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开尔文在电磁理论发展中的作用,电磁学理论的

来源:http://www.jyjkw.net 作者:必威体育 时间:2019-09-22 01:34

“Electricity”这个单词起源于希腊文的“琥珀”。中国西晋时期,《博物志》中也有摩擦起电的记载。电和磁的利用跟人类生产和生活的联系非常紧密,电学和磁学的研究促进了世界科学技术的迅猛发展,电磁学直接推动着社会的进步。

提到电磁理论,人们首先想到的是法拉第、麦克斯韦,而对开尔文在电磁理论发展中的作用则知之甚少,本文就介绍一下这方面的情况.

静电学的发展

开尔文,原名威廉·汤姆生,1824年6月26日生于爱尔兰的贝尔法斯特城,

自 1660年盖里克发明摩擦起电机后,电现象的研究变得可行了。1720年,格雷发现了导体与绝缘体,发现了导体的静电感应现象。1733年,杜菲经过实验 区分出两种电荷,他分别称之为松脂电和玻璃电,并由此总结出静电相互作用的基本特征:同性相斥,异性相吸。莱顿瓶的发明使得电现象的 研究更加深入。富兰克林发现了尖端放电,发明了避雷针,研究了雷电现象,并从莱顿瓶的研究中,提出了电荷守恒原理。后来康顿在1734年用电流体假说解释 了静电感应现象。至此,静电力基本特性、电荷守恒和静电感应这三条静电学基本原理已经建立。

1834年入格拉斯哥大学预科班学习.

1760年,D·伯努利首先猜测:电力会不会也跟万有引力一样,服从平方反比定律?1767年普利斯特利猜测电荷间的相互作用应该与引力规律有相似的特 点。1785年,库仑利用扭秤试验总结出:真空中两个静止的点电荷之间的作用力与它们的电荷量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比,作用力的方向在 它们的连线上。库仑定律不断经受着实验的检验,目前已经成为精确的实验规律之一。

1841年人剑桥大学学习.1846年,通过考试取得格拉斯哥大学自然哲学教授资格.1851年当选为英国皇家学会会员.1890年至1895年任英国皇家学会会长.1892年晋封为男爵称号,1904年出任格拉斯哥大学校长.1907年12月17日在苏格兰的内瑟霍尔去世.

稳恒电流的研究

开尔文幼时早慧,十岁入格拉斯哥大学预科班学习,对电学实验表现出浓厚的兴趣.1840年,在指导教师的推荐下,学习法国数学大师付立叶《热的分析理论》一书,该书对开尔文影响颇大.

18 世纪末,意大利学者伽伐尼和伏打的研究使得电学从静电领域迈向电流领域。伽伐尼是一位解剖学教授,1780年9月的一天,他在解剖青蛙时偶然发现电效应。 伽伐尼的发现引发了欧洲各国研究动物电的热潮,意大利的自然哲学教授伏打重复了伽伐尼的实验,发现伽伐尼的神经电流说并不正确。他拿来一只活青蛙,用两种 不同金属构成的弧叉跨接在青蛙身上,一端触青蛙的腿,一端触青蛙的脊背,青蛙就会抽搐;用莱顿瓶经青蛙的身体放电,青蛙也会抽搐,说明两种不同金属构成的 弧叉和莱顿瓶的作用是一样的。可以说,这些现象是外部电流作用的结果。后来,在伏打的外部电和伽伐尼的内部电之间出现了长期 的争论。为了阐明自己的观点,伏打继续进行了大量实验。他比较了各种金属,按金属相互间的接触电动势把各种金属排列成表,其中有一部分是:锌一铅一锡一铁 一铜一银一金。只要将表中任意两种金属接触,排在前面的金属必带正电,排在后面的必带负电。这样,伏打一举就全面地解释了伽伐尼和其他人做过的 各种动物电实验。1800年,伏打进一步把锌片和铜片夹在用盐水浸湿的纸片中,重复地叠成一堆,形成了很强的电源,这就是著名的伏打电堆。把锌片和铜片插 入盐水或稀酸杯中,也可以形成电源,叫做伏打电池。伏打电堆的发明,提供了产生恒定电流的电源,使人们有可能从各方面研究电流的各种效应。 1821年塞贝克发明温差电偶,电源性能更加稳定了。从此,电学进人了一个飞速发展的时期——研究电流和电磁效应的新时期。

在研究电磁学的过程中,开尔文感到有必要把法拉第的力线思想翻译成数学公式,进行定量地表述.因为力线思想形象地描绘了电磁场的图像.1841年,开尔文尝试着把电力线和磁力线同热力线进行比较研究.1842年写成《论热在均匀固体中的均匀运动及其与电的数学理论的联系》一文.这是一篇关于热和电的数学论文,其中提到热在均匀固体中的传导和法拉第电应力在均匀介质中传递这两种现象之间的相似性.在论文中,开尔文指出,电的等势面相当于热流的等温面,电荷相当于热源.利用付立叶的热分析理论,他把法拉第的力线思想和拉普拉斯的势函数二阶微分方程普遍用于热,电和磁的运动,建立起这三种相似现象的共同的数学模式.

