電磁場:理論的形成

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電磁場:理論的形成
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M. Faraday 和其他科學家在電磁學領域的基礎研究,以及法拉第關於電場和磁場關係的思想和他的電磁場模型是科學發展的必然環節,在此基礎上完成了經典電動力學的理論發展,創立了電磁場理論,形成了光的電磁理論。

一切是如何開始的

英國物理學家詹姆斯麥克斯韋(1831-1879)繼續法拉第的基礎研究。 1861 年至 1862 年,麥克斯韋發表了多篇文章,他提出了一個新理論,強調了介質的作用,並為自己設定了一個目標,即尋找一種可以揭示這種介質在磁相互作用中的行為的力學模型。

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Ratmir Belov
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在他建立的模型的幫助下,他得出了他著名的方程式。麥克斯韋方程組概括了法拉第的思想,揭示了電場和磁場之間的關係。由法拉第預測的麥克斯韋方程組得出一個極其重要的結論:交變電磁場以有限的速度傳播,該速度等於真空中的光速。

因此,這證明了電磁波的存在以及這一發現的所有科學和技術後果。

1873 年,J.麥克斯韋的著名著作《電與磁論》出版。總結他在電磁場領域的研究,作者證明光不過是電磁波,注意到介質的光學和電磁特性之間的密切關係,首次引入了位移電流的概念。在電容器極板之間的電介質中並形成磁場。

Electromagnetic field
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需要注意的是,麥克斯韋早在 1865 年就表達了關於光的電磁性質的基本思想。麥克斯韋的優點包括他是第一個研究光的折射率與介質的介電常數,也建立了光的偏振面在電磁場中的存在旋轉。

麥克斯韋理論完成了經典電動力學的發展,奠定了電磁場的科學基礎,並發現了光的電磁性質,起初遭到物理學家的懷疑。事實是,該理論的主要參考文獻和結論還沒有得到充分的實驗證實。 19 世紀的最後 25 年基本上是在麥克斯韋理論的實驗和理論驗證口號下發生的。

麥克斯韋理論的證明

麥克斯韋理論產生的第一個問題是,如果電現象和磁現象之間存在不可分割的聯繫,那麼單位的靜電和電磁系統之間必然存在相同的聯繫,即電動常數(與靜電和電磁單位)必須等於真空中的光速。這個假設需要實驗驗證。

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先前關於確定麥克斯韋方程中常數的重要研究成果屬於俄羅斯科學家 A. G. Stoletov (1839-1896),他開發了一種相當精確的方法來確定這些單位的比率,並首次確定它等於光的速度。

這也許是麥克斯韋理論有效性的第一個證明。

俄羅斯科學家 N.A. Umov (1846-1915) 的著作對解決能量的運動和分佈問題具有重要意義,他在深化場論方面邁出了重要一步,引入了運動和能量流的概念。

根據能量守恆定律,他推導出了能量在介質中的運動方程,並引入了能量通量密度向量,即Umov向量。

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Ratmir Belov
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十年後,英國物理學家約翰-亨利·波印廷 (John-Henry Poynting,1852-1914) 考慮了一個單獨的電磁場 Umov 矢量案例,他在 1884 年推導出了電磁場攜帶的能量通量密度的表達式。

所以,直到 1980 年代,也就是直到德國物理學家海因里希·魯道夫·赫茲 (Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894) 開始從事他著名的實驗研究以證實電磁場理論,在物理學中不僅完成了經典電動力學的創立,制定了電磁場理論,確立了光的電磁性質,還進行了實驗研究,證實了電磁理論的一些結論和規定。

海因里希赫茲和麥克斯韋理論的實驗證實

然而,只有赫茲在 1886 年至 1889 年進行的實驗從實驗上證實了電磁波的存在,並且斷言電磁波的速度在大小上等於光速,證明了電磁和光的性質完全一致波,從而為麥克斯韋的理論提供了研究基礎。

Electromagnetic field
圖片: Ryzhov Sergey | Dreamstime

作為 M. Faraday 和 D. Maxwell 觀點的支持者,他們拒絕遠距離作用,G. Hertz 自 1887 年以來,根據 Maxwell 方程重複他的老師 G. Helmholtz 的感應線圈實驗,發展了理論發射電磁波的開放式振動器。在“振動器”和“接收器”的幫助下,他證明了振盪放電會產生波,這是兩種垂直振蕩的組合——電和磁。

赫茲揭示了這些波的反射、折射、干涉和偏振,證明了所有的研究事實都可以用麥克斯韋理論充分解釋。 G. Hertz 研究了波通過電線的路徑,開發了一種經典的方法來測量直導體中的波速。

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在 1890 年出版的著作《靜止物體的電動力學基本方程》中,赫茲給出了麥克斯韋方程的清晰對稱形式,
它很好地展示了電和磁作用之間的完全互易性。

Hertz 是第一個成功應用 Umov-Poynting 矢量計算偶極子輻射到周圍空間的能量通量的人,並表明振動器傳輸的能量將與偶極子長度的平方成正比並且與偶極子產生的波長的立方成反比。

這些是天線理論的起點,也是無線電工程理論基礎的起點。赫茲的研究發現了自由電磁場的存在,物理學家的首要任務是需要產生這個場,檢測它並控制它。首先,有必要製造新型發電機以激發越來越小的長度的波浪。赫茲本人使用了 66 厘米長的波浪。

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意大利人奧古斯托·里奇(Augusto Ritchie,1850-1920)在 1893 年收到了 10.6 厘米長的波浪,傑出的俄羅斯科學家 P.M.列別捷夫在 1894 年演示了獲得長度為 6 毫米的電磁波的實驗。

電報和廣播

所以,在十九世紀 90 年代初。證明了電磁與光學的綜合,電磁波與光波的完全同一性。在科學之前出現了一個新問題——使用電磁波來滿足電報的需要。俄羅斯科學家 A.S. 1895 年的波波夫 (1859–1906)

Electromagnetic field
圖片: Salvador Reyes Anaya | Dreamstime

波波夫在無線電發明方面的功績於 1900 年在巴黎舉行的世界電工大會上獲得了榮譽文憑和金質獎章的正式認可。 應該指出的是,意大利無線電工程師 Guglielmo Marconi 於 1896 年底向英國提出了他為實施無線電報而開發的設備,並於 1897 年獲得了專利。

G. Marconi 的優點應該包括在實際無線電報的實施方面取得了成功,特別是在 1901 年,他與美國跨越大西洋進行了第一次無線電通信。 1896-1899年尼古拉特斯拉(1854-1943),一位傑出的塞爾維亞科學家和電氣和無線電工程領域的發明家,從事天線設備的開發。

至此,承認電磁場存在的現實的鬥爭就完成了。

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