電磁波的發(fā)現(xiàn)有歷史原因(起初磁被認(rèn)為是一種獨(dú)立于電的現(xiàn)象),也有磁本身的發(fā)展和應(yīng)用,如現(xiàn)代磁性材料和磁性技術(shù)的發(fā)展,新的磁效應(yīng)磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用等,不斷拓展了磁學(xué)的內(nèi)容,磁學(xué)實(shí)際上是作為與電平行的學(xué)科來研究的。 電磁學(xué)已從兩門獨(dú)立的科學(xué)(電和磁)發(fā)展成為物理學(xué)的一個(gè)完整的分支。 它主要基于兩個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),即電流的流動(dòng)產(chǎn)生磁效應(yīng),以及變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電效應(yīng)。 這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,加上JC麥克斯韋關(guān)于變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的假設(shè),建立了整個(gè)電磁學(xué)理論體系,并發(fā)展了對(duì)現(xiàn)代文明產(chǎn)生重大影響的電氣和電子技術(shù)。 麥克斯韋電磁理論的偉大意義不僅在于該理論統(tǒng)治了所有宏觀電磁現(xiàn)象(包括靜電、穩(wěn)定磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)、電路、電磁波等),而且在于它將光學(xué)現(xiàn)象統(tǒng)一在這個(gè)理論框架,是深刻的。 它極大地影響著人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。 電子的發(fā)現(xiàn)將電磁學(xué)與原子和物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論結(jié)合起來,洛倫茲的電子論將物質(zhì)的宏觀電磁特性歸因于原子中電子的作用,統(tǒng)一解釋了電、磁、光現(xiàn)象。 與電磁學(xué)密切相關(guān)的是經(jīng)典電動(dòng)力學(xué),兩者在內(nèi)容上沒有原則性的區(qū)別。 一般來說,電磁學(xué)側(cè)重于電磁現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究,從廣泛的電磁現(xiàn)象的研究中總結(jié)出電磁學(xué)的基本規(guī)律; 經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)側(cè)重于理論方面,它基于麥克斯韋方程組和洛倫茲力。 研究電磁場(chǎng)的分布、電磁波的激發(fā)、輻射和傳播以及帶電粒子與電磁場(chǎng)的相互作用等電磁問題。 也可以說廣義電磁學(xué)包括經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)。
關(guān)于相對(duì)論和量子論對(duì)電磁學(xué)發(fā)展的影響,參見相對(duì)論電動(dòng)力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)。 麥克斯韋電磁學(xué)理論發(fā)表后,由于理論理解難度大、缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,長期沒有受到重視和廣泛認(rèn)可。 1879年,柏林科學(xué)院設(shè)立了有獎(jiǎng)?wù)魑谋荣悾笞C明以下三個(gè)假設(shè):①如果存在位移電流,則一定會(huì)產(chǎn)生磁效應(yīng); ②磁力的變化必然會(huì)在絕緣體介質(zhì)中引起位移電流; ③ 在空氣或真空中電磁學(xué)發(fā)展史,上述兩個(gè)假設(shè)同樣成立。 這次征稿成為赫茲電磁波實(shí)驗(yàn)的先驅(qū)。 1885年,赫茲使用具有初級(jí)和次級(jí)繞組的振蕩線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 他偶然發(fā)現(xiàn),當(dāng)向初級(jí)線圈輸入脈沖電流時(shí),次級(jí)繞組兩端的狹縫中間會(huì)產(chǎn)生電火花。 赫茲立即想到,這可能是一種電磁共振現(xiàn)象。 由于初級(jí)線圈的振蕩電流可以激發(fā)次級(jí)線圈的火花,因此可以在鄰近介質(zhì)中產(chǎn)生振蕩位移電流。 該位移電流又會(huì)影響次級(jí)繞組的火花強(qiáng)度。 1886年,赫茲設(shè)計(jì)了線性開路振蕩器,在環(huán)形導(dǎo)線C上有間隙作為電感器。 它被放置在線性振蕩器 AB 附近。 當(dāng)脈沖電流輸入到AB處,間隙中產(chǎn)生火花時(shí)電磁學(xué)發(fā)展史,C間隙中也產(chǎn)生火花。 其實(shí)這就是電磁波的產(chǎn)生、傳播和接收。 證明電磁波與光波的一致性:1888年3月,赫茲測(cè)量了電磁波的速度,并在論文《論電磁波及其在空氣中的反射》中介紹了測(cè)量方法:赫茲利用電磁波形成的駐波波來測(cè)量相鄰電磁波的速度。 兩個(gè)波節(jié)點(diǎn)之間的距離(半波長)與振動(dòng)器的頻率相結(jié)合,可以計(jì)算出電磁波的速度。
他把一塊鉛釘在一個(gè)大房間的墻上,反射電磁波形成駐波。 波源采用支流振子,距離13米。 使用感應(yīng)線圈作為測(cè)試儀,沿駐波方向來回移動(dòng)。 測(cè)試儀不會(huì)在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生火花,但會(huì)在波腹處產(chǎn)生最強(qiáng)的火花。 用這種方法測(cè)量兩個(gè)波節(jié)點(diǎn)之間的長度,從而確定電磁波的速度等于光速。 1887年,設(shè)計(jì)了“感應(yīng)平衡器”:1886年在裝置一側(cè)放置一塊金屬板D,然后將C移遠(yuǎn),使間隙中不會(huì)出現(xiàn)火花,然后將金屬板D移入AB、C方向。 間隙中再次出現(xiàn)電火花。 這是因?yàn)镈中感應(yīng)出的振蕩電流產(chǎn)生了作用于C的附加電磁場(chǎng)。當(dāng)D接近時(shí),C的平衡被破壞。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明,振蕩器AB交替極化附近的介質(zhì),形成變化的位移電流,進(jìn)而影響“電感平衡器C”的平衡狀態(tài)。 使C中出現(xiàn)電火花。當(dāng)D接近C時(shí),平衡狀態(tài)再次被破壞,C中再次出現(xiàn)火花。這就證明了“位移電流”的存在。 赫茲還利用金屬表面以 45° 角反射電磁波; 使用金屬凹面鏡來聚焦電磁波; 使用金屬網(wǎng)格來極化電磁波; 并利用非金屬材料制成的大棱鏡來折射電磁波。 這證明了麥克斯韋光電磁理論的正確性。 直到那時(shí),麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論才被認(rèn)可。 他被公認(rèn)為“繼牛頓之后世界上最偉大的數(shù)學(xué)物理學(xué)家”。 至此,法拉第開創(chuàng)、麥克斯韋創(chuàng)立、赫茲驗(yàn)證的電磁場(chǎng)理論向世人宣告了勝利。