關(guān)于電磁學(xué)
電磁學(xué)是研究電、磁和電磁相互作用現(xiàn)象及其規(guī)律和應(yīng)用的物理學(xué)分支學(xué)科。根據(jù)近代物理學(xué)的觀點(diǎn)，磁的現(xiàn)象是由運(yùn)動電荷所產(chǎn)生，因而在電學(xué)的范圍內(nèi)必然不同程度地包含有磁學(xué)的內(nèi)容。這樣，電磁學(xué)和電學(xué)的內(nèi)容就很難截然劃分，而“電學(xué)”有時(shí)也就作為“電磁學(xué)”的簡稱。
關(guān)于電磁學(xué)的發(fā)展簡史
由于歷史上的原因（*早，磁曾被認(rèn)為是與電獨(dú)立無關(guān)的現(xiàn)象），同時(shí)也由于磁學(xué)本身的發(fā)展和應(yīng)用，如近代磁性材料和磁學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的磁效應(yīng)和磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用等等，使得磁學(xué)的內(nèi)容不斷擴(kuò)大，而磁學(xué)在實(shí)際上也就作為一門和電學(xué)相平行的學(xué)科來研究。電磁學(xué)從原來互相獨(dú)立的兩門科學(xué)(電學(xué)、磁學(xué))發(fā)展成為物理學(xué)中一個完整的分支學(xué)科，主要是基于兩個重要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即電的流動產(chǎn)生磁效應(yīng)，而變化的磁場則產(chǎn)生電效應(yīng)。這兩個實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加上J.C.麥克斯韋關(guān)于變化電場產(chǎn)生磁場的假設(shè)，奠定了電磁學(xué)的整個理論體系，發(fā)展了對現(xiàn)代文明起重大影響的電工和電子技術(shù)。
麥克斯韋電磁理論的重大意義，不僅在于這個理論支配著一切宏觀電磁現(xiàn)象（包括靜電、穩(wěn)恒磁場、電磁感應(yīng)、電路、電磁波等等），而且在于它將光學(xué)現(xiàn)象統(tǒng)一在這個理論框架之內(nèi)，深刻地影響著人們認(rèn)識物質(zhì)世界的思想。電子的發(fā)現(xiàn)，使電磁學(xué)和原子與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論結(jié)合了起來，H.A.洛倫茲的電子論把物質(zhì)的宏觀電磁性質(zhì)歸結(jié)為原子中電子的效應(yīng)，統(tǒng)一地解釋了電、磁、光現(xiàn)象。
和電磁學(xué)密切相關(guān)的是經(jīng)典電動力學(xué)，兩者在內(nèi)容上并沒有原則的區(qū)別。一般說來，電磁學(xué)偏重于電磁現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究，從廣泛的電磁現(xiàn)象研究中歸納出電磁學(xué)的基本規(guī)律；經(jīng)典電動力學(xué)則偏重于理論方面，它以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎(chǔ)，研究電磁場分布，電磁波的激發(fā)、輻射和傳播，以及帶電粒子與電磁場的相互作用等電磁問題，也可以說，廣義的電磁學(xué)包含了經(jīng)典電動力學(xué)。關(guān)于相對論和量子理論對電磁學(xué)發(fā)展的影響，見相對論電動力學(xué)、量子電動力學(xué)。
電磁學(xué)-電磁場理論
1 類比
1855年發(fā)表《論法拉第力線》，他以一種幾何觀點(diǎn)，為法拉第的力線作出了數(shù)學(xué)描繪。他在文章中寫到：“如果人們從任意一點(diǎn)畫一條線，并且當(dāng)人們沿這條線走時(shí)，線上任一點(diǎn)的方向，總是和該點(diǎn)力的方向重合，那么這條曲線就表示他所通過的各點(diǎn)的合力的方向，并且在這個意義上才稱為力線。用同樣的方法人們可以畫出其它力線。知道曲線充滿整個空間以表示任一指定點(diǎn)的方向?！边@樣，力線的切線方向就是電場力的方向，力線的密度表示電場力的大小。
