3.电磁学发展历史回顾

电荷很神秘，公元前600年左右希腊人发现了摩擦过的琥珀吸引轻小物体的现象.16世纪英国御医吉尔伯特提出了电荷的概念，美国科学家富兰克林提出了正负电荷的概念，且电荷有两种：用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电，用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电；两种电荷间的相互作用同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引.这样，人们是为了解释摩擦过的物体为什么会吸引轻小物体以及摩擦物体的吸引排斥现象，故而提出了电荷并认为有正负电荷这两个概念，也就是说电荷只属于对自然现象进行解释提出的一个概念，并不是事实本身，这一点和早期人们认为自然界存在‘热质’一样，都是为了解释生活中我们所遇到的一些常识现象，不过到现在热质说早已经被否定.

早在公元前770年的春秋时代，中国人就发现了天然磁石，在东汉时代中国人发明了指南针，公元前120年前西汉刘安等编篆的《淮南子》中描述了“阴阳相薄为雷，激扬为电”.北宋时期陈微显描述了磁屏蔽现象，并有磁石治疗耳病的记载.17世纪(牛顿年代)法国旅行家卡×戴马甘兰游离中国后对中国的避雷针进行了描述“中国屋宇顶上龙头中有伸出的金属龙舌，舌根有细铁丝直通地下，使房屋不受雷电的破坏作用”.虽然中国人发明较早，却无人去深入总结.在我们的教科书里全是洋名，不见华名，因为中国古人注重发现，但不大注重理论总结与宣传.

1800年伏打给英国皇家学会会长班克斯写信介绍了电池的原理和构造.使之成为至今众所周知的伏打电池.

1820年初奥斯芯发现电流的磁效应，并进行了深入研究和总结，而且首先传到德国和法国，在电磁学领域里，无人不晓奥斯芯这个大名.

1820年10月毕奥和萨伐尔发表了关于载流长直导线的磁场的实验结果，经过数学家拉普拉斯的帮助，总结出电流元在空间某点处产生的磁感应强度的规律                                               ，称之为毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律，简称毕-萨定律.

1824年12月安培发现两传导电流之间的相互作用，并从毕-萨定律出发，描述了磁场环路公式，称之为安培环路定律.

1832年法拉第发现磁铁与导体之间的感应，并认为是在导体中产生了感生电动势.法拉第还在静电测量方面和电镀领域作出了显著贡献.

1834年楞茨却认为是在导体中产生了感生电流.由于感生电动势与感生电流体现在欧姆定律方程的两端，哪一个是因?哪是一个果？这正如当时哲学界所争论的鸡蛋与小鸡的因果关系一样，谁也说不清楚.

1840年法拉第做了静电感应实验，麻绳系着一电量为的带电体，并放入金属桶内，结果发现，金属桶外壁的电量也为，然后，他用多个较大的金属桶套在外层，测量结果是：最外层桶的带电量仍为，这是著名的桶实验.当时被认为电是分布在整个以太空间的.爱因斯坦曾充满感情的说：“对于我们，法拉第的一些概念，可以说是同我们母亲的奶一道吮吸来的.他的伟大和大胆是难以估量的”

从力学过渡到电磁学,有两个比较重要的改变一是研究对象的改变,力学主要研究宏观低速的机械运动,涉及物体空间位置随时间的演化规律,主导其变化的是相互作用(或者称为力);而电磁学研究的是电场和磁场在空间的分布及其演化,主导其演化的是电荷和电流的分布,电磁学中的相互作用表现为带电粒子与场的相互作用,主要表现为洛伦兹力.二是矢量场的研究与力学中不一样,微分性质包括了散度和旋度.电磁学的研究对象是电场和磁场这两个矢量场,矢量场的变化包含随时间的演化及空间分布的变化,最终以麦克斯韦方程组为高度总结,刻画了电磁场的变化与电荷、电流分布的关系.1856年麦克斯韦在《论法拉第力线》一文中指出：当磁铁运动时，自由空间的磁状态发生改变，在以太空间产生了电动力（后来称为电场），沿的环线积分便是感生电动势(或)；对求取欧姆定律的微分形式，便是感生电流(密度).因此，他认为感应中的本质是在以太空间产生了，感应电动势和感应电流只是电动力的表现形式.这样似乎平息了楞慈定律与法拉第定律之间“原因”与“结果”的哲学争议.

