麥克斯韋與電磁場論

2021-02-08 物理小識

麥克斯韋(1831-1879)是19世紀最偉大的理論物理學家,經典電磁場論的奠基人。1831年8月31日出生於愛丁堡,童年時由於受到父親的薰陶,對自然科學產生了濃厚的興趣。15歲時就初露鋒芒,在英國《愛丁堡皇家學會學報》上發表數學論文,這大大地增強了麥克斯韋在科學上的進取心。


1847年秋天,16歲的麥克斯韋考進了蘇格蘭最高學府愛丁堡大學專攻數學物理。在這裡他跟凱蘭學數學,跟福布斯學物理,跟哈密頓學邏輯學。三年後,為了進一步深造,他轉入英才薈萃的劍橋大學。1852年,麥克斯韋又以優異的成績考取了獎學金,成了劍橋大學霍普金斯教授的研究生,同時還參加了劍橋大學著名的斯託克斯(1819-1903)講座。在這兩位數學大師的指點下,麥克斯韋進步很快,不出三年就掌握了當時所有先進的數學方法,成了一名年輕有為的數學家。


麥克斯韋畢業後留校工作。起初,他研究的課題是光的色散現論,不久,他接受了威廉·湯姆遜(1822-1892)的建議,開始了電磁學的研究。當他讀了法拉第(1791-1867)的《電學實驗研究》後,立即被書中新穎的實驗和見解所吸引,他迅速以極大的熱情投入了這個大有作為的研究領域。當時,電磁學在實驗研究方面的,四大定律(庫侖定律、高斯定律、安培定律和法拉第電磁感應定律)已先後建立,特別是法拉第長期堅持對抗磁體的研究,並於1851年發表了《論磁力線》一文。這篇文章中蘊藏著朦朧的電磁場論的思想。這些先決條件為麥克斯韋的創造性研究準備了肥田沃土。


法拉第在《論磁力線》一文中,憑藉他豐富的想像力和敏銳的洞察力,提出了非常深刻的「力線」和「場」的思想,但他並沒有把他的理論提高到數學的高度,因而很難為一般理論物理學家所接受,甚至還引起不少非議。麥克斯韋堅信法拉第的新說中一定包含著真理,他認真地研究了法拉第的著作後,終於領悟到了力線思想的保貴价值,同時也看到了法拉第定性表述方面的弱點,這位初出茅廬的青年科學家決心用數學來彌補這一切。


1856年,麥克斯韋來到阿伯丁的馬裡斯查爾學院任自然哲學講座教授;同年,他發表了電磁場理論方面的第一篇淪文《論法拉第力線》。這篇論文是麥克斯韋把法拉第力線數學化的最早嘗試,他依據類比給出了電場和磁場理論。他的論文開頭這樣說到:「為了不用物理理論而得到思想,我們必須熟悉物理類比的存在。所謂物理類比,我指的是一種科學的定律與另一種科學的定律之間的部分相似性,它使得這兩種科學可以互相說明。於是,所有數學科學都是建立在物理學定律與數的關係上,因而,精密科學的目的,就是把自然界的問題簡化為通過數的運算來確定各個量。從最普遍的類比過渡到部分類比,我們就可以在兩種不同的產生光的物理理論的現象之間找到數學形式的相似性」。接著,麥克斯韋把法拉第力線、力管和電場強度與流體力學中的流線、流管和流速進行類比,引入一種新的矢量函數來描述電磁場,把法拉第的思想用數學語言表達,從而導出了電磁場中的力和通量之間的關係。


法拉第讀完了麥克斯韋的論文後這樣說道:「當我看到了數學在解釋這個問題時的這種威力時……,一開始我甚至感到驚駭。但後來,看到問題競如此出色地經受住了這一切時,我又感驚異」。1857年,法拉第抑制不住激動的心情欣然向麥克斯韋寫了一封長信,對他的論文作出了中肯的評價,並對他的研究工作給予了熱情的鼓勵。


