电磁学风云（二）

Answer 1

五、电与磁之间有无关系？

长久以来，人们一直认为电和磁是互不相干的两个事物；但二者却有一定的相似性。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。18世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。

1777年，库伦在研究改良航海指南针中的磁针的方法的过程中，做了扭秤实验，能够测出静电力或磁力的大小；这似乎暗示着在电和磁之间存在着密切的区别和联系。在大量实验的基础上，1789年，库伦归纳了类似于两个点电荷相互作用的两个磁极相互作用定律。库仑丰富了电学与磁学研究的计量方法，将牛顿的力学原理扩展到电学与磁学中；为电磁学的发展、电磁场理论的建立开拓了道路。但库仑提出电和磁有本质上的区别。

1820年之前，库伦、安培、托马斯·杨和毕奥一开始都认为电和磁是两个概念，二者没有任何联系。可是奥斯特一直相信电、磁、光、热等现象相互存在内在的联系，尤其是富兰克林曾经发现莱顿瓶放电能使钢针磁化，更坚定了他的观点。1820年，丹麦人奥斯特第一次发现了电流的磁效应，这个实验开创了把电和磁联系起来的电磁学，对科学界造成了巨大的振动。

两周之后法国人安培就提出了磁针转动方向和电流方向的关系——著名的“右手定则”。1820年毕奥与萨伐尔共同创建了毕奥-萨伐尔定律，这是静磁学的一个基本定律，精确地描述载流导线的电流所产生的磁场。二人转而相信电磁之间有密切联系，支持奥斯特的观点。

在奥斯特电流磁效应实验及其他一系列实验的启发下，安培1821年1月提出“分子电流假说”，认为磁场是由于运动的电流产生的，指出磁现象的本质是电流，从而解开了几千年的谜团。安培把涉及电流、磁体的各种相互作用归结为电流之间的相互作用，提出了寻找电流元相互作用规律的基本问题。1822年，安培革命性地提出了磁场对运动电荷的作用力公式“安培定律”，运用高度的数学技巧总结出了载流回路中电流元在电磁场中的运动规律。安培定律是一个电磁定律，是物理学中一个非常重要的定律。“电流”这个概念也是安培创造的，毫不客气地说，安培在电磁学中的作用是巨大的，“电学中的牛顿”是实至名归的。

1831年法拉第发现电磁感应现象——发现当一块磁铁穿过一个闭合线路时，线路内就会有电流产生，由此得出法拉第电磁感应定律；并进而得到产生交流电的方法。他的发现奠定了电磁学的基础，是麦克斯韦的先导。曾任美国科学院院长的约瑟夫·亨利于1830年的独立研究中发现法拉第电磁感应定律，比法拉第早发现这一定律，但其并未公开此发现。1875-1876年，曾任美国科学院院长的罗兰做了带电旋转盘的磁效应实验，第一次揭示了运动电荷能够产生磁场。

至此，经过多年的争议和艰苦实验，电磁之间有必然联系的结论被证实了，二者可以相互转化。奥斯特和安培证实了电会生磁；而法拉第、亨利和罗兰证实了磁能生电。

六、电磁理论的提出

在电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似，另一些方面却又有差别。为此法拉第引进了力线的概念，认为电流产生围绕着导线的磁力线，电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。1831年，法拉第用铁粉做实验，形象地证明了磁力线的存在。他指出，这种力线不是几何的，而是一种具有物理性质的客观存在。

韦伯为建立电学单位的绝对测量做出了很多贡献，1849年左右，他提出了电流强度和电磁力的绝对单位，高斯在韦伯的协助下提出了磁学量的绝对单位。韦伯于1846年至1878年间在电动力学（即电磁学）测量方法方面的研究具有重要的基础性意义，他发明了许多电磁仪器，用来定量的测量电流强度、磁强度和电功率。

1855-1856年，麦克斯韦在《法拉第力线》文中引入了“电场”、“磁场”的概念；麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。1865年他预言了电磁波的存在。1873年麦克斯韦在其专著《论电和磁》中完成了统一的电磁理论。

在当时的德国，人们依然固守着牛顿的传统物理学观念，法拉第、麦克斯韦的理论对物质世界进行了崭新的描绘，但是违背了传统，因此在德国等欧洲中心地带毫无立足之地，甚而被当成奇谈怪论。这种状况一直持续到后来赫兹发现了人们怀疑和期待已久的电磁波为止。

1885至1889年间， 赫兹 首先通过实验全面验证了麦克斯韦理论的正确性。在实验室产生了无线电波，证明了无线电辐射具有波的特性，首次证实了电磁波的存在，测量了波长和速度。 赫兹 还通过实验证实电磁波是横波，具有与光类似的特性；他指出无线电波的振动性及它的反射和折射的特性，与光波和热波相同，结果他确凿无疑地肯定：光和热都是电磁辐射。

由于电磁场能够以力作用于带电粒子，一个运动中的带电粒子既受到电场的力，也受到磁场的力，洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式，人们就称这个力为洛伦兹力。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦兹力就构成了经典电动力学的基础。

现在人们认识到，电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生电场，这个电场又以力作用于其他电荷。磁体和电流在其周围产生磁场，而这个磁场又以力作用于其他磁体和内部有电流的物体。电磁场也具有能量和动量，是传递电磁力的媒介，它弥漫于整个空间。人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。电学、磁学和光学得到了统一，实现了物理学的第二次大综合。

