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 :,]V
03  
A8dIL5  
　　　　　　　　　　 S XIo  
VSL6tQp  
　　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 .FtW$Y~y  
是位铁匠，家境贫寒。五岁时随父母到了伦敦。十三岁到家书店当学徒，起初送报 #\GWYWkR  
，后来学装订。工余时间他自学化学和物理，并动手做实验，验证书上的内容。《 B9&"/tT  
大英百科全书》中吉尔伯特，富兰克林等人关于电学的研究成果及伦敦一个医生的 zdlysr#  
妻子玛西特夫人所写的科普读物《化学漫谈》对他影响很深。由于法拉第积极参加 fnN"a Z  
一些科学报告会和讨论会，因而结交了英国皇家研究所的顿斯，1812年2月顿斯帮助 &C`t(e  
他参加了著名化学家戴维（Humphrey Davy 1778-1829）在皇家学会的四次化学讲座 jyb/aov  
，每次他都细心笔录，清理成稿。同年10月，法拉第学徒期满，又到法国人开的书 ?m}vDd  
店当了正式的装订工，但他对这种工作并不满意。他曾说："我渴望离开商业工作， c7[|x%~  
我认为这是不道德的和自私的，我希望进入科学部门工作，……，这个想法促使我 1I<D `H%  
最后迈出大胆和天真的一步，我给戴维写了一封信，表示我的愿望……"同时附上他 ^Z$%OM,  
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 Fi14_{  
家研究所实验室作他的助理实验员。 wm%9>mA%  
b$l@Z&[]  
1813年10月，法拉第随戴维到欧洲大陆作科学考察旅行，考察经历了法国，意大利 :{E;*v_!v  
和瑞士，历时18个月。法拉第在这次学术考察中详细记载了戴维在各地的讲学内容 j[.R|I|  
，参观了各国科学家的实验室，结识了安培、盖吕萨克等著名科学家，并了解了他 4ac2^`  
们的实验方法，吸取了他们的科学研究方法，扩大了眼界，也为自己日后从事的科 FrIguk1  
学研究奠定了坚实的基础。 　　 g0:mm,t\  
t"cGv32b  
2．研究经历及成果 n? e&I>1W  
K|[[A)tt6  
　　2．1 .电磁转动--法拉第的第一个伟大发现 qfd/t<?|D  
xrFFmQ<_W  
　　1821年4月的一天，当沃拉斯顿教授找到戴维， ogtKj"a  
BlF>TI%2  
从口袋里拿出一张画有草图的纸。他向戴维解释到， PxhB=i!'$  
E=_M=5]  
照他图上画的那样--在两个金属碗中间夹一根直导 %V%*0S|U  
)[.FUx  
线，通上电，然后拿一根磁棒移近导线，导线就会绕 D'$ki[{,  
<7~HG(ks  
着自己的轴转起来。当仪器安装好，试了好几次，可 A36dj  
PmZ-H>  
能出现毛病的地方都一个个找了，导线与铜碗的接触 d OQU#5  
_?x*F?5=
 
是良好的，确实有较大的电流通过导线，磁场很强离 e23}'qb  
n{s `XyH  
导线很近，可就是不转。法拉第仔细听了两位科学家 7q&Ru|T33  
h# c.HtVE  
对这个实验的讨论，勾起了法拉第十几年前在做学徒 n,!PyJ  
6}qp;mR E]  
时摆弄起电机、莱顿瓶……的回忆，像一粒火种落到 8$xd;+`y'  
xX.fN7[  
一堆干柴上，法拉第重新研究起电来。研究电和磁， O(2)A>}  
s5_[[:c=^  
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 C!6?.\U/:c  
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 Rq-BsMX!A  
，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 6",S$3q  
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 jQxv`H  
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 (C dx7v2Nh  
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。 $b,o3eC  
fI9 TzpV  
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 0,a\vs%@X  
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 ]?whx&+  
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 ^oDCF  
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 \dO9nwa?  
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 v9QR,b`n  
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 Q*u4q-DE  
后，导线转动了！ /GCI`hx>"  
F'^6ra9  
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。 Q
x}\[  
iG()"^G  
　　2．2 电磁感应的发现和场概念的诞生 ]a F,r"  
q+<X*yC  
　　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 ,_ }  
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 #EQwl6  
，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 `dO)}}| y  
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 Z7a~M3VnZ  
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 A\nL(Nd  
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 TUuw  
，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 ];P$w.0  
给了法拉第不少启示和信心的支持。1831年8月29日，法拉第又做了一次堪称十九世 gVO<W.?  