1860年,麥克斯韋應邀到倫敦皇家學院任教,來到倫敦後不久,麥克斯韋特意拜訪了已是倫敦皇家學院院長的法拉第。這位實驗大師已年近七旬,而麥克斯韋還未到而立之年。雖然兩人年歲相差甚遠,而且他們的科學方法截然不同;一個專於實驗,另一個擅長理論。但兩位科學巨匠對物質世界的看法卻產生了共鳴,這使他們相見恨晚。在對電磁理論本質規律的探索中,兩人在許多方面是互補的。愛因斯坦後來把他們倆稱為一對。


法拉第在四年前已經拜讀了麥克斯韋的論文,見面後才知道論文的作者如此年輕。當麥克斯韋徵求這位古稀老人對論文的看法時,法拉第謙虛地說:「我不認為自己的學說一定是真理,但你是真正理解它的人」。他接著又說:「但你不應該停留在用數學解釋我的觀點,而應該突破它」。


這位古稀老人激動的鼓勵,深深地牽動著麥克斯韋的心。經過兩年的苦心研究,麥克斯韋於1862年在英國著名的《哲學雜誌》上,以《論物理力線》為題,發表了他的第二篇電學研究論文。文章一刊出,立即引起了廣泛的注意。這是一篇劃時代的論文,它與1856年《論法拉第力線》相比有了質的飛躍。「渦旋電場」和「位移電流」的概念,是這篇文章的傑出之處。


麥克斯韋為了更好地描述法拉第的力線思想,提出了電磁以太的力學模型。1861年,他在這個模型的基礎之上,對變化的磁場能產生感應電動勢的現象進行了深入的分析,認為即使不存在導體迴路,變化的磁場通過媒介也會激發一種場,他稱這種場為感應電場或渦旋電場。同時麥克斯韋還發現:在連接交變電源的電容器中,電介質內並不存在自由電荷,也就是沒有傳導電流,但磁場卻同樣存在。經過反覆思考和分析,麥克斯韋毅然指出:這裡的磁場是由另一種類型的電流形成的。這種電流存在於任何電場變化的電介質中,麥克斯韋把這種電流稱為「位移電流」。


1864年,麥克斯韋向皇家學會提交了他的第三篇電學論文《電磁場的動力學理論》,這篇論文於1865年發表在《哲學雜誌》上。他在這篇論文中系統地總結了從庫侖(1736-1806)、安培(1775-1836)到法拉第以及他自己的研究成果,提出了一共包含20個變量的20個方程式,即著名的麥克斯韋方程。他寫道:「我提出的這個學說可以稱為電磁場理論,因為它關係到帶電體或磁體周圍的空間。它可以稱為動力學理論,因為它假定在那個空間存在著運動的物質,在這些物質中理應產生可觀測到的電磁現象」。麥克斯韋就這樣直接地預言了電磁波的存在。


接著,麥克斯韋從基本方程組導出波動方程,證明了電磁波是一種橫波,並求得電磁波的傳播速度在空氣中等於電量的電磁單位與靜電單位之比,即等於空氣或真空中的光速。他由此得出結論:「這一速度與光速如此接近,看來,我們有強烈的理由斷定,光本身乃是以波的形式在電磁場中按電磁規律傳播的一種電磁擾動」。這就是「光的電磁說」。這樣,早先法拉第關於光的電磁理論的朦朧猜想,由麥克斯韋把它變成了科學的嚴謹推論。


1865年,在他的第三篇電學論文發表後不久,麥克斯韋辭去了皇家學院的教席,來到了格倫奈爾專心於《電磁學通論》(Atreatise on Electrity and Magnetise)的寫作,準備對人類近二百年來在電磁學領域的研究成果作全面的總結。其中有庫侖、安培、奧斯特、法拉第等人的創造性勞動,也有他本人的開山之功。經過幾年的甘苦,《電磁學通論》的專著終於在1873年問世。這部經典著作,以著名的方程組把電荷、電流、電場和磁場間的普遍聯繫完全統一了起來,電磁波傳播的研究和光的電磁理論是這部著作的精髓。在物理學史上,這一鴻篇巨著可以與牛頓的《自然哲學之數學原理》相媲美。這部偉大著作於1881年、1891年相繼再版;其中包含了作者許多保貴的資料和深奧的見解。它對當代物理學家甚至對以後幾代物理學家來說都是一個偉大而又不易達到的豐碑。


