电磁学的巨人－－法拉第和麦克斯韦

电磁学的巨人--法拉第和麦克斯韦 ;>Z#1~8  
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B /Dj2  
　　1．法拉第青年时代与早期的科学工作 法拉第出生于萨里群纽因顿，他的父亲 [ >vS+G  
是位铁匠，家境贫寒。五岁时随父母到了伦敦。十三岁到家书店当学徒，起初送报 9N'$Y*. d<  
，后来学装订。工余时间他自学化学和物理，并动手做实验，验证书上的内容。《 WpmypkJA#  
大英百科全书》中吉尔伯特，富兰克林等人关于电学的研究成果及伦敦一个医生的 lXB_HDY  
妻子玛西特夫人所写的科普读物《化学漫谈》对他影响很深。由于法拉第积极参加 Y-9]J(  
一些科学报告会和讨论会，因而结交了英国皇家研究所的顿斯，1812年2月顿斯帮助 MTLcLmdO  
他参加了著名化学家戴维（Humphrey Davy 1778-1829）在皇家学会的四次化学讲座 %lV>Nc|iz=  
，每次他都细心笔录，清理成稿。同年10月，法拉第学徒期满，又到法国人开的书 >6<g5ps.n  
店当了正式的装订工，但他对这种工作并不满意。他曾说："我渴望离开商业工作， KP:O]520  
我认为这是不道德的和自私的，我希望进入科学部门工作，……，这个想法促使我 C*c=@VAa  
最后迈出大胆和天真的一步，我给戴维写了一封信，表示我的愿望……"同时附上他 e3(0L I  
精心整理的笔记。戴维给他复了信，并约见了他。1813年3月戴维把法拉第推荐到皇 )
;,#H`'  
家研究所实验室作他的助理实验员。 UejG$JyHP  
sPd5f2'  
1813年10月，法拉第随戴维到欧洲大陆作科学考察旅行，考察经历了法国，意大利 lg!1q8  
和瑞士，历时18个月。法拉第在这次学术考察中详细记载了戴维在各地的讲学内容 &Kjqdp  
，参观了各国科学家的实验室，结识了安培、盖吕萨克等著名科学家，并了解了他 G&3j/5V  
们的实验方法，吸取了他们的科学研究方法，扩大了眼界，也为自己日后从事的科 JaIj9KLNX  
学研究奠定了坚实的基础。 　　 ;$|+H"g|  
Ylo@  
2．研究经历及成果 TOBAh.1  
ngdVRJL  
　　2．1 .电磁转动--法拉第的第一个伟大发现 t^h>~o'\  
w#JF7;  
　　1821年4月的一天，当沃拉斯顿教授找到戴维， ?V7[,I1?  
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从口袋里拿出一张画有草图的纸。他向戴维解释到， yn%w'  
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照他图上画的那样--在两个金属碗中间夹一根直导 FWD9!M
K  
Nwu#,f=X  
线，通上电，然后拿一根磁棒移近导线，导线就会绕 mTs[3opg  
v`v+M4upC  
着自己的轴转起来。当仪器安装好，试了好几次，可 y()#FRp7  
x,p|n  
能出现毛病的地方都一个个找了，导线与铜碗的接触 hs/nM"V  
qrt+{5/t  
是良好的，确实有较大的电流通过导线，磁场很强离  OSSMIPr  
BwL:B\  
导线很近，可就是不转。法拉第仔细听了两位科学家 071wo7  
XeZv%` ?  
对这个实验的讨论，勾起了法拉第十几年前在做学徒 I7[+:?2  
Sfvi|kZX  
时摆弄起电机、莱顿瓶……的回忆，像一粒火种落到 }[75`pC~O  
hcN$p2-  
一堆干柴上，法拉第重新研究起电来。研究电和磁， $s) ^zm~  
y ruN5  
选甚麽问题呢？很自然，他想起了沃拉斯顿和戴维没有做成功的实验。当他研究了 VvoJ85  
奥斯特的实验，他手拿磁针，绕着导线转。这样，这样，这样……一根磁针是这样 -iJ[9O  
，如果导线周围有许多磁针，它们就会形成一个圆，这些圆向着同一个方向。对原 u6%56 %^f  