1862年麦克斯韦提出漩涡电场的概念，对感生电动力强度是（当时称为磁紧张态，后来称为矢量磁位），两边取旋度运算便有，从此感生电场是漩涡场.

1865年麦克斯韦根据法拉第的桶实验，提出：电性既不是点也不是面或体，而是分布在整个空间的电位移，可见的介质和不可见的以太被电动力扭拉之后形成了电位移，电位移是位移电流的先兆，总结法拉第的桶实验得知，所谓电，它是分布在整个自由空间的物理量，流入金属球a中的电流并没有结束，而是继续流向四面八方，球a中的电量即没增加也没减少，因电荷守恒而使得S面上的电流连续；改造安培环流定律，引入空间电连续定律，并把泊松方程推广到整个自由空间而得到.从此麦克斯韦的旋度方程组形成，意指：时变电场感生出磁场与时变磁场感生出电场，同生共死的交替传播，预言以太空间有光波存在.

（一）      麦克斯韦方程组简述

1.积分形式

这是1873年前后，麦克斯韦提出的表述电磁场普遍规律的四个方程.其中：

（1）描述了电场的性质.在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献.

（2）描述了磁场的性质.磁场可以由传导电流激发，也可以由变化电场的位移电流所激发，它们的磁场都是涡旋场，磁感应线都是闭合线，对封闭曲面的通量无贡献.

（3）描述了变化的磁场激发电场的规律.

（4）描述了变化的电场激发磁场的规律.

2.微分形式

在电磁场的实际应用中，经常要知道空间逐点的电磁场量和电荷、电流之间的关系.从数学形式上，就是将麦克斯韦方程组的积分形式化为微分形式.

麦克斯韦将当时已发现的电磁场基本规律归纳为4个方程，分别以微分形式描述电场性质、磁场性质，揭示了变化的电场与磁场的关系、变化的磁场与电场的关系.麦克斯韦方程以高度抽象的数学形式把电场与磁场完全统一起来，实际上起了电磁场运动方程的作用.由此出发，麦克斯韦进一步推论出了光波的存在和它的横波性，推算出光波的传播速度等于光速.这样光是一种光波就成了麦克斯韦的天才预见.当时已知的全部光现象和电磁现象几乎都可以用麦克斯韦方程表示出来.麦克斯韦方程组的建立，标志着电磁学已从实验研究跨人到了理论总结的新的发展阶段，这对于以后电磁学的发展，特别是对于此后电波学的发展，具有开拓性的理论意义.麦克斯韦的电磁学理论已成为人类知识宝库中一份博大精深的科学遗产，它在历史上的地位和影响与牛顿力学相比毫不逊色.法拉第和麦克斯韦在电动力学和光学中所引起的革命是自牛顿以来理论物理学中第一次最深刻和最富有成果的革命.决定论的思想贯穿着整个经典物理学的始末，在经典的电磁理论之中亦有体现.在电磁场理论中，牛顿的经典力学规律任然是用，或者说经典电动力学理论本身是建立在牛顿的经典力学基础之上的.对于带电粒子来说，牛顿运动定律任然适用，经典电动力学仍是决定论的.

1888年赫兹通过一对放电球的实验证实了光波的存在，即证实了麦克斯韦的预言，使麦克斯韦的“互生场”理论一举成名.于是人们承认了麦克斯韦旋度方程组，因为当时没有其它理论讨论自由空间的电波问题.