纪最伟大、最杰出的实验。 r`Y[XzT9  
#usi1UWB#Q  
实验记录如下： ,Dd )=  
}S
pjB  
（一） 实验了磁产生电，等等，等等。 9.:r;HG  
puEuv6F  
（二） 用软铁做了个圆铁环，厚度七分，外径六寸。在铁环的半边绕了许多匝铜线 8,d<&3D  
，匝间用线和布绝缘--共有三个线圈，每个用二十四尺的铜线绕成，它们可以联成 0%$E^`  
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 /UtCJMQ  
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， \ <b-I  
总距离大约是六十尺，绕向和前述线圈一致这一边称为B。 yE1M+x./  
^x8*]Sz#x  
（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 lMoi5q  
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 s$ZzS2d  
点，然后，把A边一个线圈的两端和电池联接；立即对磁针产生了可以观察到的作用 zg L0v5vk  
。磁针振荡了，最后回复到原来的位置。当断开A边和电池之间的联接，磁针又一次 |+K3\b  
受到了扰动。 8@y@}  
QT)D|]bH  
（四） 把A边的所有导线联成一个线圈，使电池的电流流过全部线圈。对磁针的影 AWsy9  
响比以前强得多。 ,kS3Ioj  
#D4gNQg@R  
这是一个划时代的成功，今天工业上，家庭使用的变压器就是根据这个原理制造出 ^'9:n\SKQ  
来的。然而法拉第却不满足，因为感应不出稳定的电流，且电流很弱，瞬息即逝。  ntK#7(U'  
A边电流一稳定，B边的电流就消失。即使B边感应出稳定的电流，它也只是电转化为 `L n,qiA  
电，不是法拉第理想中的把磁转变为电。 4JV/Ci5  
]U?)_P@}  
　　3．最伟大的发现--电磁感应 iG*@(  
z !2-
U  
　　法拉第有一个习惯，每当做出一个新发现之后，他总要改进仪器，变换条件， QlT{8uw)  
从各个角度对这个新发现进行细致、透彻的研究。"伏打电感应"微弱，转瞬即逝， J=v" HeVm  
但毕竟是一个全新现象，它预示电和磁之间有一种不平常的关系。 9+><:(,  
k<xPg5  
法拉第首先改进仪器，用悬线电流计代替 j_YpkKhen  
2wCTd:e:  
小磁针，这样就能比较精确的测定A边电流接 R{={7.As+  
cXP*?N4Cf  
通或断开时B边感应电流的大小。法拉第又将 <=D!/7$O  
lAYyxG#  
铁环改成铁棒，仍旧有感应电流产生，但比用 2UqLV^ZY  
a^wGc+  
铁环时弱。后来他又用硬纸做成一个芯子，把 Z{&dzc  
bn$a7\X-  
A、 B都绕在它上面，断开或接通的瞬间弦线 za$v I?ux  
D2<(V,h9  
电流计小磁针仍略有偏转，比起铁芯却小得多。 =SMI,p&  
Nmu;+{19M  
法拉第明白了"伏打电感应"，实际上是通过磁 i~1bfl   
7tbM~+<0  
来传递的。法拉第又进一步研究为什麽接通或 n~`1KC4  
)> >Tj7  
断开时才能感应出电流。答案得出来了，条件 =@BVO@z@  
W>[0u3  
是磁的变化。那麽，为什麽要用电来产生磁的 ;J<K/YdI  
zX=K2tH  
变化，为什麽不直接用磁来产生磁的变化呢？ 4R<bfZ43  
y8~/EyY|^  
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 9Q)9*nHe  
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 qkHdr
2  
拉第多年的理想实现了。然而， .. 8['8ctX  
Js{X33^Ju  

未注册仅能浏览部分内容，查看全部内容及附件请先 登录 或 注册

4．成功的因素 OZSM2~  
&;x*uG  
4．1 坚定的信念 1x'H#  
f6$$e+  
　 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 \OlB(%E7  
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、 7A=*3  
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、
D\@)*"  
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 `|2p1
Ei  
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,ua6  
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 pRez${f.(s  
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 4DTT/ER'qA  
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 Y<WA-d
YoF  
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
yV4rS6=  
朴、统一，从而对培养我们的科学鉴赏力有很大的帮助。 2m8|0E|@  
C" 2K U*  
4． 2 敏锐的洞察力 eE0
'3?q(  
s`
$YY_  
　 费曼曾说过?quot;干物理得有鉴赏力。"所谓鉴赏力，就是那种善于从真、善、 fvNj5Vq:  
美的结合上敏锐抓住事物的本质去创建理论的能力。物理学是洞察力的一种形式。 0e,U&B<W  
法拉第只上过小学，数学修养很差，但有极强的物理直观能力及敏锐的洞察力，他 FpYeuH%  
用这种能力弥补了自己的不足。法拉第又以善于设计各种巧妙的实验著称，实验又 *K'_"2J  
人为地创造了提供观察的条件，这两个相辅相成、相互促进的因素集于法拉第一身 Hl*V i3bQU  
，在法拉第的成功过程中起着决定性的作用。善观察者，可以见常人所未见；不善 )?$zY5  
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 V/dL-;W;  
，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
CTP!{<ii  
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 4))5l9kc.  
