
電磁學是經典實體學的一部分,提到電磁學時,必須提到經典電動力學的創始人麥克斯韋。
麥克斯韋的名聲似乎不如牛頓和愛因斯坦那麼出名,畢竟,當涉及到牛頓時,這個公式看起來好像是條件反射(力分析沒有告訴你);但當我們談論麥克斯韋時,這是迎頭而上的打擊
也許這就是為什麼麥克斯韋不像牛頓那樣出名的原因。畢竟,麥克斯韋方程組中的四個方程可以通過從中取出一個或一個問題來引入一兩個問題。
電磁統一之旅
早在春秋戰國時期,就有"山有石,其下有銅金"的記錄。可以看出,人們對磁現象的了解可以追溯到很久以前。靜電現象隻在西漢時期有記載。
1600年,伊麗莎白女王的皇家醫生吉爾伯特出版了《磁學》,為天然磁體和地磁學的研究做出了重要貢獻。他還發現,許多物質,如鑽石、藍寶石、樹脂、明礬等,摩擦後都能吸引小物體,但這些性質并不像磁現象那樣可以引導北方,是以他稱這種性質為"電",并發明了第一個電學測試。
1745年,荷蘭萊頓的Muhinbrok發明了電容器的原始形式,即萊頓瓶,以保持空氣中的電力。萊頓瓶的發明為進一步研究電力提供了有利條件。幾乎在同一時間,富蘭克林提出,電是存儲在所有物質中的一種元素,可以通過摩擦來轉移。他認為,由摩擦驅動的物體帶正電,失去電能的物體帶負電。正電和負電這個詞一直被使用到今天。
在18世紀後期,科學家開始研究電荷的互相作用。1766年,普裡斯特利推測電和重力之間的互相作用應該是相似的,即力的大小與距離平方的逆比,但沒有證明這一點。
1773年,卡文迪什證明了普裡斯特利的猜測,給出了電與距離平方之比不超過2%的誤差幅度。1785年,卡倫設計了扭曲尺度實驗,它直接測量了兩個固定電荷之間互相作用的平方反比和乘積的比例關系。
盡管富蘭克林早在1750年就觀察到萊頓瓶放電可以磁化鋼針,甚至更早就發現閃電影響了指南針,但到了19世紀,科學界認為電和磁是兩回事。
然而,丹麥自然哲學家奧斯特卻持截然相反的觀點,在康德的影響下,他堅信電與磁之間是有關系的。最終,他發現電流通過導線導緻磁針偏轉,并發現了電流的磁效應。
奧斯特的電流磁效應為電磁研究打開了一扇新的大門。差不多在同一時間,安培發現了電流線圈的磁效應(也就是中學老師經常問你:不敢伸手過,讓你知道什麼叫右手(規則),阿拉戈研究了鋼和鐵在電流下的磁化,Bio和Safar研究了導線對磁極力的影響。這些結果進一步密切了電和磁之間的關系。
電流的磁效應最終應用于人們的生産和生活,特别是在第二次工業革命期間,電力的使用大大提高了人們的生産力,促進了電磁研究的發展。
1833年,高斯和韋伯制造了第一台單線電報機,1837年,惠斯通和莫爾斯獨立發明了電報機,通過莫爾斯的代碼,它可以在紙帶上傳輸資訊。1876年,貝爾發明了電話,它允許電磁效應傳輸人們的語音資訊。
除應用外,利用電流磁效應發明的電流流量計極大地促進了相關學科的發展。由于電流表的出現,它為歐姆發現電流定律提供了條件。但由于節能的概念尚未形成,人們對電流的熱效應仍然感到困惑。直到1848年,基爾霍夫才從能量的角度研究了電路,以了解電位差,電動勢和電場的概念。
既然我們知道電流具有磁效應,那麼磁性也必須具有電效應。著名實體學家法拉第研究了電磁感應現象,并确定了電磁感應定律,即感應電動勢取決于磁場随時間變化的規律。
但法拉第的數學不好,真實表達式由諾依曼給出,感應電流的方向由環給出。在此基礎上,法拉第制造了第一台發電機和電動機。此外,他建議用"電力線"和"磁力線"來描述空間電磁場的分布,注意到這些線是物質的,電和磁力都是由這些線傳遞的,并基于這些線的"産生"收斂"來研究"源"。
電磁學的面紗已經逐漸揭開,但需要整合。就在那時,我們的主角麥克斯韋上場了。然而,早些時候,諾依曼和韋伯等實體學家想要統一電磁現象,但他們對超距離的看法使他們沒有成功。
法拉第的"線"想法啟發了麥克斯韋。他試圖将電磁現象與力學現象等同起來,以統一它們。他相信不斷變化的磁場會刺激渦旋。相反,不斷變化的電場也會産生磁場,引入了"位移電流"的概念。這允許潛在的位移激發磁場。
是以,結合之前人們的工作(高斯定理,安培環定理,和Bio-Safar定律等),麥克斯韋總結了電磁學的最終公式 - 麥克斯韋方程組:
如果我們簡單地了解這些公式,我們不妨将它們視為簡單地描述空間的方向,無論它們如何變化,那麼第一個公式表明,如果通過表面的電場強度通量是由給定閉合表面内的閉合表面中的電決定的,那麼第二個公式是用磁場替換第一個公式的電場, 如果采用閉環,則通過回路的電流強度與磁感應強度有關;第三個公式表示變化的磁場産生電場第四個公式指出磁場是由變化的電場和位移電流産生的。使用麥克斯韋方程組,我們還可以計算出光速。
這樣,光和電磁波也是聯系在一起的,也就是說,麥克斯韋光、電、磁都統一在一起。
天上嫉妒天賦
古雲:天降大物在老百姓中也要,首先要吃苦自己的心,耕耘自己的骨頭,餓着自己的皮膚。
但對于麥克斯韋來說,這似乎并不适用。麥克斯韋的一生可以說是很平凡,沒有一個字像金狄拉克那樣低調成名,也沒有花花公子薛定谔那樣受歡迎。可以說是為數不多的"正常"科學家。
但黃金總是發光,16歲時,他進入愛丁堡大學,開始過着開放的生活(有科學家自己的發際線)。1850年,他轉學到劍橋大學,畢業後留在那裡。麥克斯韋于1954年開始研究電磁學,到1873年,他的大全書《電與磁》已經出版。出版僅六年後,1879年,麥克斯韋去世。
麥克斯韋一生都沒有享受到他應得的榮譽,因為他的科學思想和方法的意義直到20世紀科學革命的誕生才得到充分展現。
如果你回顧麥克斯韋出生和死亡的那一年,我們會發現兩個驚人的巧合 - 法拉第在麥克斯韋出生的那一年發現了電磁感應;
結語
任何學科都有自己獨特的發展曆史,是人類長期活動和理論思維的産物。在回顧學科發展史和為學科發展做出重要貢獻的科學家的過程中,除了了解科學家自身的思維方式和思維方式外,更重要的是了解人們如何在貧瘠的荒野中建造莊嚴的科學建築。
其實,實體測試最好去拜訪麥克斯韋,因為他的名字叫詹姆斯·克拉克·麥克斯韋,馬克斯·威爾,好到極點。借用這個實體學巨人的名字,祝你在新的一年裡好運(事實上,我甯願有桃花),馬克斯嗯。
簡介:不願透露姓名的梁天宇目前是華中師範大學粒子實體和原子核實體碩士生,正在尋找無中微子的孿β衰變。學術不精緻,藝術行業不行,什麼都做不到,盡自己最大的努力做好一些相關的科普工作,把不足之處也希望得到糾正。