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13.4 电磁波的发现及应用
历史背景
19世纪中期，描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的库仑定律、安培定律、法拉第电磁感应定律已相继建立，法拉第关于力线和场的概念已经提出。
1847-1853年间，W.汤姆逊提出了铁磁质内磁场强度H和磁感应强度B的定义，并导出了H=μB，并且于1851年提出了《磁的数学理论》。
为后来迈克斯韦的研究做出了典范。
总之到了十九世纪五六十年代，创立电磁场理论的条件已趋成熟。
1.电磁场
法拉第的“力线和“场”的思想
从牛顿开始，人们就认为万有引力、电荷间的静电作用力都不是接触力，这些力的作用都是即时的，不需要什么媒介来传递，即所谓的超距作用，并且作用力在两作用体之间的连线上。如对电磁学作过重大贡献的富兰克林、库仑、安培等人，对超距作用的观点都深信不疑。
奥斯特效应和电磁转动效应的发现，在法拉第思想的形成上，产生了最重要的直接影响。1821年法拉第写到“我发现通常小磁针被导线的排斥和吸引只是一种假象，针的运动不是吸引也不是排斥，也不是任何引力和斥力的结果，而是由于导线中的力的结果，这种力并不吸引和排斥磁极，而是使磁极绕着一个闭合的圆周运动。
法拉第的“力线和“场”的思想
1831年11月合1832年1月，法拉第相应于他所发现的“伏打电感应”和“磁电感应”现象，提出了“电紧张态”。他说“一旦导线受到伏打电流或磁的感应，它就显出一种特殊状态”， ----“电紧张态”。他认为：“电紧张态”是由电流或磁体产生的存在于物体和空间中的张力状态，这种状态的出现、变化和消失，都会使处于这种状态中的导体感应出电流来。
1832年，法拉第通过对电磁感应过程实验现象的思考，意识到磁力线的传需要时间。他从运动导线穿过恒定均匀磁场时也能产生出电流的现象想到，这种效应是由于导线两侧的紧张状态程度不同引起的，这就意味着产生紧张状态的力或磁力线的传播需要时间。或者说，从载流导线向四周散发出来的力线只能以有限速度向空间传播。而不可能是瞬时的。
法拉第的“力线和“场”的思想
法拉第用“磁力线”定量描述“电紧张状态”，认为电流的变化也会引起磁力线的变化。磁力线的多少表示这种状态的强弱，磁力线数量的变化表示这种状态的变化。通过磁力线就把电磁感应和磁电感应统一了起来。
“磁力线”概念的提出成为他发展自己的力场理论的立足点。
1832年，他又提出“电力线”概念。
伟大的物理学家麦克斯韦
麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学之大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。
伟大的物理学家麦克斯韦
麦克斯韦1831年6月出生于英国爱丁堡，他的父亲是一位律师，但对研究科学问题有强烈爱好，这对麦克斯韦的一生有深刻影响。
麦克斯韦10岁进入爱丁堡中学， 14岁在中学时期就发表了第一篇科学论文《论卵形曲线的机械画法》，反映了他在几何和代数方面的丰富知识。16岁进入爱丁堡大学学习物理，三年后，他转学到剑桥大学三一学院。在剑桥学习时，打下了扎实的数学基础，为他以后把数学分析和实验研究紧密结合创造了条件。
他精心研究了法拉第的《电学的实验研究》，以法拉第的力线概念为指导，透过这些似乎杂乱无章的实验记录，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁场理论。于1873年出版的《电学和磁学论》一书。这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的著作。
1879年11月3日，麦克斯韦逝世，时年49 岁，在他的一生中共写了100多篇有价值的论文。
麦克斯韦对法拉第的拓展
1855年，麦克斯韦发表《论法拉第力线》，从几何观点，为法拉第力线作出了数学描绘。麦克斯韦用类比的方法，把力线看作不可压缩的流体的流线。如把正、负电荷比作流体的源和汇，电力线比作流管，电场强度比作流速等，引入了诺埃曼的矢势函数A，用于表示导体中引起的电动势。并指出，“电紧张态”是场的一种运动性质，是一个物理真实。
在论文末尾，迈克斯韦总结了六条定律，为以后建立电磁场理论奠定了基础。
1860年， 麦克斯韦(30岁)带着上述论文拜访了的法拉第(70岁)。当法拉第看到麦克斯韦的文章后赞叹到：“我惊讶的看到，这个主题居然处理的如此之好！”。法拉第对麦克斯说:“你不要停留在用数学来解释我的观点上，而应该突破它。”
麦克斯韦曾写道：“为了采用某种物理知识而获得物理思想，我们应当了解物理相似性的存在。……利用这种类似，可以用其中之一，说明其中之二。”
又发表了三篇论文后，麦克斯韦说
“我所提出的理论可以称为电磁场理论，因为它必须涉及到带电体和磁性物质周围的空间；它也可以叫做动力学理论，因为它假定在该空间存在着正在运动的物质，从而才产生了我们所观察到的电磁现象。”“电磁场就是处于电磁状态的物体周围的空间，包括这些物体本身在内：场中可以只有某种物质，也可以抽成没有宏观物质的空间，象盖斯勒管或其它叫真空的情形那样”。麦克斯韦假设真空中虽没有“宏观物质”存在，但有以太媒质。这种以太媒质充满整个空间，渗透物体内部，具有能量密度，并能以有限速度传播电磁作用。