电和磁的联系

1845年,英国科学协会举办了一次学术会议.

1731年有一名英国商人描述,雷闪过后,他的一箱新刀叉竟带上了磁性。1751年富兰克林发现在莱顿瓶放电后,针被磁化了。电真的会产生磁吗?1774年,这个疑问促使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?”

在这次会议上,开尔文提出法拉第的磁力线、电力线可以用数学方程来表示.法拉第当时也在场,对这种思想给予肯定.

丹 麦物理学家奥斯特信奉康德的哲学,认为自然界各种基本力是可以相互转化的。他深信电和磁有着某种联系。1820年4月,奥斯特在作有关电和磁的演讲时,尝 试将磁针放在导线的侧面,正当他接通电源时,发现磁针轻微地晃动了一下,他立即意识到这正是他多年盼望的效应。经过反复实验,奥斯特终于查明电流的磁效应 沿着围绕导线的螺旋方向。

受法拉第静电感应理论的启发,开尔文认为带电体中电荷分市和带电体之间相互作用力的问题,也许可以在弹性理论中找到对应现象.即电力或磁力的传播方式和弹性体内弹性位移变化的传递方式是相似的.1846年,开尔文把上述思想写成了一篇论文.在同年11月28日的日记中写道,“假使我能把物体对于电磁和电流有关的状态重新作一番更特殊的考察,我肯定会超出现在所知道的范围,不过那当然是以后的事了.”现在看来,开尔文试图把电力和磁力统一起来的工作,实际上已走到了电磁理论的边缘,接近了电作用和磁作用传播问题的关键,可惜的是开尔文没有能把工作继续下去.从而错失首先发现电磁理论的良机.

1820 年7月21日,他以拉丁文简洁地报道了60多次实验的结果。随后,毕奥萨伐尔更仔细地研究了直线载流导线对磁针的作用,确定这个作用力正比于电流强度,反 比于电流与磁极的距离,力的方向垂直于这一距离。安培则从电流与电流之间的相互作用进行探讨,他把磁性归结为电流之间的相互作用,提出了“分子电流假 说”。为了定量研究电流之间的相互作用,安培设计了4个极其精巧的实验,并在这些实验的基础上进行数学推导,得到了普遍的电动力公式,为电动力学奠定了基 础。

1853年,开尔文通过数学论证和实验证实,莱顿瓶和其他电容器的放电具有振荡的特性,并且把这一实验结果以《莱顿瓶的振荡放电》论文形式发表.

1820年起,电磁热席卷欧洲,法拉第相信自然力的统一性,认为“磁生电”是必然存在的。从1824年到1828年,法拉第多次进行电磁学实验。1831 年8月29日,法拉第终于取得突破性进展。这次他是用一个软铁圆环,环上绕两个互相绝缘的线圈A和B,法拉第对各项实验作了总结,将产生感应电流的情况分 为5类:变化中的电流,变化中的磁场,运动的稳恒电流,运动中的磁铁,运动中的导线。法拉第只是定性地用文字表述了电磁感应现象。1833年楞次用楞次定 则来说明感应电流的方向。1845年纽曼以定律的形式提出电磁感应的定量规律。

同年,开尔文发表《瞬间电流》一文,指出带电体的放电有二种,一种是连续放电,另一种是振荡放电.当是后者时,“主要导电体最先失去它的电荷,然后得着比起初稍小而正负相反的电荷,然后再放电,再得着更小而同原来相同的电荷,这样循环下去,一直到无限期后而达到平衡”.开尔文断言,如果放电频率太高,即电火花太快而用肉眼无法判断时,则可用惠斯登的“旋转镜”法来进行观.1857年,费德生使用旋转镜在实验上证实了这一结论.开尔文的这项工作实际上是发现电磁波的前兆!遗憾的是,开尔文又没有能继续研究下去,即没有从理论上弄清楚:振荡电流作为振源,是怎样把电磁振荡传播出去的!这样,开尔文又错过了发现电磁波的契机!

