物理学特刊：《物理学分支——电磁学》一篇综述

写在前面：好久没有分享物理内容了。在本文中，我们介绍了经典电磁理论的相关知识和发展历史。全文来自知乎百科及电磁相关教材。小编刚刚整理了一些资料。对一些地方进行了整合和适当的修改。本文仅用于学习目的，不包含商业用途。欢迎更多数学、数理爱好者关注我们！

0.前言

电磁学是研究电磁力（带电粒子之间的物理相互作用）的物理学分支。电磁力通常表现为电磁场，如电场、磁场、光等。电磁力是自然界四种基本相互作用之一。一、另外三种基本相互作用是强相互作用、弱相互作用和引力。电和磁领域密切相关。电磁学广义上可以包括电和磁，但狭义上它是探讨电和磁之间关系的学科。

电磁力在确定自然界大多数物体的内部特性方面发挥着重要作用。常见物体的电磁力表现为物体内各个分子之间的分子间力。电子受电磁力束缚在原子核周围形成原子，原子又因电磁力形成化学键，从而形成分子。事实上，化学反应是由分子间相邻原子中的电子之间的相互作用引起的，这也可以用电磁力来解释。电磁场有许多数学描述。在经典电磁学中，电场用欧姆定律中的电势和电流来描述，磁场与电磁感应和磁化强度有关，方程组描述了电场和磁场引起的电场和磁场的产生和交替。磁场本身，以及电荷和电流。电磁学的理论意义，特别是基于介质传播特性（磁导率和介电常数）的光速，推动了 1905 年狭义相对论的发展。尽管电磁力被认为是四种基本力之一，在高能物理中弱相互作用力和电磁力是统一的。在宇宙历史的夸克时期，电弱相互作用分为电磁力和弱力。相互作用力。

1.电磁学的早期研究

静电和静电磁现象很早就被人类发现。由于摩擦起电现象，“电”一词源自希腊语“琥珀”（amber）。公元前2750年，古埃及人就已经知道电鱼可以发出电击。当地人称这些鱼为尼罗河的雷电使者和所有其他鱼类的保护者。大约过了2500年，古希腊人、罗马人、阿拉伯博物学家和阿拉伯医学家才研究了电鱼的记录。这位古罗马医生还在他的代表作《》中建议，患有痛风或头痛的患者应该触摸电黄貂鱼。也许强大的电击可以治愈他们的疾病。阿拉伯人可能是第一个了解闪电本质的人，也可能是第一个了解其他电力来源的人。 15世纪之前，阿拉伯人创造了闪电（raad）一词来指代电射线。在古希腊和地中海文化中，有记载称，用毛皮摩擦琥珀棒后，会吸引羽毛和其他轻质物质。事实上，早在公元前600年左右，古希腊哲学家就对静电做出了一系列观察。他认为摩擦使琥珀被磁化，但这与磁铁矿等矿物的性质完全不同。毕竟，磁铁矿天然具有磁性，尽管他的观点不正确，但后来证明了磁与电之间的密切关系。

1600年，一位英国医生发表了《，et de》一文。他总结了前人关于磁学的研究，比较严格地讨论了地磁的性质，记录了大量的实验，使磁学从经验转变为科学。。但他还在书中记录了他的电气研究。然而，真正系统地研究电磁现象要等到十七世纪以后，静电学的研究要晚于静磁学。这是因为很难找到一种能够产生稳定静电场的方法。这种情况一直持续到1660年摩擦发电机发明后才开始发生变化。在18世纪之前，人们一直在使用这种类型的摩擦发电机来产生和研究静电场。其代表人物是李。这一时期的主要贡献是同性相斥和异性相吸的静电力特性、静电感应现象和电荷守恒定律。

2.静电学研究

该定律是静电学的基本定律。主要内容是静电力与电荷成正比，与距离的平方成反比。人们将该定律与万有引力定律进行比较，发现这两个定律在理论和实验上有很多相似之处，包括实验观察到带电球壳内的球体不会带电，这与万有引力定律不同。有质量的球壳。当内部物体不受重力影响时，情况类似。这实际上是平方反比定律的一个特征，并且在理论上被引力证明了。同一时期，苏格兰物理学家约翰和英国物理学家亨利分别于1759年和1773年进行了验证静电力平方反比定律的实验，但他们的实验结果不详。后来，一位法国物理学家在1784年到1785年间进行了他著名的扭转平衡实验。他实验的主要目的是为了证实静电力满足平方反比定律，因为他先验地认为静电力与电荷成正比。重力，与万有引力类似。因此，扭力秤的基本结构是水平悬挂在细金属线上的轻质物体。导线两端有一个带电球和一个平衡它的物体。实验中，将一个相同大小的带电球放在球附近。两者之间的静电力会在灯线上产生扭矩，导致灯杆旋转，通过校正吊线上的旋钮可以将球调整回原来的位置。此时，吊线上的扭矩等于静电力产生的扭矩。这样，通过测量扭矩、偏转角度和导线长度就可以求出两者之间的静电力。然后得出以下结论。对于相同材质的金属线材，扭矩的大小与偏转角度和线材截面直径的四次方成正比，与线材长度成反比。然后在接下来的几年里，他还研究了磁偶极子之间的力，他也得出了磁力也有平方反比定律的结论。然而，他并没有没有认识到静电力和静磁力之间的内在联系，他总是将电和磁的吸引和排斥归因于假设的电流体和磁体流体有正有负，类似于热量。无质量的物质。静电力平方反比定律确定后，后续的大部分工作都是通过类比万有引力来完成的，得到了一些非常自然的结果。 1813年，法国数学家和物理学家指出该方程也适用于静电场，并提出了该方程。在此基础上，1828年格林提出静电场格林函数，1839年高斯提出静电场高斯定理。