来磁针来说，是"想"绕着通电导线转，导线当然也"想"绕着磁针转，这是作用与反 />$)o7U`+  
作用的关系。法拉第豁然开朗了。原来沃拉斯顿和戴维弄错了，不是通电导线绕着 wI`uAZ="  
自己的轴转，应该是通电导线绕着磁铁的磁极转，应该是公转，不是自转。 69IBG,N'  
:$94y{  
法拉第想通了道理，马上动手做实验。他是用两个大铜盒，铜盒上挖槽作轨道，上 ^ro?.,c T  
下两个铜盒，中间夹一根铜棒：夹紧了转不动，夹松了上下接触不好，导线也立不 Dnd  
住。法拉第想了好几天，9月3日他终于想出了一个绝妙的办法：在一个玻璃缸的中 b
k>M4l61  
央立一根磁棒，磁棒用蜡"粘"在缸底，缸里倒上水银，刚好露出一个磁极。把一根 (:hPT-1  
粗铜丝扎在一块软木上，让软木浮在水银面上，导线下端通过水银接到伏打堆的一 6Qx
LHQA  
个极上，导线上端通过一根又软又细的铜线接到伏打堆的另一个极上，当接通电路 k@wT,?kD  
后，导线转动了！ {AcKBib  
?=PQQx2_*u  
法拉第是一位实验巨匠，善于设计巧妙的实验，在这里我们可以略见一二。 *, {b]6v  
sL!6-[N  
　　2．2 电磁感应的发现和场概念的诞生 J@R+t6$3O  
H=wmN0s{<  
　　1820年，H．C．奥斯特发现电流能使其周围的磁针发生偏转。这给法拉第两个 $jw!DrE  
启示：第一，通电导线对磁铁有影响，反过来，磁铁当然也应该对通电导线有影响 !(o)*S  
，在上述实验中，法拉第已证实了这一点。第二，在奥斯特实验中，通电流的导线 bBDgyFSI<  
所以能使磁针偏转，是因为电流产生了磁，既然电流能够产生磁，那麽反过来，磁 >i=O =w  
当然也应该能够产生电流。这是法拉第想要实现的，也是电磁感应的思想起源。18 *1elUI2Rg  
24到1828年，法拉第做了四次实验，全都失败了，但法拉第没有轻易认输。1825年 DU[UGJg  
，英国电学家斯特詹发明了电磁铁。不久后，美国青年物理学家亨利进行改进，这 >iG`  
给了法拉第不少启示和信心的支持。1831年8月29日，法拉第又做了一次堪称十九世 pf2$%lE  
纪最伟大、最杰出的实验。 p*dez!  
@<w$QD  
实验记录如下： F<^,j7@  
C6/,-?%)  
（一） 实验了磁产生电，等等，等等。 WOg_Pn9HI  
=-vk}O0C  
（二） 用软铁做了个圆铁环，厚度七分，外径六寸。在铁环的半边绕了许多匝铜线 ]jy6C'Mp  
，匝间用线和布绝缘--共有三个线圈，每个用二十四尺的铜线绕成，它们可以联成 Ky$<
WZs  
一个线圈，也可以分别使用。用电槽进行了实验，三个线圈彼此之间是绝缘的，把 j.m-6  
铁环的一边称作A。中间空开一点距离，再在铁环另一边用两根铜线绕成两根线圈， %*/?k~53  
总距离大约是六十尺，绕向和前述线圈一致这一边称为B。 MKQa&Dvw  
}"3L>%Q5  
（三） 把十个电池连在一起，每个电池极板的面积是四平方寸，把B边的两个线圈 jh=:QP/  
联成一个线圈，把它的两个端点用一根铜线联接起来，那根铜线恰好在磁针上面一 ;JAe=wt^'I  
点，然后，把A边一个线圈的两端和电池联接；立即对磁针产生了可以观察到的作用 ;Y)?6^"  
。磁针振荡了，最后回复到原来的位置。当断开A边和电池之间的联接，磁针又一次 Qp-nr]  
受到了扰动。 0|NbU  
@B1rtw6  
（四） 把A边的所有导线联成一个线圈，使电池的电流流过全部线圈。对磁针的影 t[^}/ S  
响比以前强得多。 bJe^x;J9  
vKI,|UD&-  
这是一个划时代的成功，今天工业上，家庭使用的变压器就是根据这个原理制造出 H,\c"  
来的。然而法拉第却不满足，因为感应不出稳定的电流，且电流很弱，瞬息即逝。 );$~/H4  
A边电流一稳定，B边的电流就消失。即使B边感应出稳定的电流，它也只是电转化为 KK7Y"~ 9&-  
电，不是法拉第理想中的把磁转变为电。 CBO8^M<K  
S'?XI@t[  
　　3．最伟大的发现--电磁感应 hL8QA!  
