地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第七章电(3)
法拉第认为:“……磁作用的传播需要时间,即当一个磁铁作用于另一个远处的磁铁或者一块铁时,产生作用的原因(我以为可以称之为磁)是逐渐地从磁体传播开去的;这种传播需要一定的时间,而这个时间显然是非常短的。”这表明,在法拉第那里已经孕育着电磁作用传播的波动性质以及它们传播的非瞬时性思想。
法拉第关于力线和场的概念对于电磁学的发展以及整个物理学的发展影响深远。几十年后,约·汤姆逊(J.J.Thomaon,1856~1940)评论说:“在法拉第的许多伟大的贡献之中,最伟大的一个就是力线概念了,我想电场和磁场的许多性质借助于它就可以简明而富有启发性地表示出来。”场的概念和力线的模型,对当时的传统观念是一个重大的突破,从此超距作用的观念逐渐衰败,场距作用观念日益强化及完善。
电磁感应现象是电磁学研究中最重大的发现之一,是法拉第所获得的最伟大的实验成果。这一发现进一步揭示了电与磁的相互联系和转化。电磁感应定律是电磁理论和电磁测量的基石,是发电机的理论基础,指引人类迈入了利用电能的新时代。
在法拉第发现电磁感应现象的1831年,英国苏格兰的古都爱丁堡诞生了一位伟大的科学家—詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clark ?Maxwell,1831~1879)。
当时,有关电磁相互作用存在两种相互对立的观点。一种是超距作用学说,是自英国科学家牛顿以来形成的观点,以库仑、W.韦伯、F.E.诺埃曼、安培等人为代表,认为两个电荷之间相互作用力,不需要媒介参与,可以超越空间距离而互相作用。另一种是媒递作用学说,是自法国科学家笛卡儿以来形成的观点,认为空间存在一种能传递电力的媒质(称作以太),电荷间通过媒质互相作用。法拉第通过实验揭示了空间媒质的重要作用,认为在空间媒质中充满了电力线,即通过场来传递,但媒递作用学说缺乏数学基础,不易为人接受。麦克斯韦不相信电磁相互作用超距的观点,尝试以数学形式来表达法拉第的思想。
1856年2月,24岁的麦克斯韦在剑桥哲学学报上发表论文《论法拉第力线》,建立一种假想流体的力学模型,试图用数学语言表述法拉第的力线思想,蕴含了他有关电磁理论的新思想,提出了感生电场的概念:“力线的切线方向就是电场力的方向,力线的密度表示电场力的大小”麦克斯韦的这种假想流体模型:一是没有惯性,因而也就没有质量;二是不可压缩;三是可以从无产生,又可消失。
1862年,麦克斯韦在英国《哲学杂志》第4卷23期发表了《论物理力线》一文,设计了电磁作用的力学模型,试图用力学观点解释电量和磁量之间的关系。麦克斯韦突破了法拉弟的电磁观念,创造性地提出了自己理论的核心部分—位移电流的概念,构造了一个与以前的流体力学模型不同的、新的电磁以太理论模型。
以传统的电磁学和动力学的思想,交变电流通过含有电容器的电路时,电荷不能在电容器极板之间移动,传导电流将中断,这与电流可以通过电容器的事实相矛盾。麦克斯韦认为在交变电流电路中,电容器一个极板上变化的电场会引起感生磁场,变化的磁场又会在电容器的另一极板上引起感生电场,产生交变电流,所以变化电场的作用就相当于传送电流。不过,这不是电荷的传导,而是电荷的位移。麦克斯韦在无导体存在的磁场中引入了“位移电流”的概念。位移电流和传导电流迭加起来,在电容电路中的总流线是闭合的。位移电流概念的引入,是麦克斯韦理论的关键所在,也是他的重要假设,即假设电场变化激发磁场变化。法拉第的电磁感应定律,是说明磁场变化激发电场现象的。麦克斯韦把变化的电场和磁场以对称的形式联系起来,使法拉弟的电生磁、磁生电的思想精确化和完善化。
麦克斯韦把磁旋转概念与法拉第的力线思想相联系,设想了一个“分子涡旋”模型,假设涡旋绕磁力线旋转,即从S极到N极沿磁力线看去,涡旋在顺时针方向旋转,由于旋转引起的离心力使每个涡旋在横向扩张,从而纵向收缩,因而磁力线在纵向表现为张力,就像绳上的拉力一样。横向表现为压力。
之前,“以太旋涡”的思想已经出现。1856年,威廉姆·汤姆逊从研究光的偏振面在磁场中的旋转效应得出磁具有旋转的特征,认为磁致旋光效应可以归结为以太振动和分子旋转运动之间的耦合。麦克斯韦受到启发,认为磁是一种旋转的现象,构建出分子涡旋模型,假设电磁场介质中充满着涡旋分子,在这些涡旋分子之间夹着许多小的电粒子。涡旋轴代表磁力线的方向,涡旋旋转速度表示磁场强度的大小。在两个同向旋转的分子中间的电粒子起着惰性轮的作用,这些电粒子只会转动而不会产生平移;在两个异向旋转的分子间,电粒子不发生转动而产生平动,从而形成电流。
文章来源:《地球与环境》 网址: http://www.dqyhjzz.cn/zonghexinwen/2020/1008/340.html