七、电磁波的利用

电磁波的电场(或磁场)随时间变化，具有周期性。在一个振荡周期中传播的距离叫波长。振荡周期的倒数，即每秒钟振动(变化)的次数称频率。整个电磁频谱，包含从电波到宇宙射线的各种波、光、和射线的集合。不同频率段落分别命名为无线电波(3KHz-3000GHz)、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线(伽马射线)和宇宙射线，即波长越来越短，频率越来越高。

电磁波为横波，可用于探测、定位、通信等；最常用的是频率最小的无线电波。红外线用于遥控、热成像仪、红外制导、火的温暖（热辐射），与热效应有关的现象都是。可见光是大部分生物用来观察事物的基础；紫外线用于医用消毒、验证假钞、测量距离、工程上的探伤等；X射线用于、医学上人体透视CT照相、工程上的探伤、物理学的测量晶体结构；伽玛射线用于医学治疗和使原子发生跃迁从而产生新的射线等。

频率介于3KHz到3000GHz的无线电波是主要用于通信等领域，无线电广播（常用的收音机）与电视都是利用电磁波来进行的。根据不同的持播特性，不同的使用业务，对整个无线电频谱进行划分，共分9段：甚低频(VLF)、低频(LF)、中频(MF)，高频(HF)、甚高频(VHF)、特高频(UHF)、超高频(SHF)、极高频(EHF)和至高频，对应的波段从超长波、长波、中波、短波、米波、分米波、厘米波、毫米波和丝米波(后4种统称为微波)。

无线电频谱波段划分表

超低频（SLF）波长10000km（10兆米）到1000km，对应频率范围是30Hz ~ 300Hz，广泛地应用于军民诸多方面。民用主要应用于医学治疗、工程探测、大地物理勘探、地震研究等方面；军事主要应用于水下兵器的遥控、水下通信等方面。诸多应用中，以潜艇水下通信的应用最为突出，它能够解决岸上指挥所与海上潜艇进行远距离、大深度通信的难题。超低频对潜艇通信系统庞大复杂、技术含量高，世界上只有美国、俄罗斯等几个发达国家掌握了超低频对潜通信技术。

超高频（SHF）波长由10cm到1cm，厘米波对应的频率范围是3GHZ~30GHZ，广泛应用于卫星通讯和广播，蜂窝电话和页面调度系统及3G-4G无线范围。极高频（EHF）波长由1mm到10mm，毫米波对应的频率范围是30~300GHz；主要应用于气象雷达、空间通信、射电天文、波导通信、5G移动通信系统等方面。这两个频率是目前与我们联系最密切的无线电波段。

1753年2月17日，《苏格兰人》杂志上发表一篇文章，作者提出了用电流进行通信的大胆设想，这算是电磁通信的一个启蒙。其后，一位不知名的瑞典人、法国查佩兄弟、俄国外交家希林、英国青年库克以及韦伯和高斯都在电磁电报上作出努力。1793年，法国查佩兄弟俩在巴黎和里尔之间架设了一条230千米长的接力方式传送信息的托架式线路。1833年，韦伯和高斯在哥廷根市上空架设了两条铜线，构建了第一台电磁电报机，实现了哥廷根大学物理研究所到天文台之间距离约1.5千米的电报通信。

其实在1820年，安培首次提出利用电磁现象传递电报讯号。在19世纪末，意大利人古列尔莫·马可尼和俄国人波波夫同在1895年进行了无线电通信试验。而在印度，贾格迪什·钱德拉·博斯用无线电波响铃并引发爆炸。1901年，塞尔维亚裔美国电气先驱Nikola Tesla表示，他在1893年开发了无线电报。所以关于马可尼无线电之父的说法很多人会不服气。也难怪，那个时候信息不发达，在不同地方从事相似实验也是很正常的；只不过马可尼更有知识产权意识（最早获得专利权）、宣传更到位罢了。1913年4月14日，泰坦尼克号在撞击冰山时，通讯便利的马可尼的公司拯救接收了700名幸存者。时至今日，手机、广播、天气预报、航空航天等等都离不开无线电通信。

八、后序

同所有的认识过程一样，人类对电磁运动形态的认识，也是由特殊到一般、由现象到本质逐步深入的。人们对电磁现象的认识范围，是从静电、静磁和似稳电流等特殊方面逐步扩大，直到一般的运动变化的过程。

在电磁学发展的早期，人们认识到带电体之间以及磁极之间存在作用力，而作为描述这种作用力的一种手段而引入的“场”的概念，并未普遍地被人们接受为一种客观的存在。现在人们已经认识清楚，电磁场是物质存在的一种形态，它可以和一切带电物质相互作用，产生出各种电磁现象。

电磁场本身的运动服从波动的规律，这种以波动形式运动变化的电磁场称为电磁波。信息时代，电磁场与电磁波的应用无处不在。电磁场理论利用精妙的数学语言来描述客观的物理定律，通过数学方程的解来揭示场和波的客观存在。

我们应该感谢所有为电磁波以及相关理论作出贡献的科学家们—— 吉尔伯特、 富兰克林、艾皮努斯（1724-1802，德国物理学家，首次尝试系统地把数学应用到电磁理论上，他的各种实验导致设计出平行板电容器，发现了矿物电气石的电学特性，并 探索 了其热电性）、库伦、卡文迪许、安培、高斯、伏特、欧姆、毕奥、萨伐尔、奥斯特、法拉第、亨利、焦耳、罗兰、基尔霍夫、麦克斯韦、亥维赛、洛伦兹、赫兹以及开尔文、马可尼、特斯拉和波波夫等。他们卓有成效的工作为电磁理论和相关技术的进步作出的巨大贡献，不断推动着人类 社会 的进步和发展。