世界近代后期科技史-第4章

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　（1791—1867年，英国）约稿，请他综述电磁学发展概况。这一工作促使法　

拉弟转向电磁学的研究，最终导致电磁感应现象的伟大发现。　

　　　　　是年9月，他在重复奥斯特的实验时想到电流可能使磁体做连续的转　

动。到年底他发明了这样一种装置，他把一根一端可绕轴转动的磁针放在水　

银中，当电流通过水银时，磁针就连续地转动起来。这实质是第一台电动机。　

　　　　从1821年至1822年，受静电感应和静磁感应的启发，安培和菲涅耳等　

人都致力于探索用磁感应出电的途径，但没有成功。法拉弟在1822年的日记　

中写道“从普通的磁中获得电的希望，时时激励着我从实验上去探求电流感　

应现象。”他苦干了10年，直到1831年8月才获得突破。他用一个外径6　

时的软铁圆环，其上各绕两个线圈，当其中一个线圈在通电或断电的瞬间，　

在另一个中就感应出电流来，使放在附近的磁针偏转。后来他用磁棒插入空　

心线圈中也得到了感生电流，这使他领悟到“作用不是持久的，而纯属瞬时　

的推或拉。”是年12月，他表演了一个实验，他把铜盘装在水平的轴上，使　

铜盘转动时其边缘通过一个碲形磁铁，当盘转动起来，所产生的感生电流由　

轴上引出，通过电线再回到铜盘边缘，这实质上是第一台发电机，一位在场　

的夫人讥笑地问“您的发明有什么用？”法拉弟回答：“夫人，新生的婴儿　

又有什么用呢？”11月，法拉弟在一篇论文中总结了五大类产生感生电流的　

情况，并把这一现象定名叫“电磁感应”。　

　　　　　1851年，他对电流的磁感应定律作了较完善的表述：“形成电流的力量　

正比于切割的磁力线数”。　

　　　　　与法拉弟同时进行有关电磁感应研究的还有亨利　（1799—1878年，美　


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国），他在1832年发表论文，叙述了在听到法拉弟的工作之前和以后的研究　

成果。同年，他发表了自感现象的研究论文。1833年，物理学家楞茨（1804　

—1863年，俄国）提出判断感生电流方向的方法，现在称之为楞茨定律。　

　　　　　从18世纪末到19世纪初，一些著名的学者如法国的库仑、安培等人倾　

向于用超距观点研究电磁现象。然而法拉弟却继承了笛卡尔的近距作用观　

念，思索着电荷之间的相互作用是借助于什么传递的。1837年，他发现电容　

器中加入介质，电容器能容纳更多的电荷。与此类似，在线圈中放入铁芯，　

从而增强了电磁铁的磁性。这些事实使法拉弟深信电力与磁力是通过中间的　

某种介质传递的。他设想这是一种由电和磁激发的物质，它像以太那样连续　

分布在空间中，在带电体和磁体的周围，传递着电力和磁力。他想象这种连　

续分布的物质应与流体场相似，是由力线或力管组成，它们连结着相反的电　

荷和相反的磁极。这样他创造了电力线和磁力线的新概念。法拉弟把力线看　

作是一种实际存在，并用细铁屑显示出磁场的力线。他指出力线的图形实际　

上描述了电场和磁场，力线的疏密表征磁场与电场强度的变化，力线上任一　

点切线方向就是该点场强的方向等等。　

　　　　　法拉弟关于力线和场的概念，对传统的质点概念是一大突破，它不仅对　

电磁学的发展且对整个物理学都有着深远的影响。自此超距观念日渐衰败，　

近距观念不断发展和完善。　

　　　　　电磁学在19世纪得到了显著的发展，逐渐构成了完善的体系。已经确立　

了库仑定律、高斯定律、安培定律、法拉弟定律；提出了场和力线的概念。　

在理论上，1828年格林　（1793—1841）年，英国）提出了势的概念，对电磁　

学的数学理论作出重大贡献；1845年诺依曼（1798—1895年）借助于势的理　

论，导出了电磁感应定律的数学形式。1846年韦伯　（1804—1891年，德国）　

指出，两个电荷之间的作用力不仅取决于它们之间的距离，而且还与它们的　

相对速度和相对加速度有关。1847年至1853年，w·汤姆逊（开尔文）提出　

了铁磁质内磁场强度H和磁感应强度B的定义，导出了H=μB以及磁能密度　

和载流导线的磁能公式。这一切为麦克斯韦电磁场理论的创立准备了必要的　

条件。　

　　　　　英国物理学家麦克斯韦在学生时代就研读了法拉弟的著作，后来受W·汤　

姆逊的启发决心深入研究“力线”、“力管”和“场”，他说：“主要是抱　

着给这些观念提供数学方法基础的希望”。1855年，他发表了第一篇研究电　

磁场理论的论文。他用稳定流体的涡流线与电磁场的力线对比，用数学中的　

矢量运算来描述力线在空间各点的连续变化。在论文末尾，提出了6条定律，　

这些为他后来的研究开拓了道路。但是电磁场毕竟不是流体的运动，它有自　

身特有的性质，因此，类比方法带来的缺陷是不可避免的。麦克斯韦认识到　

这一点，开始从物理的角度重新考察电和磁的力线。　

　　　　　1861年，麦克斯韦在对感应电动势作深入分析时，意识到变化的磁场会　

在空间激发出“涡旋电场”。这一年的年底他提出了另一个十分重要的假定，　

即“位移电流”的概念。这两条假定成为麦克斯韦创造新理论的核心和基石。　

　　　　　1862年麦克斯韦发表了《论物理的力线》，在这篇论文中他引进一种媒　

质的力学模型，即电磁以太模型。他假定在以太中存在以力线为轴可绕轴旋　

转的以太管，管子转动的速度代表力强，沿轴的方向代表力强的方向。以太　

管旋转的离心作用产生了横向压力，在纵向同时存在收缩，因此横向表现为　

排斥，纵向表现为引力。这一假说体现了清晰的近距作用思想。　


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　　　　　电磁以太模型可以解释电荷或磁极间的相互作用，也可以说明电场变化　