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 />0 Bm`A  
应该从法拉第身上学习的最为宝贵的东西。 UNOKK_  
. l>.  
4． 3 追根溯源，不懈的努力 @?/>$  
tso\bxiU  
　 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 cAQ_/>  
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 &`LR{7m  
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 `=.A])>  
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、 ,bRYqU?#0  
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 AK_,$'f  
是，法拉第那种刨根问底，追根溯源的精神。从前面法拉第的经历来看，如果没有 ObzFh?W  
这种精神，那麽，在第一个发现之后他就有可能停滞不前，因为那是世界上第一个 \&,{N_G#L.  
马达，他已经获得了一定的荣誉；如果没有这种精神，那麽，他在发明了变压器之 PJn|  
后就又可能停滞，因为那是他又一个重要发明。正是由于法拉第具备了这种刨根问 VEGp!~D  
底、追根溯源的精神，才使他在科学研究的道路上没有为路边的朵朵鲜花所留恋， yBYZ?gc  
而一直走到了远方的宝殿--电磁感应。 :RG=3T[  
x1'4njTV$  
4． 4 实事求是，尊重科学事实 4R&e5!  
m2x=Qv][@c  
　 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 $*S&i(z  
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 nYE''g+x  
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 F5s`AjU  
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 mJYG k_ua  
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 /V"6Q'D  
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 jFH wu*  
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 x T{s%wE  
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 !M(3[(Ni  
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 #!>QXiyR  
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 yLY$1#Sa  
渤浞直硐殖隼础Ｕ?欠ɡ?诩岢"实践是检验真理的唯一标准"，尊重科学事实和实 `#c36  
事求是的作风，使他在科学研究的道路中坚持了正确的方向。 k+%c8w 9  
Bgf'Hm%r  
5．麦克斯韦的电磁学思想及发展 iQ8T3cC+  
sz@Y$<o  
5．1 麦克斯韦的成长经历及思想的形成 ph~d%/^jI  
{;^GKb+  
　　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 9.^2CM6l  
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 HU47S  
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 3:mZ1+  
。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 LKsK!
X  
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 A2p]BW&  
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 QZ2a1f'G  
。 ^$x1~}D  
D6vhW:t8?  
