电磁学简史 (2)精.ppt

第1页，本讲稿共27页v约公元前约公元前300年年 欧几里德用欧几里德用“光学光学”(optics)这个词来表示视觉和这个词来表示视觉和景观。景观。v1660年年 居里克建造第一台电机。这是一个转动摩擦发电机。居里克建造第一台电机。这是一个转动摩擦发电机。第2页，本讲稿共27页v1664年年 胡克在胡克在Micrographia中提出光的波动理论。他把光中提出光的波动理论。他把光看作是在介质中纵向振动的高速线性传播。单独的看作是在介质中纵向振动的高速线性传播。单独的波包在介质中呈球形展开。波包在介质中呈球形展开。v1665年年 格里马耳迪的格里马耳迪的 Prysico-mathesis de lumine coloribus et iride 中描述了光的衍射实验，并表述中描述了光的衍射实验，并表述了他的光波动理论。了他的光波动理论。第3页，本讲稿共27页v1704年年 牛顿的光学研究在他的牛顿的光学研究在他的光学光学中达到顶峰。在该书中牛顿中达到顶峰。在该书中牛顿用他自己的微粒理论来描述光。用他自己的微粒理论来描述光。v1690年年 惠更斯在光的性质惠更斯在光的性质 中首次中首次给出光速的数值，给出光速的数值，2.3 x 108 m/s。第4页，本讲稿共27页v1728 英国天文学家布拉德利发现光偏移现象，证明光速英国天文学家布拉德利发现光偏移现象，证明光速有限的早期发现是正确的。有限的早期发现是正确的。v1733 法国物理学家杜费伊发现电荷有两种，同性互斥，法国物理学家杜费伊发现电荷有两种，同性互斥，异性相吸。异性相吸。第5页，本讲稿共27页v1745 克莱斯特克莱斯特(Kleist)发明用于储存电发明用于储存电 荷的莱顿瓶荷的莱顿瓶(Leyden jar)。v1746 沃森提出电荷守恒。沃森提出电荷守恒。v1747 富兰克林提出用具有两种带电状态的单一流体来描富兰克林提出用具有两种带电状态的单一流体来描述电流。他认为物质都多少具有电流，并独立提出述电流。他认为物质都多少具有电流，并独立提出电荷守恒，引入正负电荷的概念。电荷守恒，引入正负电荷的概念。第6页，本讲稿共27页v1772 卡文迪什卡文迪什(Henry Cavendish)发表发表“尝试用弹性流尝试用弹性流体方法解释电的某些基本现象体方法解释电的某些基本现象”。v1777 库仑库仑(Charles Augustin de Coulomb)发现库仑定发现库仑定律，为电和磁的研究开辟了新方向。律，为电和磁的研究开辟了新方向。第7页，本讲稿共27页v1800 伏打伏打(Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio Volta)发明发明“伏打电池伏打电池”，世界上第一个电池。电，世界上第一个电池。电压单位压单位Volt以他的名字命名。以他的名字命名。v1807 戴维的演讲戴维的演讲“关于电的某些化学作用关于电的某些化学作用”将电性与化将电性与化学的关系拉近。学的关系拉近。第8页，本讲稿共27页v1812 泊松提出宏观电荷中性是物质的自然状态的概念，泊松提出宏观电荷中性是物质的自然状态的概念，并描述充电作为两种电荷分离的手段。他也指出势并描述充电作为两种电荷分离的手段。他也指出势能函数在电学系统的潜在用途。能函数在电学系统的潜在用途。v1814 菲涅尔独立发现光的干涉现象，并按照波动理论解菲涅尔独立发现光的干涉现象，并按照波动理论解释它的存在原因。释它的存在原因。第9页，本讲稿共27页v1820年年6月月21日日 奥斯特在一次课堂演示实验后注意到电流引起的磁奥斯特在一次课堂演示实验后注意到电流引起的磁针偏转。随后奥斯特证明这个效应具有反比关系。针偏转。随后奥斯特证明这个效应具有反比关系。这个工作启动了电学和磁学的统一进程。这个工作启动了电学和磁学的统一进程。v1820年年6月月27日日 安培证实了奥斯特的实验结果，并向法国科学院提安培证实了奥斯特的实验结果，并向法国科学院提交了更多的实验数据。他按照分子电流提出了磁性交了更多的实验数据。他按照分子电流提出了磁性模型。他的陈述开创了独立于静电学的电动力学。模型。他的陈述开创了独立于静电学的电动力学。第10页，本讲稿共27页v1820年秋季年秋季 毕奥和沙伐毕奥和沙伐 推导出一小段载电导线产生的磁效应公推导出一小段载电导线产生的磁效应公式，即毕奥沙伐式，即毕奥沙伐 定律。定律。v1827 欧姆欧姆(Georg Simon Ohm)用公式表明电流与电动用公式表明电流与电动力和电阻之间的关系，即欧姆定律。力和电阻之间的关系，即欧姆定律。第11页，本讲稿共27页v1831 法拉第法拉第(Michael Faraday)开始研究电磁学。后发开始研究电磁学。后发现电磁感应现象现电磁感应现象(磁产生电磁产生电)v1833 高斯分别提出电静力学和电动力学定律的公式，其高斯分别提出电静力学和电动力学定律的公式，其中包括中包括“高斯定律高斯定律”(库仑定律的推广形式库仑定律的推广形式)。所有。所有这些工作直到这些工作直到1867年才发表。年才发表。第12页，本讲稿共27页v1834年年 楞次发现楞次定律。楞次发现楞次定律。v18451848年年 基尔霍夫建立了稳恒电路的两条定律基尔霍夫建立了稳恒电路的两条定律,称为基尔霍夫称为基尔霍夫第一定律和第二定律第一定律和第二定律,为分支电路的运算奠定了基础。