1847年,W·汤姆孙进一步研究了电磁现象与弹性现象的相似性,在题为“论电力、磁力和伽伐尼力的力学表征”一文中,以不可压缩流体的流线连续性为基 础,论述了电磁现象和流体力学现象的共性。W·汤姆孙运用类比方法,把法拉第的力线思想转变为定量的表述,为麦克斯韦的工作提供了十分有益的经验。

开尔文曾两次走到电磁理论的大门,但都因其少年早慧带来的弱点徘徊而去,错失发现电磁理论的良机,使其与电磁理论的发现者这一称号无缘。不过,这并不影响开尔文在电磁理论发展中起的作用。这种作用就是,开尔文在这一领域作了开拓性的研究,为后来麦克斯韦、赫兹在这方面的工作奠定了基础。

1856年,麦克斯韦发表了第一篇关于电磁理论的论文,题为《论法拉第力线》。在这篇论文中,他发展了W·汤姆孙的类比方法,用不可压缩的流体的流线类比 于法拉第的力线,把流线的数学表达式用到静电理论中。流线不会中断,力线也不会中断,只能发源于电荷或磁极,或者形成闭合曲线。麦克斯韦通过类比,明确了 两类不同的概念:一类相当于流体中的力,电场强度E和磁场强度H属于这一类;另一类相当于流体的流量,电位移矢量D和磁感应强度B属于这一类。麦克斯韦进 一步讨论了这两类量的性质。流量遵从连续性方程,可以沿曲面积分,而力则沿线段积分。

对麦克斯韦的影响可从两方面来看,一是开尔文对麦克斯韦的直接帮助。如开尔文在1853年发表《瞬间电流》一文,麦克斯韦写信给开尔文, “请求他告诉一些读电学的门径”,开尔文便把自己所知道的这方面的知识毫无保留地告诉了麦克斯韦。对此,麦克斯韦在给父亲的信中曾欣喜地谈到开尔文很乐意指教他。二是开尔文创立的类比方法对麦克斯韦影响极大,开尔文在1842年和1847年发表的《论热在均匀固体中的均匀运动及其与电的数学理论》以及《论电力、磁力和伽伐尼的力学表征》两篇论文,不仅使麦克斯韦认识到类比方法的重要性,而且体验到法拉第的思想与传统的静电理论是协调的。

麦克斯韦推出了6个定律,他写道:“在这6个定律中,我要表达的思想,我相信是《电学实验研究》中所提示的思想模式的数学基础。”

1856年,麦克斯韦发表《论法拉第力线》一文,利用并进一步发展了开尔文的类比方法,用不可压缩的流体的流线类比于法拉第的力线,把流线的数学表达式进一步用到静电理论中,最终创立了电磁理论。

1861 年麦克斯韦写了第二篇论文《论物理力线》,内容分4个部分,分别载于1861年和1862年的《哲学》杂志上。“目的是研究介质中的应力和运动的某些状态 的力学效果,并将它们与观察到的电磁现象加以比较,从而为了解力线的实质作准备。”麦克斯韦为此创建了“位移电流”。“位移电流”的假设在电磁场理论中具 有非常重要的地位。1865年麦克斯韦发表了关于电磁场理论的第三篇论文《电磁场的动力学理论》,全面地论述了电磁场理论。

可见:开尔文在电磁理论方面的工作是电磁理论发展史上相当重要的一环,起着承上启下的作用。

对 麦克斯韦的功绩,爱因斯坦作了很高的评价,他在纪念麦克斯韦逝世100周年的文集中写道:“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来,物理学的公理基础的最伟大 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。”“这样一次伟大的变革是同法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字永远连在一起的。这次革命的最大部分 出自麦克斯韦。”

洛伦兹在1892年发表了《麦克斯韦电磁学理论及其对运动物体的应用》,在对麦克斯韦电磁场理论修订的基础上提出了著名的经典电子论。他将电磁波经过物质时呈现的各种宏观电磁现象,都归结为电磁波与物质中在准弹性力作用下电子的相互作用的结果。从这一简单的假设出发,洛伦兹成功地解释了物质中 一系列的电磁现象,以及物质在电磁场中运动的一些效应。洛伦兹的电子论为塞曼效应提供了理论依据和科学解释。在洛伦兹的电子论中,电子的运动是一切电磁场的根源。

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