与磁场变化的关系，同样还可以说明电流的磁效应，但它不是电磁现象的本　

质，而仅是一种辅助性质的假设。随后这个模型就被抛弃了。　

　　　　　关于“位移电流”，麦克斯韦指出它是出现在有变化电场存在时的介质　

中，其大小与电场随时间的变化率成正比。这样在有介质的条件下位移电流　

和传导电流就构成了连续的全电流，在全电流的周围产生磁场。并由此得到：　

交变的电场产生磁场，交变的磁场产生电场的结论。　

　　　　　1864年，麦克斯韦在皇家学会宣读了著名的论文《电磁场的动力理论》。　

这时他抛弃了以太管的假设而转向“场”的观点。他说：“我之所以把我提　

出的这个学说叫做电磁场的学说，是因为它与带电体或磁体周围的空间有　

关，这个学说也可以叫做场的动力理论，因为它假定在这个空间中存在着一　

种物质在运动，由此而产生了可观察到的各种电磁现象。”　

　　　　　为了定量地描写电磁现象，他列出了含有20个变量的20个方程式，几　

乎包含了当时电磁理论的一切成果。由此推出了电场强度和磁感应强度的波　

动方程，这表明变化的电场和磁场将以横波的方式传播，二者相互垂直。麦　

克斯韦认为“根据我们的新理论，能量存在于电磁场中，存在于带电体和磁　

体的周围空间和这些物体的内部”。他计算出电磁波的能流密度公式并定义　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1　

　为坡印适矢量。他求出电磁波传播速度为v　=　　　　　　　　　，μ和ε分别是介质的　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
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1853年，法国）仔细地研究了光的偏振现象。1816年前后，他们发现两束偏　

振光当它们的偏振面平行时可以发生干涉，当它们的偏振面互相垂直时不能　

发生干涉。1817年，托玛斯·杨也领悟到如果放弃光的纵波理论而改为横波　

理论，就可以解释光的双折射现象。其时菲涅耳已产生这一思想，他立即发　

表研究报告，用光的横波理论解释光的干涉定律、偏振面转动理论、反射与　

折射理论。一般认为这些工作是光的横向振动理论的最终证明。但是这一理　

论并不能解释光的横向振动是如何产生的，因为按照机械波的弹性理论，只　

有密度较大的固体媒质才能产生横波，在稀薄的以太媒质中不可能有横波。　

　　　　　1818年，菲涅耳向法国科学院提交了竞赛应征论文。他以横波理论解释　

了光的偏振；用半波带方法计算出圆孔与圆板衍射。评委中的著名学者泊松　

是粒子说的拥护者，他用菲涅耳的方法计算出在小圆盘衍射阴影的中央会有　

一亮斑出现，他认为这一“荒谬”的结论足以驳倒波动论。菲涅耳和阿拉果　

立即用实验证实在阴影的中央确实存在亮斑，这亮斑后来就叫泊松亮斑。自　

此，光的粒子说日渐衰落。菲涅耳被人们誉为“物理光学的缔造者”。　

　　　　　光的横波理论引起了对机械以太媒质的讨论，例如泊松提出以太是一种　

类固体的物质，柯西设想以太是一种易压缩易滑动的物质等，但是格林指出　

这些假设都是不稳定的。　

　　　　　1845年，法拉弟发现在强磁场中光的偏振面发生旋转，证明光和电磁现　

象存在联系。1856年，韦伯（1804—1891，德国）等人发现电荷的电磁单位　

和静电单位的比值等于光速。1865年，麦克斯韦的电磁场理论证明电磁波以　

光速传播，他立即断言，“光和磁乃是同一实体的不同属性的表现，光是一　

种按照电磁定律在场内传播的电磁扰动”。　

　　　　　1868年，麦克斯韦发表了《关于光的电磁理论》一文，他将电、磁和光　

结合起来，创立了光的电磁波学说。传播光的电磁场当时被理解成一种“电　

磁以太”，而以往的“机械以太”假说逐渐被人们抛弃。　

　　　　　光速的测量是具有特殊的意义的。伽利略最早提出测量光速的实验方　

案，他认为光以有限大小的速度传播。1676年，天文学家罗默（1644—1710　

年，丹麦）和惠更斯利用木星卫星食周期的不规则性进行光速测量，罗默认　

为这一现象是因为光穿过地球轨道要经过22分钟，惠更斯利用这一数据首次　



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计算出光速为2×l0米/秒。　

　　　　　1849年，菲索（1819—1896年，法国）首先开创在地面条件下测量光速，　

他设计了一个转动的齿轮装置，当光线从齿轮的凹部通过并聚焦在一只平面　

镜上，然后光线经反射再一次通过齿轮的凹部射入观察者的眼中。如果返回　

的光线恰好被一个转动着的齿挡住，观察者就看下见光线，此时齿轮的转速　

若增加一倍，光线又能穿过下一个齿缝，使观察者重新看见。这样光在往返　

一次所用的时间就可以利用转速和轮的齿数计算出来，从而可以计算出光　

速。他在实验时使观察者与平面镜相距8。633公里，齿轮转速为12。6转/秒，　

齿数为7