%3kqBH!d  
　　法拉第有一个习惯，每当做出一个新发现之后，他总要改进仪器，变换条件， Y$'fds4P  
从各个角度对这个新发现进行细致、透彻的研究。"伏打电感应"微弱，转瞬即逝， -@i2]o  
但毕竟是一个全新现象，它预示电和磁之间有一种不平常的关系。 WM>9sJf  
S&]JY  
法拉第首先改进仪器，用悬线电流计代替 _b#9^2o  
blS*HKw  
小磁针，这样就能比较精确的测定A边电流接 ;GvyL>|-~  
`@`Q"J  
通或断开时B边感应电流的大小。法拉第又将 mX"z$  
u2!8'-Ai  
铁环改成铁棒，仍旧有感应电流产生，但比用 H]}- U8}sp  
ss-Be  
铁环时弱。后来他又用硬纸做成一个芯子，把 E8?Q>%_  
tfdP#1E  
A、 B都绕在它上面，断开或接通的瞬间弦线 g\X"E>X  
pX!S*(Q{  
电流计小磁针仍略有偏转，比起铁芯却小得多。 qk:F6kL\`  
27Lya!/  
法拉第明白了"伏打电感应"，实际上是通过磁 VT+GmS  
/n:s9eq  
来传递的。法拉第又进一步研究为什麽接通或 w0Us8JNGz  
!8P#t{2_|  
断开时才能感应出电流。答案得出来了，条件 W'6*$Ron  
V{a7@_y  
是磁的变化。那麽，为什麽要用电来产生磁的 ~_h4
|vG  
(hmasy6hM  
变化，为什麽不直接用磁来产生磁的变化呢？ Y6g[y\*t  
Q}]Q0'X8  
法拉第这种追根溯源的精神引导着他一步步靠近了成功。他马上又开始实验，在硬 hDz_BvE  
纸管上绕一个线圈，拿起一根磁棒迅速的插入或拔出纸管时，指针摆动了一下，法 op}x}Ioz  
拉第多年的理想实现了。然而， .. iv5
6zsR  
46$u}"E  

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4．成功的因素 x6F\|nb  
]4hXK!^Uu  
4．1 坚定的信念 =Jem.Ph  
36lIV,YnU  
　 把磁转变为电，这个念头是从法拉第坚定的哲学信念中来的。他认为自然界是统 YM#XV*P0 q  
一的、和谐的，电和磁是彼此联系的，大自然中万物纷呈，变化无穷。电能生光、 9E (>mN  
生热、生磁。现在又发现了电磁感应，磁也能产生电……所谓的电、磁、光、热、 R2M,VK?Wx  
以至化学亲和力和万有引力，这千变万化的力实质上是根源于同一的力，它们不过 0aGfz=V&  
是名称不同、表现形式不同罢了。当时一般人都认为，只有伏打电才能使化合物分 z.[L1AGa|s  
解，法拉第却偏偏用起电机产生了普通电，用电磁感应产生的磁电、用动物电去电 W*8D@a0 _  
解化合物……法拉第坚定的哲学信念支撑着他艰辛的科学研究之路，使他一步步迈 $\a;?>WA"  
向成功。反过来，他的成功又为坚定的信念--自然界是和谐的、统一的，提供了有 B&L{/.v_z\  
力的证据。借助于科学大师们高尚的科学信念与思想，去引导我们认识自然界的质 {)F-US  
朴、统一，从而对培养我们的科学鉴赏力有很大的帮助。 t,MK#Ko  
eIg2m <9u  
4． 2 敏锐的洞察力 #=
$4U!yL  
~|!q>z  
　 费曼曾说过?quot;干物理得有鉴赏力。"所谓鉴赏力，就是那种善于从真、善、
'}XW  
美的结合上敏锐抓住事物的本质去创建理论的能力。物理学是洞察力的一种形式。 TTqOAo[-Z  
法拉第只上过小学，数学修养很差，但有极强的物理直观能力及敏锐的洞察力，他 M2V.FYV{j>  
用这种能力弥补了自己的不足。法拉第又以善于设计各种巧妙的实验著称，实验又 i*2z7MY  
人为地创造了提供观察的条件，这两个相辅相成、相互促进的因素集于法拉第一身 8N|*n"`}  
，在法拉第的成功过程中起着决定性的作用。善观察者，可以见常人所未见；不善 $ar:5kif  
观察者，入宝山空手而归。在法拉第研究电磁感应的同时，科拉顿也在做这个实验 /:%^Vh3XF  
，但是结果法拉第成功了，科拉顿却错失良机，与成功失之交臂，这就是一个很好 n1$##=wK]  
的见证。不管是敏锐的洞察力，还是实验技能，都是创新能力的重要方面。因而我 nPv2: x  
们在日常的实践活动中，要重视观察能力、动手能力等创新能力的培养，这是我们 FRfMtx
vU  
应该从法拉第身上学习的最为宝贵的东西。 +ES.O]?>  
9Z#37)  
4． 3 追根溯源，不懈的努力 zBc7bbK  
0BE%~W  
　 为了将磁转化为电，法拉第在1824到1828的四年里，他做了多次尝试，但无一例 D Zh6/n#q  
外的都失败了。虽然我们前面已经提到，他有坚定的哲学信念的支持，但是法拉第 Y*"%;e$tg  
如果是一个轻易认输的人，不坚持不懈努力的话，那麽，发现电磁感应的将另是他 P.[>x  
人。经过四年无数次失败的打击，法拉第却"咬定青山不放松"，这是法拉第成功、 85s{;3  
每一个科学家成功、我们每个人有所建树的过程中必不可少的因素。还有要提到的 6W#+U<  
是，法拉第那种刨根问底，追根溯源的精神。从前面法拉第的经历来看，如果没有 A"9aEOX-?i  
这种精神，那麽，在第一个发现之后他就有可能停滞不前，因为那是世界上第一个 Jl5<9x  
马达，他已经获得了一定的荣誉；如果没有这种精神，那麽，他在发明了变压器之 3V,X=  
后就又可能停滞，因为那是他又一个重要发明。正是由于法拉第具备了这种刨根问 6aK%s{%3s  
底、追根溯源的精神，才使他在科学研究的道路上没有为路边的朵朵鲜花所留恋，  W#??fae  
而一直走到了远方的宝殿--电磁感应。 Fs&m'g  
l~f +h?cF  
4． 4 实事求是，尊重科学事实
]enqkiS  
`knw1,qL"  
　 1832年法拉第宣告他发明了电磁感应之后，安培声称，实际上他在1832年就已经 q F}5mUcZ4  
发现了一个电流能够感应出另一个电流。事实的确如此。安培在他的一次实验中已 Ha 3XH_  
经作出结论："感应能够产生电流这一事实，尽管它本身是很有趣的，但它与电动力 EBebyQcon  
作用的总体理论是无关的。"安培未能发现电磁感应的原因是他把他的分子电流理论 N ~LR  
看的极为重要，而电磁感应却是他最不愿看到的事情。这是因为，如果他承认在实 e HOm^.gd  
验中产生的同轴电流，那麽他的宝贵的理论就无立足之地了。他在1822年写的实验 DJ<e=F!  
