大学物理的论文(第2页)
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(a)力线不断、不裂、不交叉打结,但可以有起头与终止。例如:电场之力线由正电荷发出,由负电荷接受。力线的数量与电荷之大小成正比。
(b)力线像有弹性的线,在空中互相排斥又尽量紧绷。其密度与施力之大小成正比。
(c)力线有方向性,电力线的方向是对正电荷的施力方向(负电受力方向相反),在磁力线是对‘磁北极’的施力方向。
法拉第则更进一步,提出了场的概念:空中任意一点,虽然空无一物,但有电场或磁场之存在,这种场可使带电或带磁之物质受力。而’力线’则是表现‘场’的一种方式。但是,法拉第的‘场’观念,当时也受到强烈的质疑与反对。最重要的理由是这观念不及‘超距力’之精确。把‘场’观念精确化,数学化的是后来的麦克斯韦。
法拉第发现,一个移动的磁铁或通了电流的筒状线圈,也可以使附近的线圈中,产生感应电流──这就是电磁学中第三个最重要的法拉第定律。
这个定律与库伦、安培都不同;它是动态的。第一线圈中的电流变化越快,第二线圈中的电流越大。或磁铁、有电流的筒状线圈,移动得越快,第二线圈中的电流也越大。这就是发电机的原理。
4、麦克斯韦电磁理论
与法拉第之实验天才对比,麦克斯韦则是长于数学的理论物理学家的典型。他生于苏格兰的一个小康之家。自幼便充份显示了数学之才能。他先在阿伯丁大学任教,以后转往剑桥。在物理中,今日麦克斯威之重要性,几可与牛顿、爱因斯坦等量齐观。但生前,麦克斯威并不受其故乡苏格兰之欢迎。他在剑桥大学则受到重用。
他在18xx年,发表了《法拉第之力线》一文,受到将退休的法拉第的鼓励。18xx年,他由理论推导出:电场变化时,也会感应出磁场。这与法拉第的电感定律相对而相成,合称电磁交感。此后他出版了《电磁场的动态理论》,《电磁论》,其重要性可以与牛顿的《自然哲学的数学原理》相提并论。
通过了数学中的.向量分析,麦克斯韦写下了著名的麦克斯威方程式,不但完整而精确地描述了所有的已知电磁场之现象,而且有新的预言。其中最重要的是电磁波:
(1)由于电磁交感,故电磁场可以在真空中以波的形式传递。
(2)计算之结果,这波之速度与光速一致,故光是一种可见的电磁波。
(3)这种波亦携带能量、动量等,并且遵从守恒律。
“光是一种电磁波!”这句话现在是常识,在当年则骇人听闻。麦克斯韦只靠纸上谈兵,就做大胆宣言,也难怪当年根本不信有电磁波的人居多。但他自己却信心满满。有人告诉他有关的实验结果,不完全成功,他毫不在意。他有信心他的理论一定是对的。──以后的理论物理学家很多人就学了他这种态度。
德国人赫兹是第一个在实验室中证明电磁波存在的人。他先把麦克斯韦的电磁学改写成今天常见的形式。然后在1886—18xx年,做了一系列的实验,不但证明电磁波存在,而且与光有相同波速,并有反射、折射等现象,也对电磁波性质(波长、频率)定量测定。当然,也同时发展出发射、接收电磁波的方法──这是所有无线通讯的始祖。
5、总结
麦克斯威的电磁理论,成为现在理工科的学生都要修的电磁学。简单的说来,电磁学核心只有四个部分:库伦定律、安培定律、法拉第定律与麦克斯威方程式。并且顺序也一定如此。这可以说与电磁学的历史发展平行。其原因也不难想见;没有库伦定律对电荷的观念,安培定律中的电流就不容易说清楚。不理解法拉第的磁感生电,也很难了解麦克斯威的电磁交感。
这套电磁理论,在物理学中,是与牛顿力学分庭抗礼的古典理论之一。如果以应用之广,经济价值之大而言,犹在牛顿力学之上。但也不能忘记,如果没有牛顿力学中力之概念,电磁学也发生不了。电磁学中的各定律,也无法理解。因此,普通物理中,也必然先教力学再教电磁。
力学与电磁学被称为古典理论有两层意思:(1)它可以自圆其说,没有内在的矛盾。(2)但是到了廿世纪量子理论确立后,它们被修改了。力学后来被修改为量子力学,电磁学被修改为量子电动力学。然而,在原子之外,这两个古典理论仍是非常精确,故理工学生仍然不得不学它们。


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