磁现象是最早被人类认识的物理现象之一,指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的,地球,恒星(如太阳)、星系(如银河系)、行星、卫星,以及星际空间和星系际空间,都存在着磁场。为了认识和解释其中的许多物理现象和过程,必须考虑磁场这一重要因素。在现代科学技术和人类生活中,处处可遇到磁场,发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等,无不与磁现象有关。甚至在人体内,伴随着生命活动,一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。
人类对磁场最初的认识来自天然磁石,人们发现这种神奇的黑色石头之间是不同的方向,能表现出斥力或者引力。
慢慢的发现,这种东西可以把钢针磁化,磁化后某一端总是指向南方,利用这个原理出现了指南针。
开始,人类还不知道背后的原理,但依然可以利用这个现象造福人类,比如用来磁化钢针,制作指南针,并开启航海时代。
最早出现的几个学术性论述之一,是由法国学者皮埃·德马立克(Pierre de Maricourt)于公元1269年写成。德马立克仔细标明了铁针在块型磁石附近各个位置的定向,从这些记号,又描绘出很多条磁场线。他发现这些磁场线相会于磁石的相反两端位置,就好像地球的经线相会于南极与北极。因此,他称这两位置为磁极。
几乎三个世纪后,威廉·吉尔伯特主张地球本身就是一个大磁石,其两个磁极分别位于南极与北极,出版于1600年,吉尔伯特的巨著《论磁石》(De Magnete)开创磁学为一门正统科学学术领域。
1824年,西莫恩·泊松发展出一种物理模型,比较能够描述磁场。泊松认为磁性是由磁荷产生的,同类磁荷相排斥,异类磁荷相吸引,他的模型完全类比现代静电模型,磁荷产生磁场,就如同电荷产生电场一般,这理论甚至能够正确地预测储存于磁场的能量。
尽管泊松模型有其成功之处,这模型也有两点严重瑕疵。
第一,磁荷并不存在。将磁铁切为两半,并不会造成两个分离的磁极,所得到的两个分离的磁铁,每一个都有自己的指南极和指北极。
第二,这模型不能解释电场与磁场之间的奇异关系。
大家看,任何一个物理的理论都是通过现象去猜测本质,这个过程从来都不是一蹴而就的,都是很多代人积累的结果。我们平时学习也是,千万不要因为一点不懂就放弃,把一个个小问题一一解决,就可以尝试去解决大问题了,在整体的物理理论进步上,每个人的成就其实都是微乎其微的。
1820年,一系列的革命性发现,促使开启了现代磁学理论。首先,丹麦物理学家汉斯·奥斯特于7月发现载流导线的电流会施加作用力于磁针,使磁针偏转指向。从而知道了电和磁相互依存的关系。由导体中电流所产生的磁场的极性和电流的流动方向有关,它服从右手法则。
稍后,于9月,在这新闻抵达法国科学院仅仅一周之后,安德烈·玛丽·安培成功地做实验展示出,假若所载电流的流向相同,则两条平行的载流导线会互相吸引;否则,假若流向相反,则会互相排斥。
紧接着,法国物理学家让·巴蒂斯特·毕奥和菲利克斯·沙伐于10月共同发表了毕奥-萨伐尔定律,这定律能够正确地计算出在载流导线四周的磁场。
1825年,安培又发表了安培定律。这定律也能够描述载流导线产生的磁场,更重要的,这定律帮助建立整个电磁理论的基础。安培定律(Ampere’s law)是电流与电流之间磁相互作用的规律,于1820年由安培发现,是电磁学的基本定律之一。其内容为:两个元电流之间相互作用力的大小分别与它们的电流强度I₁、I₂以及两电流元长度dL₁、dL₂成正比,与其间的距离r₁₂平方成反比
于1831年,法拉第证实,随着时间演进而变化的磁场会生成电场,这实验结果展示出电与磁之间更密切的关系。
从1861年到1865之间,詹姆斯·麦克斯韦将经典电学和磁学杂乱无章的方程加以整合,发展成功麦克斯韦方程组。最先发表于他的1861年论文《论物理力线》,这方程组能够解释经典电学和磁学的各种现象。在论文里,他提出了“分子涡流模型”,并成功地将安培定律加以延伸,增加入了一个有关于位移电流的项目,称为“麦克斯韦修正项目”。由于分子涡包具有弹性,这模型可以描述电磁波的物理行为。因此,麦克斯韦推导出电磁波方程,他又计算出电磁波的传播速度,发现这数值与光速非常接近,警觉的麦克斯韦立刻断定光波就是一种电磁波。
后来,于1887年,海因里希·鲁道夫·赫兹做实验证明了这事实。
至此,麦克斯韦统一了电学、磁学、光学理论。
虽然,有了极具功能的麦克斯韦方程组,经典电动力学基本上已经完备,在理论方面,二十世纪带来了更多的改良与延伸。阿尔伯特·爱因斯坦,于1905年,在他的论文里表明,电场和磁场是处于不同参考系的观察者所观察到的同样现象(帮助爱因斯坦发展出狭义相对论的思想实验,关于其详尽细节,请参阅移动中的磁铁与导体问题)。后来,电动力学又与量子力学、狭义相对论合并为量子电动力学。
我们看到任何一项技术的发展都不是一个神人的功劳,而是很多人共同努力的结果,物理相比于数学更需要的是想象力。
当然高中阶段我们理解的磁场要初级的多,连皮毛都不算,只靠这是完全不能做相关领域的设计的,更别提研究了,我们该学的是思维方式,以及整体的概念,这样有助于我们研究任何科学性的问题。
会做题绝对不是我们学习物理的核心!!!!