3、恒流研究

18世纪末，意大利生理学家路易吉发现，青蛙腿部肌肉在接触金属刀片时会发生痉挛。他认为生物体中存在着与神经冲动传递有关的电流，但意大利物理学家沃尔塔并不同意这一观点。他还认为，研究了这一现象后，得出的结论是，这只是外部电流的作用，蛙腿肌肉仅起到导体连接的作用。到 1800 年，伏打将锌片和铜片夹在浸有盐水的纸中，产生强大的电流并形成伏打堆。将锌片和铜片浸入盐水或酸溶液中也能获得同样的效果。，这就是所谓的伏打电池，伏打电堆和电池的发明为稳态电流的研究创造了条件。

1826年，德国物理学家格奥尔格·欧姆受到数学家对热传导定律研究的启发。在热传导理论中，导热棒内两点的热流量与两点之间的温差成正比。因此，欧姆推测电的传导与热传导类似，导线中两点之间的电流也与两点之间一定的驱动力成正比，欧姆当时将其称为电张力，现在称为电动势。他首先尝试利用电流的热效应来测量电流强度，但结果不准确。后来，他利用丹麦物理学家汉斯发现的电流的磁效应，将其与扭力标尺结合起来，构造了一种新型的电流扭力标尺，它可以让导线与相连的磁针并联放置。当电流通过导线时，磁针的偏转角度与导线中的电流成正比。即可以用磁针的偏转角度来表示电流的大小。以欧姆（相当于电流强度）测量的偏转角度与电路中的两个物理量成正比和反比。这两个量实际上相当于电动势和电阻。欧姆于1827年出版了《直流电路的数学研究》一书，阐明了电路分析中电压、电流和电阻之间的关系，极大地影响了电流理论和应用的发展。因此，他首先提出了电定律，又称欧姆定律。

4.静磁学研究

事实上，他还发现磁和电遵循平方反比定律，但他没有进一步推测两者之间的内在联系。然而，1751年，他发现放电可以磁化钢针，这促使物理学家不断探索这种联系。第一个发现这种联系的人是一位丹麦物理学家。他进行了一系列相关实验，终于在1820年发现一根通了电流的电线可以对附近的磁针施加力。这种磁效应沿着电线周围的路径。呈螺旋方向分布。

法国物理学家毕奥和赫发现电流的磁效应后，进一步详细研究了载流直流导线对周围磁针所施加的力，并确定其磁力的大小与磁针的强度成正比。电流与距离成反比，方向垂直于距离线。该定律就是毕奥定律。根据这一结果，另一位法国物理学家向法国科学院提交了更详细的论证报告。他还讨论了两根平行的载流直导线之间的磁效应会产生吸引力或排斥力。力量。同时，他还进行了四项实验，分别验证了两根平行载流直导线之间的力方向与电流方向的关系、磁力的矢量性，确定了磁力方向力垂直于载流导体，力的大小与电流强度和距离的关系，并对这个力进行数学推导，得到力的计算公式。这个公式在形式上与万有引力定律和万有引力定律相似。 1821年，他从电流的磁效应出发，假设磁效应的本质是由电流产生的，从而提出了分子循环假说。他认为磁铁内部分子形成的环形电流相当于磁针。 1826年，由定理推导出静磁场的环路定理，证明磁场沿围绕产生它的电流的闭合路径的曲线积分等于其电流密度。该定理成为方程组的基本方程之一。总而言之，这部作品揭示了电磁现象的内在联系，真正使电磁学的研究数学化，并成为物理学中另一个主要理论体系——电动力学的基础。因此，该工作被称为电磁学史上最辉煌的成就之一。后来，我们称之为电。

5.电磁感应研究

这位英国物理学家早年跟随化学家戴维从事化学研究。他对电磁学的贡献还包括抗磁性、电解定律和磁场旋光效应的发现。在发现电流的磁效应后，时任皇家研究所实验室主任的他写了一篇电磁学评论，这使他从化学转向电磁领域工作，考虑到电流可以产生磁效应的发现他假设，磁性是磁铁在周围环境中感应出电流的能力。从1824年开始，他进行了一系列相关实验试图找出导体中的感应电流，但始终没有成功。直到1831年，他在实验中发现，对于两个相邻的线圈来说，只有当线圈接通或断开时，线圈附近的磁针才会发生反应，即会产生电流。在线圈中。然而，如果线圈保持导通状态，则线圈中不会产生电流，因此我们意识到这是一个瞬态。影响。一个月后，他向英国皇家学会总结了自己的实验结果。他发现产生感应电流的情况有五类：变化电流、变化磁场、移动稳定电流、移动磁铁和移动导线。，因此电磁感应定律表示为任何闭合电路中的感应电动势的大小等于通过该电路的磁通量的变化率。然而，此时的电磁感应定律仍然是一个观测实验定律。后来俄罗斯物理学家楞次确定了感应电动势和感应电流的方向。他于1833年总结了楞次定律。电磁感应定律后来被纳入电磁场理论，赋予其更简单、更深刻的意义。