麥可斯韋用類比的方法，把力線看作不可壓縮的流體的流線。由此他把力線、力管等與流體力學(xué)的理論做比較，如把正、負(fù)電荷比作流體的源和匯，電力線比作流管，電場強(qiáng)度比作流速等，引入一種新的矢量函數(shù)來描述電磁場?？梢哉f把法拉第的物理翻譯成了數(shù)學(xué)。在文章中，麥可斯韋導(dǎo)出了電流四周的磁力線和磁力之間的關(guān)系，表示描述電流和磁力線的一些物理量之間的定量關(guān)系的矢量微分方程，以及電流間作用力和電磁感應(yīng)定律的定量公式。當(dāng)法拉第看到麥可斯韋的文章后贊嘆到：“我驚訝的看到，這個主題居然處理的如此之好！”
1860年，70歲的法拉第和30歲的年輕人麥克斯韋見面了，建立電磁理論的共同心愿超越了年齡的鴻溝，法拉第對麥克斯說：“你不要停留在用數(shù)學(xué)來解釋我的觀點(diǎn)上，而應(yīng)該突破它?！?/span>2．麥克斯韋的“以太渦旋模型”和“位移電流”
1862年，麥可斯韋發(fā)表了**篇電磁學(xué)論文《論物理力線》。麥可斯韋引進(jìn)了一種媒質(zhì)的理論，提出了電磁以太模型，把電學(xué)量和磁學(xué)量之間的關(guān)系，形象的表現(xiàn)出來。如右圖，這種模型理論中，充滿空間的媒質(zhì)在磁作用下具有旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，即給排列著的許多分子渦旋，它們以磁力線為軸形成渦旋管，渦旋管轉(zhuǎn)動的角速度正比于磁場強(qiáng)度H，渦旋媒質(zhì)的密度正比于媒質(zhì)磁導(dǎo)率μ。渦旋管旋轉(zhuǎn)的離心效應(yīng)，使管在橫向擴(kuò)張，同時(shí)產(chǎn)生縱向收縮。
渦旋管旋轉(zhuǎn)的離心效應(yīng)，使管在橫向擴(kuò)張，同時(shí)產(chǎn)生縱向收縮。因此磁力線在縱向表現(xiàn)為張力，即異性磁極的吸引；在橫向表現(xiàn)為壓力，即同性磁極的排斥。
由于相互緊密連接的渦旋管的表面是沿相反方向運(yùn)動的，為了互不妨礙對方的運(yùn)動，麥可斯韋設(shè)想在相臨渦旋管之間充滿著一層起惰性或滾珠軸承作用的微小粒子。它們是些遠(yuǎn)比渦旋的線度小、質(zhì)量可以忽略的帶電粒子。粒子和渦旋的作用是切向的。粒子可以滾動，但沒有滑動；在均勻恒定磁場，即每個渦旋管轉(zhuǎn)動速度相同的情況下，這些粒子只繞自身的軸自轉(zhuǎn)，但當(dāng)兩側(cè)渦旋管轉(zhuǎn)速不同時(shí)，粒子的中心則以兩側(cè)渦旋邊緣運(yùn)動的差異情況而運(yùn)動。
對于非均勻磁場，即隨位置不同磁力的強(qiáng)度不同，因而渦旋管的轉(zhuǎn)速也不同的情況，渦旋管間的粒子則發(fā)生移動。根據(jù)渦旋理論，單位時(shí)間通過單位面積的粒子數(shù)即渦旋的流量j與渦旋管旋轉(zhuǎn)的切線速度H的旋度成正比，即：此處j對應(yīng)于電流，H對應(yīng)于磁場，此方程即為電磁場的運(yùn)動方程。它說明電粒子的運(yùn)動必然伴隨分子的磁渦旋運(yùn)動，這也就是電流產(chǎn)生磁力線的類比機(jī)制。對于磁場隨時(shí)間變化的情況，渦旋運(yùn)動的能量變化（因H變化）必然受到來自粒子層切向運(yùn)動的力，這個力E滿足關(guān)系：其中?H/?t是渦旋速度的變化率，E為作用于粒子層的力，對應(yīng)于該點(diǎn)的感應(yīng)電動勢。它說明磁介質(zhì)中不穩(wěn)定的磁渦旋運(yùn)動，必引起電的運(yùn)動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生電流。此式為電磁場的動力學(xué)方程。
“位移電流”的提出：在論文第三部分，麥克斯韋把渦旋模型推廣到靜電現(xiàn)象。由于H=0，所以媒質(zhì)由具有彈性的靜止的渦旋管和粒子層組成。當(dāng)媒質(zhì)處于電場中時(shí)，粒子層將受到電力E的作用而發(fā)生位移，并給渦旋管以切向力使之發(fā)生形變。形變的渦旋管則因內(nèi)部的彈性張力而對粒子層施以大小相等方向相反的作用力，當(dāng)兩力平衡時(shí)，粒子處于靜止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)電場能在媒質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥詣菽堋?br>
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| 示意圖 |