日记中的结论表明：无论他观察到什麽，他都会坚持把它解释成分子电流，或者至 R>Zn$%j\  
少是分子样大小的电流的存在依据。安培被他自己的理论完全囚?恕Ｈ欢?胬硎遣 ?xeq*<qfI  
灰匀说囊庵疚??频摹Ｋ淙坏笔卑才嘁言诳蒲Ы缦碛幸欢ǖ纳????ɡ?诿挥斜 a(}jn|  
蝗ㄍ??笥遥?庖坏阍谒?罄捶⒄棺约旱某÷凼庇肱６俚某?嗬砺壑?涞拿?苤幸 9jvg[H  
渤浞直硐殖隼础Ｕ?欠ɡ?诩岢"实践是检验真理的唯一标准"，尊重科学事实和实 zpa'G1v  
事求是的作风，使他在科学研究的道路中坚持了正确的方向。 X\$M _b>O  
g%\e80~1(  
5．麦克斯韦的电磁学思想及发展 OTV)#,occ  
DR=>la}!  
5．1 麦克斯韦的成长经历及思想的形成 4P`\fz  
MvRuW:  
　　1831年11月13 日，刚好在法拉第发现电磁感应不久，麦克斯韦出生在苏格兰首 o-x_[I|@  
府爱丁堡。跟出身寒微的法拉第不同，他家学渊博，祖上有不少名流学者。父亲在 TyK; q{  
乡下有产业；职业是律师 ，兴趣却在科学技术上，他爱设计机器、爱科学、爱提问 huN(Q{fj  
。麦克斯韦从小受到熏陶，上中学时已才华出众，第二年考入爱丁堡大学。三年后 @MN>ye'T  
转入剑桥大学，以甲等数学第二名的优异成绩毕业。麦克斯韦受父亲的影响，他对 06=eA0JI  
实际问题感兴趣，他的研究题目都是怎样运用数学解决物理学、天文学或工程问题 c85B-/  
。 Y ,}p  
c%B=TAs5c  
　 麦克斯韦从剑桥大学毕业后，最初研究光的色彩理论。不久他读到法拉第的电磁 O050Q5zy  
实验研究。用充满力线的场代替牛顿的真空，用力在场中以波的形式和有限的速度 B8IfE`  
代替牛顿的超距作用，这不同凡响的大胆见解唤起了麦克斯韦的想象力，引起了他 AJmS1 B  
的共鸣。然而麦克斯韦也看到，法拉第的表述方法不够严格，有漏洞，正是在这里 |-e=P9,  
他可以大显身手，施展自己的数学才能。 `zep`j&8^  
IA+>dr  
　 1855年12月10日，麦克斯韦在剑桥大学宣读了他的第一篇电磁学论文"论法拉第 ,*C^ixNE  
的力线"。他开宗名义，第一句话是："关于电的科学，目前的状况对于思考特别不 bH,Jddc  
利"。麦克斯韦要改进这种状况。他运用法拉第的力线思想，把法拉第发现的种种迥 &1Az`[zKGW  
然不同的现象彼此之间的内在联系，清楚地展现在数学家、物理学家们面前。要作 +_`F@^R_  
到这一点，必须具备两方面的条件：第一，要澄清物理概念，建立一个物理模型， }D=h"\_=  
以便类比借鉴；第二，要运用数学工具，给出精确的数量关系。法拉第对电流周围 }f
({03$  
的磁力线所作的物理描述，被麦克斯韦概?乀一个矢量微分方程。这是一个良好的开 ~" $9auQtC  
端，法拉第的物理直觉能力和麦克斯韦的数学分析技巧开始会合了。 JG4&eK$-  
ltD:w{PO]  
5． 2 优势互补，完美的结合 &0ULj6jj  
134wK]d^  
　 法拉第比麦克斯韦年长四十岁，他们的出身、所受的教育、性格、爱好截然不同 '
ugG^2Y  
。一个来自社会最低层，一个门第高贵。一个连小学也没毕业，一个是名牌大学的 m\~[^H~g  
高才生。法拉第讲话娓娓动听，引人入胜；麦克斯韦才思敏捷，言辞锋利，却不管 Z:n33xh=<  
听的人懂不懂，只管自己发挥。一个是实验巨匠，一个是数学高手。一个善于运用 _l/6Qpf  
直觉，把握住物理现象的本质，设计巧妙的实验、观察、记录、归纳；一个擅长建 {'vvE3iZ  
立物理模型运用数学技巧、演绎、分析、提高。如果把他们两个人的特点集于一身 )}6:Ke)  
，那就是一个理想的物理学家了。现在他们确实汇集在一起。他们坚信场的物质性 Lnj5EY er  
，反对牛顿的超距作用；他们的目标是一致的--建立一个全新的、不从属于牛顿自 50'6l X(v,  
然哲学体系的电磁学理论。 q#WqU8~Y  
Riw>cVi~  
5． 3 电磁理论的发展和完善 +osY iP5  
+bQn2PG=  
　 在麦科斯韦建立他的电磁理论之前，诺埃曼、韦伯等德国物理学家继承了安培的 s5z@`M5'm  
超距作用观点，对电磁现象的研究做过不少贡献，形成了电动力学的所谓大陆学派 {'X"9@  
。但是，他们企图在力学的框架内理解电磁现象，提出各种复杂的相互作用"势"来 JLG5`{  
