物理学史3.9 麦克斯韦电磁场理论
物理学史 麦克斯韦电磁场理论
3.9 麦克斯韦电磁场理论的建立
3.9.1 法拉第的力线思想
法拉第从广泛的实验研究中构想出描绘电磁作用的“力线”图象。他认为电荷和磁极周围的空间充满了力线,靠力线(包括电力线和磁力线)将电荷(或磁极)联系在一起。力线就象是从电荷(或磁极)发出、又落到电荷(或磁极)的一根根皮筋一样,具有在长度方向力图收缩,在侧向力图扩张的趋势。他以丰富的想象力阐述电磁作用的本质。
法拉第研究了电介质对电力作用的影响,认识到这一影响表明电力不可能是超距作用,而是通过电介质状态的变化;即使没有电介质,空间也会产生某种变化,布满了力线。后来,法拉第又进一步研究了磁介质,解释了顺磁性和反磁性。电磁感应现象则解释为磁铁周围存在某种“电应力状态”(electro-tonic state),当导线在其附近运动时,受到应力作用而有电荷作定向运动;回路中产生电动势则是由于穿过回路的磁力线数目发生了变化。
法拉第的力线思想实际上就是场的观念,这是近距理论的核心内容。
3.9.2. W.汤姆生的类比研究
在法拉第力线思想的激励下,W.汤姆生对电磁作用的规律也进行过有益的尝试。他深感有必要把法拉第的力线思想翻译成数学公式,定量地作出表述,于是利用类比方法,从弹性理论和热传导理论得到借鉴。
法国科学家傅里叶在1824年发表《热的分析理论》(Theorieanalytique de la chaleur),详细地研究了在介质中热流的传播问题,建立了热传导方程。这本书对W.汤姆生有很深的影响。
1842年,W.汤姆生发表了第一篇关于热和电的数学论文,题为:《论热在均匀固体中的均匀运动及其与电的数学理论的联系》,他论述了热在均匀固体中的传导和法拉第电应力在均匀介质中传递这两种现象之间的相似性。他指出电的等势面对应于热的等温面,而电荷对应于热源。利用傅里叶的热分析方法,他把法拉第的力线思想和拉普拉斯、泊松等人已经建立的完整的静电理论结合在一起,初步形成了电磁作用的统一理论。
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