麥克斯韋電磁理論在他的生前並未得到充分的重視,他在英國的榮譽亦不及法拉第,他的思想太不尋常了,就象赫姆霍茲曼(1821-1894)和玻爾茲曼(1844-1906)這樣有異常才能的人為了理解它也要花費好幾年的氣力。只到1888年,德國物理學家赫茲(1857- 1894)用實驗的方法證實了他電磁理論預言的所有方面,麥克斯韋的理論才得到了普遍的承認。


麥克斯韋電磁場理論的建立和證實,無疑是19世紀物理學領域最重大的事件之一,它是研究一切電磁現象的出發點。它以嚴謹而對稱的數學形式歸納了電、磁和電磁輻射之間的最基本關係,使所有早先建立的定律都包容進去,他使人們更深刻地認識了光的電磁本性。從根本上改變了人類自牛頓時代以來對世界本質的認識,引起了物理學思想領域深刻的變革,並導致了20世紀初葉狹義相對論的創立。它對整個科學的發展,對人類文明的進步都具有深遠的意義。


1879年11月5日,麥克斯韋因肺癌過早地去世。他的一生,不僅在電磁學領域,而且在熱力學、天文學等許多領域都作出了不朽的貢獻,為後人留下了保貴的科學財富和精神財富。麥克斯韋的名字和牛頓、愛因斯坦一樣,永遠是近代物理學發展的象徵。