描述电磁过程，理论复杂而不自然，未能建立一个统一的理论体系。而麦克斯韦则 / Sp+MB9  
继承了法拉第的近距离作用观念，取得了决定性的进展。 IGI2).$[  
mybDK'EW  
麦克斯韦走了三大步才建立起电磁理论，前后历时十余年。他一开始就把注意力集 95(VY)_6#A  
中到法拉第的力线上。 zR5D)`Ph
 

ivGxtx  
1856年，他发表了电磁理论方面的第一篇论文"论法拉第的力线"。在开尔文对热传 ~S=hxKI  
导现象、流体运动和电磁力线的类比研究的基础上，首次试图将法拉第的力线概念 fc\hQXYv  
表述成精确的数学形式。他在文中给出了电场的已知定律的微分关系式。 "#JoB X@yE  
wTTQIo60  
1862年，他发表了第二篇论文"论物理的力线"。在这篇论文中，他提出一个分子涡 [jLx}\]  
流以太模型，通过数学计算可以得出电学和磁学中全部已知的基本定律。除此之外 =l_eliM/  
，麦克斯韦还在这个模型的基础上引入了"位移电流"的概念：变化电场引起介质电 z&-`<uV~  
位移的变化，这种变化与传导电流一样在周围空间激发磁场。位移电流完全是麦克 $~9U-B\  
斯韦的独创（在没有任何实验提示的情况下，只是为了保证理论的自恰性--与电荷 -,+JE0[  
守恒定律兼容而大胆引入的）。因此，麦克斯韦电磁理论决不仅仅是法拉第的思想 ?jOpW1  
的数学精确化。提出位移电流不但保证了理论的自恰性，而且使理论具有一种对移 9(
B)  
性：变化的电场在周围的空间激发涡旋磁场，变化的磁场在周围的空间激发涡旋电 1-JWqV(#?  
场，这就为脱离场源而交互变化的电场和磁场--电磁场的独立存在提供了依据。电 [Zua7&(5  
磁场是一种新型的运动，以横波的形式在空间传播，形成所谓的电磁波。 lX7#3ti:  
X0C\87xfG  
　　1865年，他发表了第三篇论文"电磁场的动力理论"。他不再用他过去提出的以 s ^}V  
太模型，而是通过数学解析方法，总结了以他的名字命名的电磁场基本方程--麦克 Y<M}'t  
斯韦方程组。由这个方程组，他推出电磁场所满足的波动方程，预言了电磁波的存 PB9<jj;  
在。由于算出的电磁波在真空中传播速度与真空的光速相同，麦克斯韦断言光就是 S63L>p|ml  
频率在某一范围的电磁波，建立了光的电磁理论。这是理论和实验相结合的硕果。 yBr{nFOgdY  
/Pf7=P  
S@*@*>s^  
6． 4 伟大之处 YE-kdzff
 
;N,7#l|wi  
　　麦克斯韦扎实的数学基础为他的成功奠定了基础。数学作为物理研究的工具是 ^.<IT"  
极为重要的。麦克斯韦如果没有扎实的数学功底、严密的逻辑思维能力，就不可能 f|apk,o_  
得出麦氏关系，这一点是不容质疑的。还要说明的是：麦克斯韦先用以太模型导出 E]7G4  
新的方程组，然后又敢于舍弃原来的力学比拟，让电磁场理论从机械论框架中解脱 _p~ `nQ=7  
出来，成为独立的对象，这就是麦克斯韦的伟大之处。有人曾这样比喻：对麦克斯 8)H"w
$jq  
韦来说，机械模型就好像建筑高楼大厦时的脚手架，楼房建好之后，脚手架就一点 , D&FCs%v  
一点地被拆掉了。这一点和我们前面提到的安培形成鲜明的对比，安培完全被自己
2 na8G  
的理论框架囚禁了，从而失去了发现电磁感应的机会。这其实是创新思维在科学发 <LLSUk/  
展进程中重要作用的一个典型实例，对于我们今天在教与学的过程中要进行创新思 2<J82(4j  
维意识的培养具有一定的启发作用。 @lBH@HR=C  
A&t}s #3  
六．电磁理论的意义 %_3{Db`R>  
Ep'C FNbtW  
　　麦克斯韦方程组被列入"改变世界面貌的10个公式"之一，当法拉第和麦克斯韦 e~}+.B0  
将电磁学的大厦建立起来以后，又出现了一位杰出的物理学家--赫兹。他用实验证 0 Q1}u@G  
实了电磁波的存在。之后不到六年时间，意大利的马可尼和俄国的波波夫就分别实 4mPg; n  
现了无线电的长距离传播。无线电报、无线电广播、无线电话、电视、雷达，数不 m.4y=69 &  
尽的无线电技术蓬勃发展起来，使人类的生活达到了空前的丰富、多 g1}RA@9  
--

　　　　　　　　　　 %f>V\z_C  
PgxU;N7Y  
　　 Lu<'A4Q1  
4．成功的因素 SIg=_oa  
<4VUzgX2  
4．1 坚定的信念 <Siz5qQI4  