1873年，麦克斯韦出版《电磁学通论》，创造性的建立了电磁场理论的完整体系。把以前的电磁场理论都综合在一组方程式中，得到了电磁场的数学方程-----麦克斯韦电磁方程组。以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内在的完美对称。
至此，电磁场理论的统一基本完成。
最初，在《电磁学通论》书中，麦克斯韦共列出了20个分量方程，如果采用矢量方程，则仅有8个。后来简化成四个。1890年前后，德国物理学家赫兹和英国物理学家亥维赛，又两次简化麦克斯韦方程组，才得到我们现在通用的微分形式。
1电场中的高斯定理
2法拉第电磁感应定律
3磁场中的高斯定理
4安培环路定律
麦克斯韦方程组
2.电磁波
麦克斯韦方程组的一个重要结果，就是预言了电磁波的存在。
1856年韦伯测定上述速度值为：v=31.074万公里/秒,麦克斯韦发现这个值与1849年斐索测得的光速31.50万公里/秒十分接近。他认为这不是巧合，而是由于光的本质与电磁波相同，从而提出了光的电磁理论。它表明“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动” 。从而将电、磁、光理论进行了一次伟大的综合。
把数学分析和实验研究联合使用所得到的物理知识，比之一个单纯实验人员或单纯的数学家能具有的知识更坚实、有益和巩固。
——麦克斯韦
麦克斯韦的遗憾与赫兹的实验验证
麦克斯韦《电磁论》发表后，由于理论难懂，无实验验证，在相当长的一段时间里并未受到重视和普遍承认。
1879年，柏林科学院设立了有奖征文，要求证明以下三个假设：①如果位移电流存在，必定会产生磁效应；②变化的磁力必定会使绝缘体介质产生位移电流；③在空气或真空中，上述两个假设同样成立。这次征文成为赫兹进行电磁波实验的先导。
1885年，赫兹利用一个具有初级和次级两个绕组的振荡线圈进行实验，偶然发现：当初级线圈中输入一个脉冲电流时，次级绕组两端的狭缝中间便产生电火花，赫兹立刻想到，这可能是一种电磁共振现象。既然初级线圈的振荡电流能够激起次级线圈的电火花，那么它就能在邻近介质中产生振荡的位移电流，这个位移电流又会反过来影响次级绕组的电火花发生的强弱变化。
1886年，赫兹设计了一种直线型开放振荡器（下图），留有间隙的环状导线C作为感应器，放在直线振荡器AB附近，当将脉冲电流输入AB并在间隙产生火花时，在C的间隙也产生火花。实际这就是电磁波的产生、传播和接收。
证明电磁波和光波的一致性
1888年3月赫兹对电磁波的速度进行了测定，并在论文《论空气中的电磁波和它们的反射》介绍了测定方法：赫兹利用电磁波形成的驻波测定相邻两个波节间的距离（半波长），再结合振动器的频率计算出电磁波的速度。他在一个大屋子的一面墙上钉了一块铅皮，用来反射电磁波以形成驻波。在相距13米的地方用一个直流振动器作为波源。用一个感应线圈作为检验器，沿驻波方向前后移动，在波节处检验器不产生火花，在波腹处产生的火花最强。用这个方法测出两波节之间的长度，从而确定电磁波的速度等于光速。
赫兹又用金属面使电磁波做45°角的反射；用金属凹面镜使电磁波聚焦；用金属栅使电磁波发生偏振；以及用非金属材料制成的大棱镜使电磁波发生折射等。从而证明麦克斯韦光的电磁理论的正确性。至此麦克斯韦电磁场理论才被人们承认。
至此由法拉第开创，麦克斯韦建立，赫兹验证的电磁场理论向全世界宣告了它的胜利。
1896年，俄国科学家波波夫第一个成功进行了无线电通讯实验：通讯距离250米，电文“海因里希·赫兹”
1897年，意大利青年发明家马克尼成功实现了‘布里斯托尔’海湾两岸之间的通讯，通讯距离14.5 Km
1898年马克尼开发了电磁波的商业应用，在伦敦成立了无线电报公司，进行消息的快速传递和海上救护等
1899年实现英法海峡两岸的无线电联络，距离45Km
1901年又成功实现了跨越大西洋的无线电通讯，从此马克尼的名字和无线电紧紧相连，无线电也在全世界逐步加以推广应用
1909年马克尼和德国物理学家、无线电技术的发明者卡尔·布朗一起荣获诺贝尔物理学奖
无线电报(1901)——广播(1906 )——电话(1916)——传真(1923)——电视(1929)——微波(1933)——雷达(1935)——卫星通讯——电子计算机、因特网等都与电磁波理论相关。
……
经典电磁理论的确立，完成了物理学理论的第二次大综合，也掀起了第二次工业革命，进一步说明了科学技术是第一生产力。
思考：麦克斯韦的成功给我们的启示
对不同现象之间的联系的坚定信念。
重视科学方法的应用（建模、数学推理，理论综合）。
丰富的想象力及大胆猜测和假设。
深厚的数学和物理知识底蕴。
对理论完美和谐的不懈追求。
麦克斯韦认为：自然界是和谐的，一种反映自然规律的理论，如果框架上不完善，不和谐，也就意味着要进一步改进和探索。

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