　 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 mFx\[S  
实验研究。用充满力线的场代替牛顿的真空，用力在场中以波的形式和有限的速度 +d'1  
代替牛顿的超距作用，这不同凡响的大胆见解唤起了麦克斯韦的想象力，引起了他 8}.V[,]6  
的共鸣。然而麦克斯韦也看到，法拉第的表述方法不够严格，有漏洞，正是在这里 ~gA^tc3G  
他可以大显身手，施展自己的数学才能。 QnH;+k ln  
8\Uy  
　 1855年12月10日，麦克斯韦在剑桥大学宣读了他的第一篇电磁学论文"论法拉第 kVY0 E  
的力线"。他开宗名义，第一句话是："关于电的科学，目前的状况对于思考特别不
]x1o
(~  
利"。麦克斯韦要改进这种状况。他运用法拉第的力线思想，把法拉第发现的种种迥 E(miQ  
然不同的现象彼此之间的内在联系，清楚地展现在数学家、物理学家们面前。要作 =jD9oMs  
到这一点，必须具备两方面的条件：第一，要澄清物理概念，建立一个物理模型， ltg\x8w?c  
以便类比借鉴；第二，要运用数学工具，给出精确的数量关系。法拉第对电流周围 ~(P\'H&(h  
的磁力线所作的物理描述，被麦克斯韦概?乀一个矢量微分方程。这是一个良好的开 \]Y=*+{  
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。 M}\p/r=  
pdq5EUdS  
5． 2 优势互补，完美的结合 (4Ha'uqz  
.:9XpKbt  
　 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 ohlCuH3  
。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 'XP  
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 iL8:I)z  
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:+k `  
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 D^<5gRK?  
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 kj]m@mS[  
，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 <gLq?~e|A  
，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 f|NWn`#bY  
然哲学体系的电磁学理论。 1`F25DhhY
 
6|B;C  
5． 3 电磁理论的发展和完善 |,lw$k93  
d8N4@3CkL  
　 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 -40s  
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 9}<iS w[  
。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 !JnxNIr&i|  
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 ewOe A|  
继承了法拉第的近距离作用观念，取得了决定性的进展。 \o<&s{6L  
v%4zP%4Ak[  
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 (RafidiH  
中到法拉第的力线上。 wCw_aXqq  
z:W|GDD1  
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 Nc\jA=  
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 +OeoA{-W  
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。 (yv)zg9  
fIii  
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 `^'0__<M  
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 J5L[)Gd)D  
，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 yo]8QO]97  
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 AVi,+n  
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 ~n{lu'SIX2  
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 $m
[*)0/  
的数学精确化。提出位移电流不但保证了理论的自恰性，而且使理论具有一种对移 1pJ
?YV  
性：变化的电场在周围的空间激发涡旋磁场，变化的磁场在周围的空间激发涡旋电 39oI &D>8  
场，这就为脱离场源而交互变化的电场和磁场--电磁场的独立存在提供了依据。电 wak`Jte=}m  
磁场是一种新型的运动，以横波的形式在空间传播，形成所谓的电磁波。 flS_rY5  
Ur,{ZGm  
　　1865年，他发表了第三篇论文"电磁场的动力理论"。他不再用他过去提出的以 a'|/=$  
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 4cZlQ3OE.  
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 4)].{Z4q  
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 ,nGZ(EBD  
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。 6>F1!Q  
 XM<  
iXD=_^^o .  
6． 4 伟大之处 ;wF)!d  
.&;:X
)  
　　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 <hB~|a<#  
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 ds:&{~7L<T  
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 !+Zso&  
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 v])R6-T-  
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 t`G<}t  
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 RWdx)qj{  
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 k5
6*eE
c  
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 P%y$e0  
展进程中重要作用的一个典型实例，对于我们今天在教与学的过程中要进行创新思 Y8Z-m (OQ  
维意识的培养具有一定的启发作用。 JK^pb0ih  
TSKR~3D#  
六．电磁理论的意义 6(-c$d`C.0  
f,:2\b?.  
　　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 C sx EN4  
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 41#YtZ  
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 ,.TwM;w=  
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 KD73Aw  
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 Igb%bO_  
--

　　　　　　　　　　 A=l1_8,`h  
Uf
v0Xj  
　　 [*v-i%U}  
4．成功的因素 %\?Gzc_  
(m&''yaH  
4．1 坚定的信念 -r@/8"  
^ Mw=!n[  
　 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 'Z`fZ5q  
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、 T8\%+3e.  
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、 , \R,O  
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 06fs,!Q@  
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  Sn-D|Z  
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 fhbILg  
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 uoe>T:  
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 C5&+1VrP  
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 &ZAc3@l[c  
朴、统一，从而对培养我们的科学鉴赏力有很大的帮助。 ky0,#ZOF  
p^i]{"sjbU  
4． 2 敏锐的洞察力 A:YWXcg  
*[0)]|r  
　 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、 AW
/)R"+  
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。 H <ugc  
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 <G#z;]N  
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 uW^W/S%'  
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 {6brVN.V  
，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 n8 e4`-cY  
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 q($fl7}Y  
，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 XaR(~2  
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 Ps9YP B-  
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 ]-tAgNzl%  
应该从法拉第身上学习的最为宝贵的东西。 tqT-9sEXX.  