另一个重要贡献是创建了力线和场的概念。力线实际上否定了远距离作用的存在。这些思想已成为电磁场理论的基础。这些想法被认为是物理学中革命性概念的引入。，它们开辟了一种新的视角，即场论的概念不同于旧力学观点中以物质为主导核心的物理学概念。

6.电磁场理论研究

众所周知，他对电磁理论的贡献是一个里程碑。他于1855年开始研究电磁学。1856年，他发表了第一篇论文《论力线》，描述了如何类比流体力学中的流线和力线。，并用数学方法重新描述了实验观察结果。这部分内容是麦克斯韦用六个数学定律总结出来的。

1861年至1862年间，麦克斯韦发表了他的第二篇电磁论文《论物理力线》。在这篇论文中，麦克斯韦尝试了分子涡模型。他假设介质中在磁场作用下排列有大量的分子涡旋。这些涡流沿着磁场线旋转，角速度与磁场强度成正比。同时，分子涡流密度与介质的磁导率成正比。该模型可以通过近距离作用理论很好地解释静电和静磁相互作用与变化的电场和磁场之间的关系。更重要的是，它预测分子涡流在电场作用下会产生位移，并以势能的形式储存在介质中。这相当于在介质中产生电动势，成为预测位移电流存在的理论基础。另外，如果将此介质理论应用到弹性波上，则可以计算出横波在真空或以太中的传播速度与物理学家在1849年测得的当时已知的光速非常接近，因此他大胆预测：光它由同一介质中的横波组成，引起电和磁现象。

1865年，麦克斯韦发表了第三篇论文《电磁场的动态理论》，他认为电磁场是一种近距离作用，并指出电磁场是以电或磁的方式包含和包围物体的场。状态。部分空间可能充满任何种类的物质。在此基础上，提出了电磁场方程组，共涉及20个方程（包括电位移、磁场力、电流、电动势、电弹性、电阻、自由电荷和连续性方程）和20个变量（包括电磁动量、磁场强度、电动热、传导电流、电位移、总电流、自由电荷、电势）。这实际上是8个方程，但直到1890年，另一位物理学家赫兹才给出了4个方程的现代通用形式。这是赫兹在1881年考虑先验性质的实验，即在实验中获得以太漂移为零的结果后对方程组进行修改。 1887年至1888年，赫兹通过他制作的半波长偶极子天线成功接收到了预测的电磁波。也就是说，电磁波是相互垂直的电场和磁场在垂直于传播方向的平面上的振动。他还测量了电磁波。速度等于光速。赫兹对电磁波存在的实验证实是物理理论的一次重要胜利，标志着基于场论的更基础物理学的开始。因此，赫兹和赫兹的工作被誉为自力学以来物理学最伟大的革命，而这场革命的最大部分来自于。

7.电磁学与相对论研究

电磁学的基本方程是一个方程组。这个方程组的形式会在经典力学相对运动的变换下发生变化。在变换下，光速在不同的惯性坐标下会有所不同。保持方程组形式不变的变换就是变换。在这种变换下，光速在不同的惯性坐标下是恒定的。二十世纪初 - 实验支持光速不变性，这是狭义相对论的基石。因此，变换是比变换更精确的惯性坐标变换方法。

8.电磁学的重要性

电磁学理论是继力学理论之后最成功、影响最深远、形式最优美的物理理论体系。纪念文集中写道，自从经典物理学的基础奠定以来，物理学公理基础上最伟大的革命是由电磁现象的工作引起的。

电磁理论对科学技术影响的深度和广度是无与伦比的。一方面，它正确描述了自然界电磁现象的基本规律，也为认识自然、解决问题提供了一些正确的方法。另一方面，电磁相互作用对自然界也有重要影响。定律的影响最广泛，物质之间存在四种基本的物理相互作用，即引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。其中，引力相互作用主要表现在大尺度的大物体之间和小物体之间。它们之间的作用相对较弱。弱相互作用和强相互作用主要表现在原子核内部。只有电磁相互作用在宏观尺度和微观尺度的原子与分子之间以及原子内部的物理过程中表现得明显。它是固体、液体和气体的主要成分，是一切物理、化学性质的来源。

电磁学学习笔记的简化版请参考：

参考：

[1] 梁灿斌，秦光荣，梁祝坚。 “电磁学（基础）”。高等教育出版社。

[2] 梁灿斌，曹周建，陈志涛。 “电磁学（扩展章）”。高等教育出版社。

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