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  • 天才物理學家麥克斯韋
    1865年春辭去教職回到家鄉系統地總結他的關於電磁學的研究成果,完成了電磁場理論的經典巨著《論電和磁》,並於1873年出版。麥克斯韋1871年受聘為劍橋大學新設立的卡文迪什試驗物理學教授,負責籌建著名的卡文迪什實驗室。
  • 物理學家麥克斯韋對人類的貢獻
    尤其是他建立的電磁場理論,將電學、磁學、光學統一起來,是19世紀物理學發展的最光輝的成果,是科學史上最偉大的綜合之一。他預言了電磁波的存在。這種理論預見後來得到了充分的實驗驗證。他為物理學樹起了一座豐碑。造福於人類的無線電技術,就是以電磁場理論為基礎發展起來的。麥克斯韋大約於1855年開始研究電磁學,在潛心研究了法拉第關於電磁學方面的新理論和思想之後,堅信法拉第的新理論包含著真理。
  • 楊振寧的理論是麥克斯韋方程的推廣,他是量子力學裡的麥克斯韋
    在總結前人規律的基礎上,1865年麥克斯韋提出了麥克斯韋方程。》經典的麥克斯韋方程組有4個方程,描述了電荷和電流分布產生的電場和磁場,以及這些電場如何隨時間變化。麥克斯韋對麥克斯韋方程的核心貢獻,是最後一個方程。這個方程說明了電磁場的相互作用,並且暗示了電磁場的傳播速度等於光速。》當愛因斯坦被問是否站在牛頓的肩膀上的時候,他回答說:不,我站在麥克斯韋的肩膀上。麥克斯韋通過他的電磁學方程,為包括雷達、電視和微波爐在內的重大技術創新鋪平了道路。
  • 麥克斯韋,到底有多牛 - 麥克斯韋,電磁,物理 - IT之家
    1865 年,麥克斯韋辭去教職,和凱薩琳一起回到家鄉格倫萊爾,開始系統地總結電磁學的研究成果。這一期間,他完成了電磁場理論的經典巨著——《電磁通論》,並於 1873 年出版。1871 年,麥克斯韋受聘為劍橋大學首任實驗物理學教授,並負責籌建該校第一所物理學實驗室——卡文迪什實驗室。1874 年,卡文迪什實驗室建成後,麥克斯韋擔任實驗室的第一任主任。
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    每一個領域的理論都不是憑空產生的,都有它發展的過程,經典電磁場是如何發展成為今天被我們所學習的、指導我們人類生活應用的理論的呢?對它產生的更深入的疑問引導著我對電磁場理論發展過程的探究,也讓我更多的了解到電磁場理論發展背後的故事和它的魅力,特別是麥克斯韋方程組的魅力!作為一位高校教師,學習這門理論、教授這門課程10多年,體會它的魅力,也深知它的難度。
  • 麥克斯韋,到底有多牛?(那令人崩潰的麥克斯韋方程組就出自其手)
    1855年,麥克斯韋發表了一篇論文——《論法拉第的力線》,第一次試圖將數學形式引入法拉第的力線概念,從而初步建立電與磁之間的數學關係。這篇文章引起了物理學界的重視,也得到法拉第本人的讚揚。
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    1865年,麥克斯韋辭去教職,和凱薩琳一起回到家鄉格倫萊爾,開始系統地總結電磁學的研究成果。這一期間,他完成了電磁場理論的經典巨著——《電磁通論》,並於1873年出版。1871年,麥克斯韋受聘為劍橋大學首任實驗物理學教授,並負責籌建該校第一所物理學實驗室——卡文迪什實驗室。
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  • 麥克斯韋:譜寫了上帝詩篇的隱士
    麥克斯韋揭開電磁波奧秘的偉大發現,堪稱是譜寫了上帝的詩篇。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(網絡圖)1854年,23歲的麥克斯韋從劍橋大學畢業。這個時候法拉第的名著《電學實驗研究》出版了。這是法拉第對自己畢生研究電磁學的成果的總結,非常寶貴。麥克斯韋拿著這部精裝的巨著,愛不釋手。他一下子就被書中的實驗和新穎的見解吸引住了。這本書把麥克斯韋帶到了一個嶄新的領域,令他心馳神往。
  • 天才中的天才「麥克斯韋」,他對世界的貢獻有多大?
    如果天才也分等級,他是天才中的天才,世界上如果沒有尼古拉特斯拉,其他人可以代替,但世界上不可以沒有麥克斯韋,沒有他的電磁理論,現代文明將會落後至少上百年,手機、無線電、雷達、衛星等發明也將遙遙無期,他是愛因斯坦的偶像,他的數學水平高於愛因斯坦不止一個等級,他的書寫讓電磁感應者法拉第死而無憾
  • 麥克斯韋方程和規範理論的概念起源