为分支电路的运算奠定了基础。v1852 斯托克斯斯托克斯(George Gabriel Stokes)命名并解释了荧命名并解释了荧光现象。光现象。第13页，本讲稿共27页v18551868 麦克斯韦完成科学巨著麦克斯韦完成科学巨著电磁通论电磁通论，预示了，预示了宏观电磁理论大厦的建宏观电磁理论大厦的建成。理论揭示了电磁波成。理论揭示了电磁波的传播速率和光速之间的传播速率和光速之间的联系，建立了光的电的联系，建立了光的电磁理论，使得光学和电磁理论，使得光学和电磁学得以统一。磁学得以统一。麦克斯韦麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831-79，英国，英国)创立电磁场理论，对气体分子创立电磁场理论，对气体分子运动论有很大贡献。引入运动论有很大贡献。引入“麦克斯韦妖麦克斯韦妖(daemon)”来解释统计热力学来解释统计热力学(1871)，提，提出气体分子速率分布定律出气体分子速率分布定律(1872)。第14页，本讲稿共27页v1875 洛伦兹洛伦兹(Heinrich Antoon Lorentz)在他的博士论文在他的博士论文中，用麦克斯韦的理论推导出光的反射和折射定律。中，用麦克斯韦的理论推导出光的反射和折射定律。v1888年年 赫兹用实验证实电磁波存在。赫兹用实验证实电磁波存在。第15页，本讲稿共27页v18851887 亥维赛亥维赛(Oliver Heaviside)用两年时间写作用两年时间写作电磁电磁感应及其传播感应及其传播。他用三个。他用三个(复复)矢量形式重新表达矢量形式重新表达了麦克斯韦的结果，得到该理论的现代形式了麦克斯韦的结果，得到该理论的现代形式Maxwell方程组。在这个过程中，他发明了场论的方程组。在这个过程中，他发明了场论的近代微积分表示法，包括梯度、散度和旋度。近代微积分表示法，包括梯度、散度和旋度。Maxwell方程组的现代形式方程组的现代形式(微分形式微分形式)第16页，本讲稿共27页麦克斯韦电磁理论的重大意义：麦克斯韦电磁理论的重大意义：vMaxwell方程组是宏观电磁现象的总规律，所有之前总结出来的实验原理和实验定律，如电荷守恒定律，库仑定律，安培定律，法拉第电磁感应定律，楞次定律，毕奥沙伐定律，在引入了“场”的物理概念后，经过了高度的数学抽象和综合，最后归结为Maxwell方程组。v麦克斯韦麦克斯韦的电磁理论不仅在理论上是物理科学的重大突破和完美综合，而且从技术上产生出惊人结果。一方面通过电工学使整个文明社会步入电气时代电气时代，使工业自动化成为可能；另一方面，通过电磁波的预言和发现，直接把人类引导到无线电世纪，而这构成了信息与传媒社会信息与传媒社会的必不可少的物质基础。第17页，本讲稿共27页教材内容的简单概括v第一章：矢量分析（数学基础、场论的基本知识：什么是矢量、什么是标量、什么是场、三度（散度、梯度、旋度）是什么）v第二章：电磁场中的基本物理量和基本实验定律（E、H、D、B、J、等电磁学基本概念和数学表示；库仑定律、安培定律等实验定律的老调重谈）第18页，本讲稿共27页v第三章：静电场分析（如何从实验定律经过数学演绎得到静电场下的基本公式D及E0；并由这2个基本公式导出泊松方程=-/以及拉普拉斯方程=0）v第四章：静电场边值问题的解法（如何从上面的泊松方程和拉普拉斯方程出发解题。本章的方法也可用于静磁场下的问题求解以及时变电磁场下的问题求解）第19页，本讲稿共27页v第五章：静磁场分析（如何从实验定律经过数学演绎得到静磁场下的基本公式B0及HJ）v第六章：时变电磁场（第三章和第五章的综合与发展：时变情况下，电场与磁场不再相互独立，四个基本公式需要修正）v第七章：正弦平面电磁波（Maxwell方程组的一个初步应用，电磁波的基本概念）第20页，本讲稿共27页v第八章：导行电磁波（微波传输线基础，不讲，在后续课程微波技术与天线中讲授）v第九章：电磁波辐射（天线理论基础，不讲，在后续课程微波技术与天线中讲授）第21页，本讲稿共27页参考书（见教学光盘）vBSGuru,电磁场与电磁波中译本，机械工业出版社。vRPFeymann,费曼物理学讲义中译本，第二卷，上海科学技术出版社。v麻省理工学院电磁学教材，英文版第22页，本讲稿共27页必须的数学工具v矢量分析(以后进一步学习的话还需要张量分析)v多变量微积分(偏微分、重积分)、场论v数学物理方程(偏微分方程)、特殊函数v复变函数第23页，本讲稿共27页科学计算软件Mathematica5.0v美国美国Wolfram Research 公司公司研究开发的一个功能强大的研究开发的一个功能强大的计算机数学系统。它提供了计算机数学系统。它提供了范围广泛的数学计算功能，范围广泛的数学计算功能，支持在各个领域工作的人们支持在各个领域工作的人们所需要的各种计算。所需要的各种计算。v具有强大的科学计算和作图功具有强大的科学计算和作图功能。能。v易学易用。易学易用。第24页，本讲稿共27页Mathematica软件绘制的电偶极子的电力线和等电位面第25页，本讲稿共27页教学光盘内容第26页，本讲稿共27页教材勘误v25页页v46页页v65页页v72页页v78页页v129页页v154页页v172页页v242页页第27页，本讲稿共27页