1892年洛仑兹在他的有关电子论的论文中首先提出了电荷在磁场中运动时受磁力的作用，当时他是通过理论推导而得到的，后来被大量物理实验所证明.

从1895年起，物理学中又产生一种发人深思的新情况.汤姆生（J．J．Thomson）把原子分解为更微小的质点，这些质点更分解为带电的单位，其质量被解释为仅是电磁动量的一个因子而已，“电”真仿佛可以对物理科学中的一切现象给予最后的和充分的解释了.

1896年洛仑兹提出电子论，创建了金属电子理论.相应地在导体内金属电子切割磁力线时受洛仑兹磁力而沿着导线漂移，形成感应电流，其感生电流的密度（这里是单位体积中的电子数，是电子电量，是金属电子在磁力作用下的飘移速度）.洛仑兹还批评麦克斯韦而指出“麦克斯韦从不相信电荷体，总是以他的电位移代替电荷，人们也很难理解他指的电荷是什么，他也从不问及电磁场是怎么产生的，在他的理论中，似乎电磁场来自无穷远处，一种不需要源的场，……电荷的运动才是产生一切电磁场的根源”.[再根据欧姆定律的微分形式，便得到导体内感生电动势，其本质是受力.]

1897年(麦克斯韦去世后的第18年，亥姆霍尔芝和赫芝去世后的第3年），J·J汤姆逊发现电子，证实了洛仑兹的电子论的正确性.

1905年爱因斯坦总结麦克斯韦电动力学，以麦克斯韦的旋度电场理论为依据而论述相对论，在他发表的首文中写道：根据麦克斯韦电动力学，当线圈禁止而磁铁运动时，空间磁场随时间改变，在线圈中产生了电流；而当磁铁禁止而线圈运动时，空间磁场并没有随时间改变，但线圈中仍然产生了电流，可见空间本不该对称，它是相对的.

1905年爱因斯坦根据洛仑兹电子论、J·J汤姆逊对电子的发现，考察光电二极管并联想到黑体辐射中的量子假设而提出波粒二象性.人们开始研究光电效应的应用.在１８世纪，人们关于电只知道存在电荷，它们相互吸引或排斥跟它们的距离的平方成反比.在引力学说领域，实质上，我们知道某种与此相似的东西——重物的相互作用定律，仅此而已.但是，电的学说在一个半世纪内已经得出了电磁场概念.

科学理论有两个最基本的特点：一是与实践检验相联系，就是具有客观真理性；二是与形式结构相联系，就是构成严密的逻辑体系.从某种意义上说，相对论本身并没有问题，问题在于人们对它进行了错误的理解，因此相对论不需要修改了，更不需要推翻，而是需要还相对论以本来面目.爱因斯坦说：‘相对论是从场的问题兴起的.由于旧理论的矛盾与不一致，迫使我把新的性质归之于自然界的一切现象的舞台——时空连续区.’‘场，用来描写物理现象最重要的不是带电体，也不是粒子，而是带电体之间与粒子之间的空间中的场，这需要很大的科学想象力才能理解.’对于电磁场，‘现在唯一的出路，便是认定空间具有一种发送光波的物理性能，而不过分顾虑这句话有何真正意义.’(《物理学的进化》)

物理学史作为专门描述物理学发展的科学在大学物理教学中是必不可少的,它既包含物理学家的科学思想,也包括物理学的科学探究方法,还包含物理学在人类社会发展过程中所作出的重要贡献.教师利用丰富的物理学史知识在课堂中适当引入,不仅可以调动课堂授课氛围,激发学习兴趣,理解物理科学本质,培养学生的科学思辨思维和负责任的科学态度,并且可以引导学生在掌握物理知识的过程中真正体会物理学家解决问题的科学研究方法、坚持不懈的探索精神和责任担当,有助于培养学生创造性思维能力、爱国主义情怀和人文素养以及辩证唯物主义和历史唯物主义观点,综合培养和提高学生的核心素养.