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電動力學是研究電磁現象的經典的動力學理論,它主要研究電磁場的基本屬性、運動規律以及電磁場和帶電物質的相互作用。同所有的認識過程一樣,人類對電磁運動形態的認識,也是由特殊到一般、由現象到本質逐步深入的。人們對電磁現象的認識範圍,是從靜電、靜磁和似穩電流等特殊方面逐步擴大,直到一般的運動變化的過程。

1 電動力學 -研究歷史

電動力學電動力學是研究電磁現象的動力學理論

在電磁學發展的早期,人們認識到帶電體之間以及磁極之間存在作用力,而作為描述這種作用力的一種手段而引入的場的概念,並未普遍地被人們接受為一種客觀的存在。人們已經認識清楚,電磁場是物質存在的一種形態,它可以和一切帶電物質相互作用,產生出各種電磁現象。電磁場本身的運動服從波動的規律。這種以波動形式運動變化的電磁場稱為電磁波。

電動力學的任務就是闡述電磁場及與物質相互作用的各個特殊範圍內的實驗定律,並在此基礎上闡明電磁現象的本質和它的一般規律,以及運用這些規律定量地處理各種電磁問題、研究各種電磁過程。電動力學中解釋電磁現象的基本規律的理論,是19世紀偉大的物理學家麥克斯韋建立的方程組。

2 電動力學 -內容

麥克斯韋方程組是在庫侖定律(適用於靜電)、高斯定理、畢奧-薩伐爾定律和法拉第電磁感應定律以及安培環路定理(修正後的,即全電流定律)等實驗定律的基礎上建立起來的。通過提取上述實驗定律中帶普遍性的因素,並根據電荷守恆定律引入位移電流,就可以導出麥克斯韋方程組。在物理上,麥克斯韋方程組其實就是電磁場的運動方程,它在電動力學中佔有重要的地位。
電動力學電磁試驗


另一個基本的規律就是電荷守恆定律,它的內容是:一個封閉系統的總電荷不隨時間改變。近代的實驗表明,不僅在一般的物理過程、化學反應過程和原子核反應過程中電荷是守恆的,就是在基本粒子轉化的過程中,電荷也是守恆的。

麥克斯韋方程組給出了電磁場運動變化的規律,包括電荷電流對電磁場的作用。對於電磁場對電荷電流的作用,則是由洛倫茲工是給出的。將麥克斯韋方程組、洛倫茲里公式和帶電體的力學運動方程聯立起來,就可以完全確定電磁場和帶電體的運動變化。因此,麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式構成了描述電磁場運動和電磁作用普遍規律的完整體系。

在電磁場的作用下,靜止的媒質中一般可能發生三種過程:極化、磁化和傳導。這些過程都會使媒質中出現宏觀電流。極化和磁化的公式的另一個重要限制是不能應用於鐵電和鐵磁情況。鐵磁質是常用的磁性媒質之一。另外,在強場情況,即使普通的媒質,也會出現非線性現象。當電場超過一定限值時,電介質甚至會被擊穿。電磁波在各向異性介質中傳播時,常會發生一些複雜的現象,如雙折射等。在電動力學中,處理有媒質的電磁問題時,需要將麥克斯韋方程組和媒質的本構方程聯立起來求解。對上面提到的那些特殊情況,須根據其本構方程作特殊研究,其中有的方面甚至發展成為電動力學的專門分支。

在媒質運動的情況,不僅媒質中還會出現新類型的電荷電流,媒質的電磁性質也會不同。此外,由於電磁場還對媒質產生有質動力,媒質的力學運動將和其中的電荷電流以及電磁場的運動變化互相影響,有時可以形成十分複雜的狀態,這種情況在等離子體中常常見到。