MbJV)*Q  
　 把磁转变为电，这个念头是从法拉第坚定的哲学信念中来的。他认为自然界是统 :0vNg:u+  
一的、和谐的，电和磁是彼此联系的，大自然中万物纷呈，变化无穷。电能生光、 ]6(NeS+  
生热、生磁。现在又发现了电磁感应，磁也能产生电……所谓的电、磁、光、热、 rA_e3L@v#[  
以至化学亲和力和万有引力，这千变万化的力实质上是根源于同一的力，它们不过 &yP9vp="  
是名称不同、表现形式不同罢了。当时一般人都认为，只有伏打电才能使化合物分 }5%!:=  
解，法拉第却偏偏用起电机产生了普通电，用电磁感应产生的磁电、用动物电去电 ABx0IdOcI  
解化合物……法拉第坚定的哲学信念支撑着他艰辛的科学研究之路，使他一步步迈 @F=4B0=  
向成功。反过来，他的成功又为坚定的信念--自然界是和谐的、统一的，提供了有 W"~G]a+  
力的证据。借助于科学大师们高尚的科学信念与思想，去引导我们认识自然界的质 <7)@Jds\  
朴、统一，从而对培养我们的科学鉴赏力有很大的帮助。 /FQumqbnt  
ANWa%%\T  
4． 2 敏锐的洞察力 2B*9]AHny  
z:acrQwJ?1  
　 费曼曾说过?quot;干物理得有鉴赏力。"所谓鉴赏力，就是那种善于从真、善、 '\\J95*`  
美的结合上敏锐抓住事物的本质去创建理论的能力。物理学是洞察力的一种形式。 e0aeiG$/0  
法拉第只上过小学，数学修养很差，但有极强的物理直观能力及敏锐的洞察力，他 0lW}l9
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用这种能力弥补了自己的不足。法拉第又以善于设计各种巧妙的实验著称，实验又 Iw48+krm>  
人为地创造了提供观察的条件，这两个相辅相成、相互促进的因素集于法拉第一身 jaDZPX-yS  
，在法拉第的成功过程中起着决定性的作用。善观察者，可以见常人所未见；不善 ^6obxwVG  
观察者，入宝山空手而归。在法拉第研究电磁感应的同时，科拉顿也在做这个实验 z43H]  
，但是结果法拉第成功了，科拉顿却错失良机，与成功失之交臂，这就是一个很好 j:fL_1m  
的见证。不管是敏锐的洞察力，还是实验技能，都是创新能力的重要方面。因而我 0/),ylCj  
们在日常的实践活动中，要重视观察能力、动手能力等创新能力的培养，这是我们 +p_SKk!%+  
应该从法拉第身上学习的最为宝贵的东西。 iHR?]]RF  
4sG^bZ,  
4． 3 追根溯源，不懈的努力 VpD9!;S  
`s.y!(`q  
　 为了将磁转化为电，法拉第在1824到1828的四年里，他做了多次尝试，但无一例 J%%nv5y  
外的都失败了。虽然我们前面已经提到，他有坚定的哲学信念的支持，但是法拉第 ./[t'dgC  
如果是一个轻易认输的人，不坚持不懈努力的话，那麽，发现电磁感应的将另是他 ]ErAa"?  
人。经过四年无数次失败的打击，法拉第却"咬定青山不放松"，这是法拉第成功、 z*
kn.sW  
每一个科学家成功、我们每个人有所建树的过程中必不可少的因素。还有要提到的 ;BpuNB  
是，法拉第那种刨根问底，追根溯源的精神。从前面法拉第的经历来看，如果没有 xKIm2% U9  
这种精神，那麽，在第一个发现之后他就有可能停滞不前，因为那是世界上第一个 dhV=;'   
马达，他已经获得了一定的荣誉；如果没有这种精神，那麽，他在发明了变压器之 ?}O\'Fa8
 
后就又可能停滞，因为那是他又一个重要发明。正是由于法拉第具备了这种刨根问 #LcF;1o%o2  
底、追根溯源的精神，才使他在科学研究的道路上没有为路边的朵朵鲜花所留恋， 2vK{Yw   
而一直走到了远方的宝殿--电磁感应。 \N!k)6\  
p>!`JU`{?  
4． 4 实事求是，尊重科学事实 !$fBo3!B_8  
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　 1832年法拉第宣告他发明了电磁感应之后，安培声称，实际上他在1832年就已经 ]$Z aS\m  
发现了一个电流能够感应出另一个电流。事实的确如此。安培在他的一次实验中已 
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经作出结论："感应能够产生电流这一事实，尽管它本身是很有趣的，但它与电动力 (LGx;9S?  
