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电磁场与电磁波论文

对电磁场与电磁波的发展及认识

肖江电子103班

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关键词：电磁场、电磁波、磁偶极子、麦克斯韦

电磁场与电磁波的发展

每一门学科都有一个发展完善的过程，我们这学期学的《电磁场

与电磁波》也同样经历过一段曲折而又艰辛的道路，无数们先辈用智

慧与汗水的结晶给我们后人留下了无尽的财富。

虽然我们初中物理就学过电和磁之类的相关东西，但真正让我对

其有一定了解的还是在高中时期，那是我们就知道了磁和电之间有着

很紧密的联系，电能生磁反过来磁也能生电，最明显的例子就是导体

切割磁场线能产生感应电动势，那是我们就觉得电和磁是种很神奇的

东西，看不见摸不着但却真实的存在我们每个人身边。

我国是发现和使用天然磁石最早的国家，早在两千多年前的春秋

战国时期我们的祖先就发现了能够吸引铁的“慈石”。在西方，磁现

象首先由古希腊著名的哲学家泰勒斯发现。公元前三世纪的战国时期，

在《韩非子》这部著作中，记载了用磁石指示方向的仪器——司南，

后将磁针装在轴上，放在盒子里，成为罗盘。后来，指南针经阿拉伯

传入欧洲，在航海领域显示出巨大的价值。由此可见，电磁现象很早

就已经被发现。在磁的本质探索方面，经过了长期多次的反复曲折过

程。然而真正对电磁现象的系统研究则要等到十六世纪以后，并且静

电学的研究要晚于静磁学，这是由于难以找到一个能产生稳定静电场

的方法，这种情况一直持续到1660年摩擦起电机被发明出来。十八世

纪以前，人们一直采用这类摩擦起电机来产生研究静电场，代表人物

如本杰明·富兰克林。人们在这一时期主要了解到了静电力的同性相斥、

异性相吸的特性、静电感应现象以及电荷守恒原理。后来，人们曾将

静电力与在当时已享有盛誉的万有引力定律做类比，发现彼此在理论

和实验上都有很多相似之处，包括实验观测到带电球壳内部的球体不

会带电，这和有质量的球壳内部物体不会受到引力作用（由牛顿在理

论上证明，是平方反比力的一个特征）的情形类似。其间苏格兰物理

学家约翰·罗比逊（1759年）和英国物理学家亨利·卡文迪什（1773年）

等人都进行过实验验证了静电力的平方反比律，然而他们的实验却迟

迟不为人知。法国物理学家夏尔·奥古斯丁·库仑于1784年至1785年

间进行了他著名的扭秤实验，其实验的主要目的就是为了证实静电力

的平方反比律，因为他认为“假说的前一部分无需证明”，也就是说

他已经先验性地认为静电力必然和万有引力类似，和电荷电量成正比。

库仑在其后的几年间也研究了磁偶极子之间的作用力，他也得出了磁

力也具有平方反比律的结论。不过，他并未认识到静电力和静磁力之

间有何内在联系，而且他一直将电力和磁力吸引和排斥的原因归结于

假想的电流体和磁流体——具有正和负区别的，类似于“热质”一般

的无质量物质。静电力的平方反比律确定后，很多后续工作都是同万

有引力做类比从而顺理成章的结果。1813年法国数学家、物理学家西

莫恩·德尼·泊松指出拉普拉斯方程也适用于静电场，从而提出泊松方程；

其他例子还包括静电场的格林函数（乔治·格林，1828年）和高斯

定理（卡尔·高斯，1839年）。1826年，安培从斯托克斯定理推导得

到了著名的安培环路定理，证明了磁场沿包围产生其电流的闭合路径

的曲线积分等于其电流密度，这一定理成为了麦克斯韦方程组的基本

方程之一。安培的工作揭示了电磁现象的内在联系，将电磁学研究真

正数学化，成为物理学中又一大理论体系——电动力学的基础。麦克

斯韦称安培的工作是“科学史上最辉煌的成就之一”，后人称安培为

“电学中的牛顿”。法拉第发现，在相同条件下不同金属导体回路中

产生的感应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电流

是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电

流，感应电动势依然存在。在法拉第发现电磁感应现象的那一年，英

国物理学家、数学家麦克斯韦出生，他因创立电磁场理论而成为十九

世纪最伟大的物理学家，他对电磁理论的贡献是里程碑式的。麦克斯

韦于1856年发表了他的第一篇论文《论法拉弟的力线》，在这篇文章

中，他试图用数学语言精确地表述法拉弟的力线概念，他采用数学推

论与物理类比相结合的方法，以假想流体的力学模型去模拟电磁现象。

当前，人们已经认识到，“磁”是一种普遍存在的物质，小至电

子、原子、分子，大至地球、太阳系、银河系都有或强或弱的磁场。

人体内部的心、肺、大脑和肌肉也存在着微弱