    唯一的問題是,這些能量存在於何處?根據舊的理論,這些能量以不為人知的勢能方式存在於帶電體中。它們可以形成電路、磁鐵等等並可產生超距作用。在我們的理論中,這種能量存在於電磁場中,而這種場存在於帶電體或帶磁體中,也存在於它們周圍空間的電磁場中。這種能量以兩種形式存在,即電極化和磁極化。如果提些很有可能成立的假設,這種能量存在的形式是以太介質運動的應力(《麥克斯韋的科學論文》第564頁)。」
  • 麥克斯韋方程進化史
    1855年發表的《論法拉第力線》 (On Faraday’s Lines of Force) 一文即屬於他的初次嘗試,在這篇論文中,麥克斯韋設想了一種類比模型,該模型表明描述不可壓縮流體的方程也可用於解決恆定電場或磁場的問題。
  • 朗道《場論》的些許回顧
    這也好理解,後一時刻物體發生變動所傳播的信號不會比前一時刻先到達,總是不違背因果性的;所以物體不能超光速運動;但伽利略相對性卻是與此相違背的。因為相對論力學同樣滿足最小作用量原理,並且作用量積分對於洛倫茲變換保持不變,故作用量必是一個標量函數和一階微分;對於一個自由粒子,標量函數必是間隔,在過渡到經典力學確定準確形式,由此獲得了相對論力學的拉格朗日函數。 第一次讀場論的電磁場部分的時候就覺得這又是朗道卓爾不群的藐視其他物理書,原因有二吧。第一,場論的電磁場理論建立在四維空間和狹義相對論基礎上。
  • 麥克斯韋創立的電磁理論究竟講了什麼,簡單帶你了解一下
    在經過十幾年的研究之後,麥克斯韋把電磁場理論由介質推廣到空間,更是假設在空間存在一種動力學以太(科學家認為以太是傳播光的媒介,引力甚至電、磁力是在以太中傳播的,由此發展了「光以太」假說),它有一定的密度,具有能量和動量:它的動能體現磁的性質,勢能體現電的性質,它的動量是電磁最基本的量,表示電磁場的運動性質和傳力的特徵。
  • 如果愛因斯坦沒有為統一場論浪費 30 年,21 世紀物理會成什麼樣
    而連接這兩位的,毫無疑問是麥克斯韋,他是舊時代的終結者,也是新時代的開創者。他建立的電磁場理論,將電學、磁學、光學統一起來,是19世紀物理學發展的最光輝的成果,也是物理史上的第一次大一統,可以說沒有麥克斯韋,就沒有現代文明。
  • 麥克斯韋方程租,跨時代的電磁學
    1873年出版的《論電和磁》,也被尊為繼牛頓《自然哲學的數學原理》之後的一部最重要的物理學經典。麥克斯韋被普遍認為是對物理學最有影響力的物理學家之一。沒有電磁學就沒有現代電工學,也就不可能有現代文明。然而關於麥克斯韋簡介不單單只是如此而已,以上介紹的只是關於麥克斯韋一生極少數的一部分成就而已,其實在19世紀,人們普遍認為麥克斯韋是最具有影響力的物理學家以及科學家了,後人把麥克斯韋和牛頓齊名,統稱為是實現光,電,磁的第二次大綜合,而牛頓是第一個實現大綜合的人,所以麥克斯韋成就完全可以和牛頓媲美。
  • 史上最偉大的公式:麥克斯韋方程組
    是麥克斯韋將安培環路定理推廣後的全電流定律。原安培環路定律是一系列電磁定律,它總結了電流在電磁場中的運動規律,如圖9-8所示。安培定律表明,電流可以激發磁場,但它只限用於穩恆磁場。一言以蔽之,這一組積分方程由4個式子組成,其中2個關於電場、2個關於磁場,一起反映了空間某區域的電磁場量(E、B)和場源(電荷q、電流I)之間的關係。從數學上來說,積分和微分互為逆運算。
  • 一文看電磁場近場和遠場的差別
    來自發射器、經由天線發出的信號會產生電磁場,天線是信號到自由空間的轉換器和接口。  因此,電磁場的特性變化取決於與天線的距離。可變的電磁場經常劃分為兩部分——近場和遠場。要清楚了解二者的區別,就必須了解無線電波的傳播。  1電磁波  圖1展示了典型的半波偶極子天線是如何產生電場和磁場的。
  • 天線產生電磁場的原理解析
    來自發射器、經由天線發出的信號會產生電磁場,天線是信號到自由空間的轉換器和接口。 電磁波 電磁場互為直角正交。 圍繞著半波偶極子的電磁場包括一個電場和一個磁場,電磁場均為球形且互成直角(如圖2所示)。天線旁邊的磁場呈球形或弧形,特別是距離天線近的磁場。這些電磁場從天線向外發出,越向外越不明顯,特性也逐漸趨向平面。接收天線通常接收平面波。 雖然電磁場存在於天線周圍,但他們會向外擴張,超出天線以外後,電磁場就會自動脫離為能量包獨立傳播出去。
  • 法拉第:麥克斯韋背後的男人
    麥克斯韋方程1873年,麥克斯韋發表巨著《電磁學通論》,這是一部劃時代的著作,和牛頓的《論自然哲學的數學原理》,達爾文的《物種起源》齊名,可惜天妒英才,完成《電磁學通論》六年後,年僅48歲的麥克斯韋就被上帝召喚而去。