對于絕緣介質(zhì)，麥克斯韋進(jìn)一步假設(shè)：受到電力作用的絕緣介質(zhì)，它的粒子將處于極化狀態(tài)，雖然粒子不能自由運(yùn)動，但電力對整個介質(zhì)的影響是引起電在一定方向上的一個總位移D。當(dāng)電場發(fā)生變化的時(shí)候，粒子的總位移D也跟著發(fā)生變化，從而形成正負(fù)方向上的電流。這就是說，電位移對時(shí)間的微商?D/?t也一定具有和電流相同的作用。這就是麥克斯韋理論中重要的“位移電流”假設(shè)。
麥克斯韋利用他所構(gòu)造的電磁以太力學(xué)模型。不僅說明了法拉第磁力線的應(yīng)用性質(zhì)，還建立了全部主要電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系；但麥克斯韋清楚的認(rèn)識到上述模型的暫時(shí)性，他僅僅把他看做是一個“力學(xué)上可以想象和便于研究的適宜于揭示已知電磁現(xiàn)象之間真實(shí)的力學(xué)聯(lián)系”的模型。所以在1864～1865年的論文《電磁場的動力學(xué)理論》中，他完全放棄了這個模型，去掉了關(guān)于媒質(zhì)結(jié)構(gòu)的假設(shè)，只以幾個基本的實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，以場論的觀點(diǎn)對自己的理論進(jìn)行了重建。
他說“我所提出的理論可以稱為電磁場理論，因?yàn)樗仨毶婕暗綆щ婓w和磁性物質(zhì)周圍的空間；它也可以叫做動力學(xué)理論，因?yàn)樗俣ㄔ谠摽臻g存在著正在運(yùn)動的物質(zhì)，從而才產(chǎn)生了人們所觀察到的電磁現(xiàn)象。”“電磁場就是處于電磁狀態(tài)的物體周圍的空間，包括這些物體本身在內(nèi)：場中可以只有某種物質(zhì)，也可以抽成沒有宏觀物質(zhì)的空間，象蓋斯勒管或其它叫真空的情形那樣”。麥克斯韋假設(shè)真空中雖沒有“宏觀物質(zhì)”存在，但有以太媒質(zhì)。這種以太媒質(zhì)充滿整個空間，滲透物體內(nèi)部，具有能量密度，并能以有限速度傳播電磁作用。
3. 麥克斯韋電磁方程組
1873年，麥克斯韋出版《電磁學(xué)通論》，他不僅用數(shù)學(xué)理論發(fā)展了法拉第的思想，還創(chuàng)造性的建立了電磁場理論的完整體系。在這本書中，他的思想得到更完善的發(fā)展和更系統(tǒng)的陳述。他把以前的電磁場理論都綜合在一組方程式中，得到了電磁場的數(shù)學(xué)方程-----麥克斯韋電磁方程組。以簡潔的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，揭示了電場和磁場內(nèi)在的**對稱?！峨姶艑W(xué)通論》是人類**個有關(guān)經(jīng)典場論的不朽之作。*初，在《電磁學(xué)通論》書中，麥克斯韋共列出了20個分量方程，如果采用矢量方程，則僅有8個。后來簡化成四個。1890年前后，德國物理學(xué)家赫茲和英國物理學(xué)家亥維賽，又兩次簡化麥克斯韋方程組，才得到人們通用的微分形式。
4．電磁波的預(yù)言
麥克斯韋方程組的一個重要結(jié)果，就是預(yù)言了電磁波的存在。麥克斯韋通過計(jì)算，從方程組中導(dǎo)出了自由空間中電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的波動方程表示：電或磁的擾動，將在以太媒質(zhì)里以速度c傳播著。并且推出了電磁波的傳播速度為：，式中ε是介電常數(shù)，μ為磁導(dǎo)率。
5．光波就是電磁波的提出
1856年韋伯測定上述速度值為：c=31.074萬公里/秒，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)這個值與1849年斐索測得的光速31.50萬公里/秒十分接近。他認(rèn)為這不是巧合，而是由于光的本質(zhì)與電磁波相同，從而提出了光的電磁理論。它表明“光本身乃是以波的形式在電磁場中按電磁規(guī)律傳播的一種電磁振動”。從而將電、磁、光理論進(jìn)行了一次偉大的綜合。
麥克斯韋說：“把數(shù)學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究聯(lián)合使用所得到的物理知識，比之一個單純實(shí)驗(yàn)人員或單純的數(shù)學(xué)家能具有的知識更堅(jiān)實(shí)，有益和鞏固”。