作用的总体理论是无关的。"安培未能发现电磁感应的原因是他把他的分子电流理论 ?-Oy/Y K  
看的极为重要，而电磁感应却是他最不愿看到的事情。这是因为，如果他承认在实 |>d56  
验中产生的同轴电流，那麽他的宝贵的理论就无立足之地了。他在1822年写的实验 <b{ApsRJf  
日记中的结论表明：无论他观察到什麽，他都会坚持把它解释成分子电流，或者至 0Y[mh@(  
少是分子样大小的电流的存在依据。安培被他自己的理论完全囚?恕Ｈ欢?胬硎遣 ,%D \  
灰匀说囊庵疚??频摹Ｋ淙坏笔卑才嘁言诳蒲Ы缦碛幸欢ǖ纳????ɡ?诿挥斜 {E>kFeg  
蝗ㄍ??笥遥?庖坏阍谒?罄捶⒄棺约旱某÷凼庇肱６俚某?嗬砺壑?涞拿?苤幸 ;ML21OjgN  
渤浞直硐殖隼础Ｕ?欠ɡ?诩岢"实践是检验真理的唯一标准"，尊重科学事实和实 ;i\i+:=  
事求是的作风，使他在科学研究的道路中坚持了正确的方向。 3'IF?](]U  
(L q^C=  
5．麦克斯韦的电磁学思想及发展 @m#7E4+  
A5/Q:8b  
5．1 麦克斯韦的成长经历及思想的形成 s,lrw~17  
%e=BC^VW  
　　1831年11月13 日，刚好在法拉第发现电磁感应不久，麦克斯韦出生在苏格兰首 R ]HHbD&;  
府爱丁堡。跟出身寒微的法拉第不同，他家学渊博，祖上有不少名流学者。父亲在 pOx0f;'G+  
乡下有产业；职业是律师 ，兴趣却在科学技术上，他爱设计机器、爱科学、爱提问 z0doLb^!  
。麦克斯韦从小受到熏陶，上中学时已才华出众，第二年考入爱丁堡大学。三年后 `a  
转入剑桥大学，以甲等数学第二名的优异成绩毕业。麦克斯韦受父亲的影响，他对 zQ5'q  
实际问题感兴趣，他的研究题目都是怎样运用数学解决物理学、天文学或工程问题 /\OjtE  
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#_|6yo}  
　 麦克斯韦从剑桥大学毕业后，最初研究光的色彩理论。不久他读到法拉第的电磁 29}(l#S}m  
实验研究。用充满力线的场代替牛顿的真空，用力在场中以波的形式和有限的速度 3>c
<E1   
代替牛顿的超距作用，这不同凡响的大胆见解唤起了麦克斯韦的想象力，引起了他 ;CFI*Wfp  
的共鸣。然而麦克斯韦也看到，法拉第的表述方法不够严格，有漏洞，正是在这里 c:4i&|n  
他可以大显身手，施展自己的数学才能。 D/Bb)]9I  
V"k*PLt  
　 1855年12月10日，麦克斯韦在剑桥大学宣读了他的第一篇电磁学论文"论法拉第 tP7l ;EX4  
的力线"。他开宗名义，第一句话是："关于电的科学，目前的状况对于思考特别不 s [@II]  
利"。麦克斯韦要改进这种状况。他运用法拉第的力线思想，把法拉第发现的种种迥 ~ /]u72?rP  
然不同的现象彼此之间的内在联系，清楚地展现在数学家、物理学家们面前。要作 D1#fy=u69|  
到这一点，必须具备两方面的条件：第一，要澄清物理概念，建立一个物理模型， b,~6cDU  
以便类比借鉴；第二，要运用数学工具，给出精确的数量关系。法拉第对电流周围 n:'Mpux  
的磁力线所作的物理描述，被麦克斯韦概?乀一个矢量微分方程。这是一个良好的开 S9U`-\L0  
端，法拉第的物理直觉能力和麦克斯韦的数学分析技巧开始会合了。 pWK7B`t  
uq{w1O5  
5． 2 优势互补，完美的结合 T =_Hd  
e=Kf<ZQt  
　 法拉第比麦克斯韦年长四十岁，他们的出身、所受的教育、性格、爱好截然不同 %Q]m6ciAM  
。一个来自社会最低层，一个门第高贵。一个连小学也没毕业，一个是名牌大学的 #r>  
高才生。法拉第讲话娓娓动听，引人入胜；麦克斯韦才思敏捷，言辞锋利，却不管 [gx6e 44  
听的人懂不懂，只管自己发挥。一个是实验巨匠，一个是数学高手。一个善于运用 Y!"LrkC  
直觉，把握住物理现象的本质，设计巧妙的实验、观察、记录、归纳；一个擅长建 .kyp5CD}4  
立物理模型运用数学技巧、演绎、分析、提高。如果把他们两个人的特点集于一身 [|E 93g  
，那就是一个理想的物理学家了。现在他们确实汇集在一起。他们坚信场的物质性 c?>@P  
，反对牛顿的超距作用；他们的目标是一致的--建立一个全新的、不从属于牛顿自 |3QKxS0  
然哲学体系的电磁学理论。 [3}m|W<  
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5． 3 电磁理论的发展和完善 K-Y;[+#g1o  
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:zd=;  
　 在麦科斯韦建立他的电磁理论之前，诺埃曼、韦伯等德国物理学家继承了安培的 'z>|N{-xG  
超距作用观点，对电磁现象的研究做过不少贡献，形成了电动力学的所谓大陆学派 |*K AqTO0  
。但是，他们企图在力学的框架内理解电磁现象，提出各种复杂的相互作用"势"来
)jm}h7,  
描述电磁过程，理论复杂而不自然，未能建立一个统一的理论体系。而麦克斯韦则 %?@N-$j  
继承了法拉第的近距离作用观念，取得了决定性的进展。 ]?-8[v~{C  
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麦克斯韦走了三大步才建立起电磁理论，前后历时十余年。他一开始就把注意力集 `[X5mEe  
中到法拉第的力线上。 Gdb6 U{  
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1856年，他发表了电磁理论方面的第一篇论文"论法拉第的力线"。在开尔文对热传 MB%yC]w8  
导现象、流体运动和电磁力线的类比研究的基础上，首次试图将法拉第的力线概念 l'y)L@|Qrh  
表述成精确的数学形式。他在文中给出了电场的已知定律的微分关系式。 ,_F@9Up  
!^:b?M  
1862年，他发表了第二篇论文"论物理的力线"。在这篇论文中，他提出一个分子涡 H0LEK(K  
流以太模型，通过数学计算可以得出电学和磁学中全部已知的基本定律。除此之外 s<h]2W  
，麦克斯韦还在这个模型的基础上引入了"位移电流"的概念：变化电场引起介质电 [x{'NwP?  
