地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第七章电(4)
以分子涡旋假设,麦克斯韦解释磁场作用于磁极上的力。假设有一组磁力线是从左向右的平行线,放置在磁场中的磁北极N向外发出力线,在N极的右边与原磁场方向一致,使磁场得到加强;在N极的左边与原磁场方向相反,使磁场受到削弱。因此这个场的涡旋的转速在N极的右边将加快,在N极的左边将减慢。从而使N极右边的张力将比左边的张力大,所以磁北极将沿着场的方向被拉向右边。类似的,南极将被拉向左边。
以分子涡旋假设,麦克斯韦这样解释磁场作用在电流上的力。假设一个垂直于纸面的长直电流放在一个垂直向上的均匀磁场中,由电流产生的磁力线使它右边的磁场加强,而使左边的磁场削弱。因此在导线右边的涡旋转速加快,给导线向左的压力加大;在导线左边,涡旋转速减慢,给导线向右的压力减小,其结果将把导线推向左边。
麦克斯韦认为,在电场变化着的电介质中也存在电流,并称之为“位移电流”。麦克斯韦在计算出这种电流的速度时,惊奇地发现:位移电流的速度(每秒千米)恰好等于光速。1856年,德国人韦伯(Wilhelm ?Eduard ?Weber, 1804~1891)和柯尔劳斯(Rudolph ?Kohlrausch,1809~1858)测量出这一值为 3.1074×108m/s,这正是μ=1的涡旋介质中波的传播速度。这个值与A.H.L.斐索(Fizeau1819~1896)在1849年用齿轮法测定的光在空气中的速度3.×108m/s符合得很好。因此,在论文里,麦克斯韦认为,光应是一种电磁波。他写道:“我不能回避这样的推论,光是起源于电磁现象的,在媒质中传播的横振动。”
1865年,麦克斯韦在《伦敦皇家学会学报》发表了《电磁场的动力学理论》,认识到分子涡旋运动只是一种力学运动,用它去解释复杂的电磁现象是不够的,放弃了自己提出的力学模型转向场论的观点,论述了光现象和电磁现象的统一性。
麦克斯韦提出了电磁场的概念:“我提出的理论可以称为电磁场理论,因为它与带电体或磁体附近的空间有关;它也可以称为动力学理论,因为它假定在该空间中有运动的物质,从而产生了我们所观察到的电磁现象。”这是一种革命性的思想!
麦克斯韦假设,产生电磁现象的作用力是在空间媒质中和在电磁物质中进行的,在真空中有以太媒质存在,弥漫整个空间,渗透到物体内部,具有能量密度,并能够以有限速度传播电磁作用。当电介质极化时,在分子范围内发生微观电荷移动的现象,这种微观电荷移动产生一种瞬息电流。麦克斯韦假设,在真空中,由于以太媒质的存在,电场变化时同样也有位移电流出现。位移电流和传导电流一样,也按照毕奥—萨伐尔定律的规律产生磁场。位移电流和传导电流叠加起来的总电流(即全电流)线是闭合的。
在真空位移电流概念的基础上,麦克斯韦建立了由20个变量、20个方程组成的电磁场方程组,概括了各种电磁学的实验规律,是已知的各种电磁规律的总结,又远远超出已有的实践。
麦克斯韦还采用法国数学家、力学家拉格朗日(1736~1813)与爱尔兰数学家、物理学家哈密顿(1805~1865)的数学方法,推导出电磁场的波动方程,表明,电场和磁场以波动形式传播,二者相互垂直并都垂直于传播方向。若在空间某一区域中的电场发生了变化,在它邻近的区域就会产生变化的磁场;这个变化的磁场又会在较远的区域产生变化的电场,变化的电场与变化的磁场不断相互产生,就会以波的形式在空间散开,即以波的形式传播,称为电磁波。电场与磁场具有不可分割的联系,是一个整体,即电磁场。麦克斯韦引入了一个电磁场能量方程,指出,在超距作用理论中,能量只能存在于带电体、电路和磁体中,而根据新的理论,能量则存在于电磁场和这些物体中。这样,能量就被定域于整个电磁场空间,揭示了电磁场的物质实在性,说明电磁波就是能量的传播过程。
1868年,麦克斯韦发表了一篇论文《关于光的电磁理论》,明确地创立了光的电磁学说:“光也是电磁波的一种,光是一种能看得见的电磁波。”麦克斯韦把原来相互独立的电、磁和光都统一起来。
1873年麦克斯韦出版《电学和磁学通论》(也称《电磁学通论》(Treatiseon Electricity and Magnetism)),对电磁理论作了系统、严密的论述,从数学上证明了方程组解的唯一性,表明麦克斯韦方程组能够反映电磁场的客观运动规律。变化的电场和变化的磁场互相激发,组成一个统一的电磁场的整体。变化的磁场激发变化的涡旋电场,变化的电场激发变化的涡旋磁场。这就是麦克斯韦电磁场理论的基本思想。至此,经几代人的努力,电磁场理论的大厦终于建立起来。
文章来源:《地球与环境》 网址: http://www.dqyhjzz.cn/zonghexinwen/2020/1008/340.html