1、他首先提出了磁力线、电力 线的概念，在电磁感应、电化学、静电感应的研究中进一步深 化和发展了力线思想，并第一次提出场的思想，建立了电场法 、磁场的概念，否定了超距作用观点。爱因斯坦曾指出，场的 思想是法拉第最富有创造性的思想，是自牛顿以来最重要的发 现。麦克斯韦正是继承和发展了法拉第的场的思想，为之找到 了完美的数学表示形式从而建立了电磁场理论。 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
2、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。 47 （五） 法拉第及其电学实验研究 法拉第一生作出了很多的科学贡献，发表了大量实验方面 的论文，后来这些论文汇集在三卷本的名为电学实验研究 的巨著中。这部由三千多节组成的巨著真实而详细地记录了他 一生中成功的和失败的16041个实验，凝聚了他的实验研究成 果和对物理学的深刻见解，对以后的几代物理学家甚至对现代 物理学家都有深刻的教益。 1867年，就在法拉第逝世的那一年，一位名叫爱迪生(T. A. Edison,184
3、7-1931)的美国青年在波士顿街头的一个旧书摊上 买到几本残缺不全的法拉第著作，其中就有电学实验研究 。爱迪生后来说：“这一笔小钱花得很值，是自己一生中收益 最大的投资。”法拉第电学实验研究对爱迪生一生的发明 创造富有启迪。 48 麦克斯韦(James Clerk Maxwell，18311879)， 英国物理学家，经典电磁理论的奠基人1831年8月 31日出生于爱丁堡。自幼聪颖，15岁就在爱丁堡皇家 学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文 ，已显露出出众的才华。 1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理。1850年转入剑桥大学三一学院 数学系学习，1854年以第二名的成绩获史密斯奖学
4、金，毕业留校任职两年。 1856年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授。1860年到伦敦国王学院 任自然哲学和天文学教授。1861年选为伦敦皇家学会会员。1865年春辞去教 职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经 典巨著论电和磁并于1873年出版，1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文 迪什实验物理学教授，负责筹建著名的卡文迪什实验室，1874年建成后担任 这个实验室的第一任主任。 1879年11月5日麦克斯韦因患癌症在剑桥逝世， 终年仅48岁。 四 电磁场理论的建立 （一）麦克斯韦生平 49 Maxwell全面总结了电磁学研究的成果,并在此基础上提出了 “涡旋电场
5、”和“位移电流”假说，建立了完整的电磁理论体系， 不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象 的内在联系及统一性，完成了物理学的又一次大综合。他在创 建电磁场理论的奋斗中作了三次飞跃，前后历程达十余年。 1856年，麦克斯韦发表了第一篇关于电磁理论的论文，题为 ：论法拉第力线。在这篇论文中，他发展了W.汤姆生的类 比方法，用不可压缩的流体的流线类比于法拉第的力线，把流 线的数学表达式用到静电理论中。流线不会中断，力线也不会 中断，只能发源于电荷或磁极，或者形成闭合曲线。麦克斯韦 通过类比，明确了两类不同的概念，一类相当于流体中的力，E 和H就是；另一类相当于流体的流量，D和B属于这
6、一类。麦克斯 韦进一步讨论了这两类量的性质。流量遵从连续性方程，可以 沿曲面积分，而力则应沿线段积分。 （二） 麦克斯韦电磁场理论 50 隔了5年以后，麦克斯韦又回过来研究电磁理论，写了第二 篇论文，题为论物理力线。内容分四个部分，分别载于 1861年和1862年的哲学杂志上。他的“目的是研究介质中的 应力和运动的某些状态的力学效果，并将它们与观察到的电磁 现象加以比较，从而为了解力线的实质作准备。” 1865年麦克斯韦发表了关于电磁场理论的第三篇论文：电 磁场的动力学理论，全面地论述了电磁场理论。在这篇论文 中，麦克斯韦提出了电磁场的普遍方程组，共20个方程，包括 20个变量。 这20个变量
7、是：电磁动量F、G、H；磁力（即磁场强度） 、；电动热P、Q、R；传导电流p、q、r；电位移f、g、h ；全电流（包括位移的变化）p、q、r；自由电荷电量e ；以及电位。20个方程是：电位移方程、磁场力方程、电流 方程、电动势方程、电弹性方程、电阻方程、自由电荷方程、 连续性方程。实际相当于8个方程，其中6个是矢量方程。 51 52 直到1890年，赫兹才给出简化的对称形式，整个方程组只包 括四个矢量方程，一直沿用至今。 53 麦克斯韦在电磁理论方面的工作可以和牛顿在力学理论方面 的工作相媲美。对麦克斯韦的功绩，爱因斯坦作了很高的评价 ，他在纪念麦克斯韦的文集中写道：“自从牛顿奠定理论物理 学
8、的基础以来，物理学的公理基础的最伟大的变革，是由法拉 第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的”。“这样一次伟 大的变革是同法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字永远联在一起的 。这次革命的最大部分出自麦克斯韦。” 通过对这个方程组的数学运算，麦克斯韦预言了电磁波的存 在，电磁波的传播速度同光速一样。而光不过是波长在某一范 围的电磁波，从而把电、磁和光现象统一了起来。 54 （三） 赫兹的电磁波实验 1879年麦克斯韦逝世，同年德国柏林 科学院悬赏征求对麦克斯韦所预言的电 磁波的实验验证。1886年10月，赫兹用 放电线圈做火花放电实验，偶然发现近 旁未闭合的绝缘导电线圈中有电火花跳 过，便敏锐地想到这
9、可能是电磁共振。 由此开始直到1888年，赫兹集中力量持 续进行了有关电磁波特性的多方面实验 。 赫兹(H. R. Hertz, 18571894)-德国物理学家，生于汉堡。早在 少年时代就被光学和力学实验所吸引。十九岁入德累斯顿工学院学工程， 由于对自然科学的爱好，次年转入柏林大学，在物理学教授亥姆霍兹指导 下学习。1885年任卡尔鲁厄大学物理学教授。1889年，接替克劳修斯担任 波恩大学物理学教授，直到逝世。他于1894年元旦因血中毒逝世，年仅36 岁。 55 赫兹的电磁波实验原理图 56 赫兹的电磁波实验装置用来检测电磁波的有缺口 金属环状线圈 57 1888年1月，赫兹将这些成果总结在论动电效应的传播 速度一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。 由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定 性的胜利。 1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹 的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真 理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。 1887年11月5日，