位移的变化，这种变化与传导电流一样在周围空间激发磁场。位移电流完全是麦克
bM+}j+0  
斯韦的独创（在没有任何实验提示的情况下，只是为了保证理论的自恰性--与电荷 ZvM~]8m  
守恒定律兼容而大胆引入的）。因此，麦克斯韦电磁理论决不仅仅是法拉第的思想 zU}Ru&T9  
的数学精确化。提出位移电流不但保证了理论的自恰性，而且使理论具有一种对移 <y7nGXzLK  
性：变化的电场在周围的空间激发涡旋磁场，变化的磁场在周围的空间激发涡旋电 .SAOE'Foo  
场，这就为脱离场源而交互变化的电场和磁场--电磁场的独立存在提供了依据。电 !EB<e5}8wK  
磁场是一种新型的运动，以横波的形式在空间传播，形成所谓的电磁波。 bXmX@A$#Io  
6Q"fRXM  
　　1865年，他发表了第三篇论文"电磁场的动力理论"。他不再用他过去提出的以 k><k|P[|  
太模型，而是通过数学解析方法，总结了以他的名字命名的电磁场基本方程--麦克 MZZEqsD5[  
斯韦方程组。由这个方程组，他推出电磁场所满足的波动方程，预言了电磁波的存 W+k SL{0  
在。由于算出的电磁波在真空中传播速度与真空的光速相同，麦克斯韦断言光就是 6F !B;D-Q  
频率在某一范围的电磁波，建立了光的电磁理论。这是理论和实验相结合的硕果。  At3>  
Psm5J80}n  
U9[QdC  
6． 4 伟大之处 Na=.LW-ma=  
vz[oy|{F  
　　麦克斯韦扎实的数学基础为他的成功奠定了基础。数学作为物理研究的工具是 qT5q3A(8  
极为重要的。麦克斯韦如果没有扎实的数学功底、严密的逻辑思维能力，就不可能 Bi:%}8STH  
得出麦氏关系，这一点是不容质疑的。还要说明的是：麦克斯韦先用以太模型导出 k[#<=G_=/E  
新的方程组，然后又敢于舍弃原来的力学比拟，让电磁场理论从机械论框架中解脱 ae_Y?g+3  
出来，成为独立的对象，这就是麦克斯韦的伟大之处。有人曾这样比喻：对麦克斯 lkl+o&D9  
韦来说，机械模型就好像建筑高楼大厦时的脚手架，楼房建好之后，脚手架就一点 td@I ;d2  
一点地被拆掉了。这一点和我们前面提到的安培形成鲜明的对比，安培完全被自己 n W:P"L  
的理论框架囚禁了，从而失去了发现电磁感应的机会。这其实是创新思维在科学发 |KY6IGcqV  
展进程中重要作用的一个典型实例，对于我们今天在教与学的过程中要进行创新思 sVWOh|O[W  
维意识的培养具有一定的启发作用。 _c$l@8KS^  
!8~A
`  
六．电磁理论的意义 .FYxVF.  
AWo\u!j  
　　麦克斯韦方程组被列入"改变世界面貌的10个公式"之一，当法拉第和麦克斯韦 76epkiz;=  
将电磁学的大厦建立起来以后，又出现了一位杰出的物理学家--赫兹。他用实验证 %k3A`ClW  
实了电磁波的存在。之后不到六年时间，意大利的马可尼和俄国的波波夫就分别实 &6deds   
现了无线电的长距离传播。无线电报、无线电广播、无线电话、电视、雷达，数不 a=@]Ov/  
尽的无线电技术蓬勃发展起来，使人类的生活达到了空前的丰富、多

向他们学习。呵呵。MAXWELL是电磁学的巨人啊。