概念，把以太媒質(zhì)作為介電常數(shù)ε=

9、1（真空場）的“電介質(zhì)“當電介質(zhì)極化時，在分子范圍內(nèi)發(fā)生微觀電荷移動的現(xiàn)象，這種微觀電荷移動產(chǎn)生一種瞬息電流他假設(shè)在真空中，由于以太媒質(zhì)的存在，電場變化時同樣也有位移電流出現(xiàn)位移電流和傳導電流一樣，也按照畢奧薩伐爾定律的規(guī)律產(chǎn)生磁場位移電流和傳導電流疊加起來的總電流（即全電流）線是閉合的在真空位移電流概念的基礎(chǔ)上，麥克斯韋建立了由二十個分量方程組成的電磁場方程組麥克斯韋還采用拉格朗日與哈密頓的數(shù)學方法，推導出電磁場的波動方程方程表明，電

10、場和磁場以波動形式傳播，二者相互垂直并都垂直于傳播方向若在空間某一區(qū)域中的電場發(fā)生了變化，在它鄰近的區(qū)域就會產(chǎn)生變化的磁場；這個變化的磁場又會在較遠的區(qū)域產(chǎn)生變化的電場，變化的電場與變化的磁場不斷相互產(chǎn)生，就會以波的形式在空間散開，即以波的形式傳播，稱為電磁波電場與磁場具有不可分割的聯(lián)系，是一個整體，即電磁場在麥克斯韋推出的方程中，他引入了一個電磁場能量方程，他指出，在超距作用理論中，能量只能存在于帶電體、電路和磁體中，而根據(jù)新的理論，

11、能量則存在于電磁場和這些物體中這樣，能量就被定域于整個電磁場空間，從而深刻地揭示了電磁場的物質(zhì)實在性它同時還說明了電磁波就是能量的傳播過程從平面電磁波的定量研究中，麥克斯韋證明了決定電磁波傳播速度的“彈性模量“與電介質(zhì)的性質(zhì)相聯(lián)系，“介質(zhì)密度“與磁介質(zhì)的性質(zhì)相聯(lián)系，從而求出了電磁波的傳播速度公式，得到了與《論物理的力線》中相同的結(jié)論，即真空中電磁波的速度恰好等于光速，這使麥克斯韋得出了：“光是一種按照電磁定律在場內(nèi)傳播的電磁擾動“的結(jié)論

12、1868年，麥克斯韋發(fā)表了一篇論文《關(guān)于光的電磁理論》，明確地創(chuàng)立了光的電磁學說他說：“光也是電磁波的一種，光是一種能看得見的電磁波“這樣，麥克斯韋就把原來相互獨立的電、磁和光都統(tǒng)一起來了，成為十九世紀物理學上實現(xiàn)的一次重大理論綜合1873年麥克斯韋出版電磁理論的經(jīng)典著作《論電和磁》在這部著作中，麥克斯韋對電磁理論作了全面系統(tǒng)和嚴密的論述，并從數(shù)學上證明了方程組解的唯一性，從而表明這個方程組是能夠精確地反映電磁場的客觀運動規(guī)律的完整理論