V SUz+W  
4． 3 追根溯源，不懈的努力 IXt cHAgX  
C^!ej"  
　 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 FN295:Iuw  
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 i*ji   
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 [nG[@)G~0M  
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、 kH>^3(Q\  
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 -[-Ry6G  
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 .}DL%E`n  
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 iB
Px97a  
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 b%M|R%)]  
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 HK!Vd_&9,  
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， :j(D&?ao  
而一直走到了远方的宝殿--电磁感应。 2-.%WhE/  
jG~UyzWH;  
4． 4 实事求是，尊重科学事实 $,#,yl ol  
QE%|8UFY  
　 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
d&5GkD.P  
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 C!J6"j  
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 Q5pm^X._j  
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 >W?7a:#,  
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 Oky9GC.a  
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 W5a>6u=g,  
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 TM?7F2
  
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 } P/ x@N  
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 DU.[Sp  
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 P'q ._U  
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 /dt'iai~l  
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。 Mq2[^l!qu  
FAP1Bm  
5．麦克斯韦的电磁学思想及发展 f+Da W  
c0W4<(  
5．1 麦克斯韦的成长经历及思想的形成 N~@VZbS(6  
V0'_PR@;  
　　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 &yQM8J~  
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 rCFTch"  
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 +)7Yqh#$  
。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 }^ G&n';J  
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 {uuvgFC  
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 Dt8wd,B  
。 b=j]tb,  
HnmByn\j  
　 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 XG_Iq ,  
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 n*U+jc  
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 NK0hT,_  
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
7+^4v(s  
他可以大显身手，施展自己的数学才能。 (8/Qt\3jv  
PM!7ci  
　 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 )
XAD#GYM  
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 /"%QIy'{  
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 l#G }j^Q  
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 kN,WB  
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， (Jb[_d*  
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 ~ E|L4E  
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 b(McH*_8e  
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。 B)`^/^7  
|`yzH$,F  
5． 2 优势互补，完美的结合 7Vxe]s  
 %Jc>joU  
　 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 L?(% *  
。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 95CCje{o_  
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 (6Sf#M  
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 +: oD?h  
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 M`kR2NCi  
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 9QryW\6.@z  
，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 Obm@2;^g6  
，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 1GL@t?S  
然哲学体系的电磁学理论。 @YfCS8 eH  
:g[G&Ds8  
5． 3 电磁理论的发展和完善 Ood'kAH1B  
I+^B]@"  
　 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 !^*I?9P  
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 #Zy-X_r  
。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 _Ak?i\  
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 YOHYXhc{S  
继承了法拉第的近距离作用观念，取得了决定性的进展。 63?fn~0\  
KGI0|Z]n~  
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 h7H#sL[^  
中到法拉第的力线上。 _F1{<" 4  
I=3e@aTZ,  
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 !B_?_ a  
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 +T@a/(Gl  
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。 Rtl;*ZAS  
%Pb 5PIk4  
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
~CB6+t>  
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 T8i9  
，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 VIxt;yE  
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 F+@E6I'g  
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 ?"no~(EB  
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
hp E?  
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 fYzOT,c  
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 "A_WU|  
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 F"-w  
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。 O}!L;?  
&)p/cOiV  
　　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 ;=.QT  
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 $I7/FZP  
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 _~`\TS8  
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 aQEMCWxZ  
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。 <k^P>Irb3t  
%q@eCN  
S)0bu(a`Z,  
6． 4 伟大之处 ?wR;"  
Eqg(U0k0  
　　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 Zbp ByRyN  
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 *eO@<j?  
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 |WB<yA1  
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)<ee%\\  
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 rwlV\BU
  
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 [z:bnS~yiD  
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 L/w9dk*uv  
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 nJ|8#U7  
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 y/m^G=Q6g#  
维意识的培养具有一定的启发作用。 61Nj&1Ze  
q(Y<cJ?X  
六．电磁理论的意义 h 
!~u9  
7FVu[Qu  
　　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 x hFQjV?V  
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 S4]xxc  
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 xi=qap=S^9  
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 Qj? G KO  
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。