3 電動力學 -電磁關係

自吉爾伯特開始以來的二百多年,電和磁一直是毫無關係的兩門學科,圍繞電與磁尋找自然現象之間的聯繫,成為一種潮流。1820年,奧斯特發現了電流的磁效應,繼泰勒斯2400年之後,建立了電與磁的聯繫。
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「頓牟綴芥,磁石引針」說明電現象和磁現象的相似性;電力與磁力都遵守平方反比定律,說明它們有類似的規律。17世紀初,吉爾伯特斷言,他們之間沒有因果關係;庫侖也持相同觀點。但:1731年一名英國商人的一箱新刀在閃電過後帶上了磁性;1751年,富蘭克林發現縫紉針經過萊頓瓶放電后磁化了。1774年,德國一家研究機構懸獎征解,題目是:「電力和磁力是否存在實際和物理的相似性?」         

奧斯特是丹麥人,發現電流磁效應的第一人。1799年的博士論文《論外部自然的基本的形而上學範疇》中,闡述了康德哲學思想對科學的指導作用,並深受康德關於「基本力」可以轉化為其它各種形式的力的觀點影響,1803年,旅遊德國時,結識了堅信化學現象、電流和磁之間有相互聯繫的德國青年化學家裡特,還參加過里特為尋找這種聯繫而進行的一些實驗。這些都為奧斯特發現電流磁效應打下了基礎。

(1)1803年他曾說:「人們的物理學將不再是關於運動、熱、空氣、光、電、磁以及人們所知道的任何其他現象的零散的羅列,人們將把整個宇宙容納在一個體系中。」他認為「自然力之統一」。

(2)1812年發表《關於化學力和電力的同一性研究》,表明他已經將自然力的統一思想運用到物理學和化學的研究中去了。他從電流流經直徑較小的導線時導線會生熱的現象推測,如果導線直徑再小,就可能發光,直徑再繼續減小,就會產生磁。並指出:「人們應該檢驗的是,究竟電是否以其最隱蔽的方式對磁體有所影響。」

(3)但是他認為電流對磁體的作用是縱向的(即沿著電流的方向),所以他的猜測一直未能實現。他在通電的導線前面放一根磁針,企圖用通電的導線去吸引磁針。然而,導線灼熱了,甚至燒紅髮光了,磁針毫無動靜。但奧斯特深信,電和磁有某種聯繫,就像迪那和發熱發光的現象一樣。

(4)1819冬--1820年4月,奧斯特在給學生講「電學、伽伐尼電流和磁學」的課程時,他考慮:電流產生的磁效應是否像電流通過導線時產生的熱和光那樣向四周散射,即是一種側(橫)向作用呢?在一次講課中,他嘗試將磁針放在導線的側面。當他接通電源時,發現磁針輕微的晃動了一下! 正是這一輕微的晃動,奧斯特馬上意識到他多年孜孜以求的東西就要實現了。奧斯特緊抓不放,經過反覆實驗,查明了電流具有磁效應。1820年7月21日,發表了《電流對磁針的作用的實驗》,引起了學術界的轟動。

(5)電衝突和螺旋線:奧斯特把導體周圍空間發生的這種效應稱為「電衝突」指出:「這種衝突呈現為圓形,否則就不可能解釋這種現象:當磁極放在導線下面時,磁極被推向東方;當磁極被置於導線上方時,磁極被推向西方。其原因是,只有圓才具有這樣的性質,
其相反部分的運動具有相反的方向。此外,沿著導線長度方向連續前進的圓形運動必然形成蝸線或螺旋線。」

(6)旋轉力與中心力:奧斯特的發現和牛頓力學的基本原理是相互矛盾的。在牛頓力學中,自然界的力只能是作用於物體連線上的吸引或排斥力,即直接推拉性質的「中心力」。而奧斯特發現的卻是一種「旋轉力」。他所說的「螺旋線」,實際上就是關於磁的橫向效應或電流所引起的渦流磁場的直觀描述。是「場」的思想的開端。

4 電動力學 -與其他學科關係

電動力學中求解的問題相當廣泛,如求解靜電場和靜磁場的分佈,媒質在靜電場或靜磁場中所受的力,電磁波的輻射和傳播,帶電粒子在電磁場中的運動,電磁波和媒質的相互作用甚至媒質的運動等。另外,狹義相對論的提出與電動力學的研究有密切的關係,其內容中還包括電磁場在不同參照系中的變換關係,所以也常常放在電動力學中討論。

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