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他解决了物理学千年争端,成就肩比牛顿、爱因斯坦,但却鲜有人知

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电磁学是经典物理学的一部分,提到电磁学时,必须提到经典电动力学的创始人麦克斯韦。

麦克斯韦的名声似乎不如牛顿和爱因斯坦那么出名,毕竟,当涉及到牛顿时,这个公式看起来好像是条件反射(力分析没有告诉你);但当我们谈论麦克斯韦时,这是迎头而上的打击

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也许这就是为什么麦克斯韦不像牛顿那样出名的原因。毕竟,麦克斯韦方程组中的四个方程可以通过从中取出一个或一个问题来引入一两个问题。

电磁统一之旅

早在春秋战国时期,就有"山有石,其下有铜金"的记录。可以看出,人们对磁现象的理解可以追溯到很久以前。静电现象只在西汉时期有记载。

1600年,伊丽莎白女王的皇家医生吉尔伯特出版了《磁学》,为天然磁体和地磁学的研究做出了重要贡献。他还发现,许多物质,如钻石、蓝宝石、树脂、明矾等,摩擦后都能吸引小物体,但这些性质并不像磁现象那样可以引导北方,所以他称这种性质为"电",并发明了第一个电学测试。

1745年,荷兰莱顿的Muhinbrok发明了电容器的原始形式,即莱顿瓶,以保持空气中的电力。莱顿瓶的发明为进一步研究电力提供了有利条件。几乎在同一时间,富兰克林提出,电是存储在所有物质中的一种元素,可以通过摩擦来转移。他认为,由摩擦驱动的物体带正电,失去电能的物体带负电。正电和负电这个词一直被使用到今天。

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在18世纪后期,科学家开始研究电荷的相互作用。1766年,普里斯特利推测电和重力之间的相互作用应该是相似的,即力的大小与距离平方的逆比,但没有证明这一点。

1773年,卡文迪什证实了普里斯特利的猜测,给出了电与距离平方之比不超过2%的误差幅度。1785年,卡伦设计了扭曲尺度实验,它直接测量了两个固定电荷之间相互作用的平方反比和乘积的比例关系。

尽管富兰克林早在1750年就观察到莱顿瓶放电可以磁化钢针,甚至更早就发现闪电影响了指南针,但到了19世纪,科学界认为电和磁是两回事。

然而,丹麦自然哲学家奥斯特却持截然相反的观点,在康德的影响下,他坚信电与磁之间是有关系的。最终,他发现电流通过导线导致磁针偏转,并发现了电流的磁效应。

奥斯特的电流磁效应为电磁研究打开了一扇新的大门。差不多在同一时间,安培发现了电流线圈的磁效应(也就是中学老师经常问你:不敢伸手过,让你知道什么叫右手(规则),阿拉戈研究了钢和铁在电流下的磁化,Bio和Safar研究了导线对磁极力的影响。这些结果进一步密切了电和磁之间的关系。

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电流的磁效应最终应用于人们的生产和生活,特别是在第二次工业革命期间,电力的使用大大提高了人们的生产力,促进了电磁研究的发展。

1833年,高斯和韦伯制造了第一台单线电报机,1837年,惠斯通和莫尔斯独立发明了电报机,通过莫尔斯的代码,它可以在纸带上传输信息。1876年,贝尔发明了电话,它允许电磁效应传输人们的语音信息。

除应用外,利用电流磁效应发明的电流流量计极大地促进了相关学科的发展。由于电流表的出现,它为欧姆发现电流定律提供了条件。但由于节能的概念尚未形成,人们对电流的热效应仍然感到困惑。直到1848年,基尔霍夫才从能量的角度研究了电路,以了解电位差,电动势和电场的概念。

既然我们知道电流具有磁效应,那么磁性也必须具有电效应。著名物理学家法拉第研究了电磁感应现象,并确定了电磁感应定律,即感应电动势取决于磁场随时间变化的规律。

但法拉第的数学不好,真实表达式由诺依曼给出,感应电流的方向由环给出。在此基础上,法拉第制造了第一台发电机和电动机。此外,他建议用"电力线"和"磁力线"来描述空间电磁场的分布,注意到这些线是物质的,电和磁力都是由这些线传递的,并基于这些线的"产生"收敛"来研究"源"。

电磁学的面纱已经逐渐揭开,但需要整合。就在那时,我们的主角麦克斯韦上场了。然而,早些时候,诺依曼和韦伯等物理学家想要统一电磁现象,但他们对超距离的看法使他们没有成功。

法拉第的"线"想法启发了麦克斯韦。他试图将电磁现象与力学现象等同起来,以统一它们。他相信不断变化的磁场会刺激涡旋。相反,不断变化的电场也会产生磁场,引入了"位移电流"的概念。这允许潜在的位移激发磁场。

因此,结合之前人们的工作(高斯定理,安培环定理,和Bio-Safar定律等),麦克斯韦总结了电磁学的最终公式 - 麦克斯韦方程组:

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如果我们简单地理解这些公式,我们不妨将它们视为简单地描述空间的方向,无论它们如何变化,那么第一个公式表明,如果通过表面的电场强度通量是由给定闭合表面内的闭合表面中的电决定的,那么第二个公式是用磁场替换第一个公式的电场, 如果采用闭环,则通过回路的电流强度与磁感应强度有关;第三个公式表示变化的磁场产生电场第四个公式指出磁场是由变化的电场和位移电流产生的。使用麦克斯韦方程组,我们还可以计算出光速。

这样,光和电磁波也是联系在一起的,也就是说,麦克斯韦光、电、磁都统一在一起。

天上嫉妒天赋

古云:天降大物在老百姓中也要,首先要吃苦自己的心,耕耘自己的骨头,饿着自己的皮肤。

但对于麦克斯韦来说,这似乎并不适用。麦克斯韦的一生可以说是很平凡,没有一个字像金狄拉克那样低调成名,也没有花花公子薛定谔那样受欢迎。可以说是为数不多的"正常"科学家。

但黄金总是发光,16岁时,他进入爱丁堡大学,开始过着开放的生活(有科学家自己的发际线)。1850年,他转学到剑桥大学,毕业后留在那里。麦克斯韦于1954年开始研究电磁学,到1873年,他的大全书《电与磁》已经出版。出版仅六年后,1879年,麦克斯韦去世。

麦克斯韦一生都没有享受到他应得的荣誉,因为他的科学思想和方法的意义直到20世纪科学革命的诞生才得到充分体现。

如果你回顾麦克斯韦出生和死亡的那一年,我们会发现两个惊人的巧合 - 法拉第在麦克斯韦出生的那一年发现了电磁感应;

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结语

任何学科都有自己独特的发展历史,是人类长期活动和理论思维的产物。在回顾学科发展史和为学科发展做出重要贡献的科学家的过程中,除了了解科学家自身的思维方式和思维方式外,更重要的是了解人们如何在贫瘠的荒野中建造庄严的科学建筑。

其实,物理测试最好去拜访麦克斯韦,因为他的名字叫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,马克斯·威尔,好到极点。借用这个物理学巨人的名字,祝你在新的一年里好运(事实上,我宁愿有桃花),马克斯嗯。

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简介:不愿透露姓名的梁天宇目前是华中师范大学粒子物理和原子核物理硕士生,正在寻找无中微子的孪β衰变。学术不精致,艺术行业不行,什么都做不到,尽自己最大的努力做好一些相关的科普工作,把不足之处也希望得到纠正。

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