浅析麦克斯韦和电磁场理论

摘要：麦克斯韦是继法拉第之后，又一位集电磁学大成于一身的伟大科学家。他全面地总结了电磁学研究的全部成果，并在此基础上提出了“感生电场”和“位移电流”的假说，建立了完整的电磁场理论体系，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。他的理论成果为现代无线电电子工业奠定了理论基础。

关键词：电磁场理论；麦克斯韦方程组；电磁感应；位移电流

中图分类号：TN914 文献标识码：Ａ文章编号：1005-5312（2011）

麦克斯韦(James Clark Maxwell，1831—1879)是英国物理学家，诞生于苏格兰的古都爱丁堡。16岁时考进了爱丁堡大学，专攻数学和物理。19岁时又进入剑桥大学。1854年，他在剑桥大学数学竞赛中名列第二。1856年任苏格兰Marishal学院的自然哲学讲座教授。 1860年至1868年任伦敦皇家学院和剑桥大学物理学教授。1870年创设并主持卡文迪什物理实验室，并担任剑桥大学首任实验物理学教授。他是英国皇家学会会员。他的主要贡献是建立了电磁场理论和气体分子速度分布律。

一、麦克斯韦与他的《论法拉第力线》

麦克斯韦于1856年发表了他的第一篇论文《论法拉弟的力线》，在这篇文章中，他试图用数学语言精确地表述法拉弟的力线概念，他采用数学推论与物理类比相结合的方法，以假想流体的力学模型去模拟电磁现象。

1846年，汤姆孙获得了剑桥大学学位后，研究了电现象和弹性现象的类似性。他考察了处于应力状态的不可压缩弹性固体的平衡方程，指出表示弹性位移的矢量分布可与静电系统的电力分布相比拟。而且，弹性位移还可以同样好地与一个通过B由Curlα=B定义的矢量α相一致。这里α是与纽曼，韦伯等人在电流感应论文中引用的矢势(vector potential)等价。但汤姆孙是在不知道这一等同性时，经过不同途径，独立得到的。

二、麦克斯韦与他的《论物理力线》

麦克斯韦在完成了统一已知电磁学定律的第一阶段工作后，又投入到第二阶段工作中．他于1862年发表了具有决定意义的论文《论物理学的力线》。麦克斯韦在这篇著作中，突破了法拉弟的电磁观念，创造性地提出了自己理论的核心部分——位移电流的概念。

麦克斯韦按照电磁学和动力学的类比关系发现，交变电流通过含有电容器的电路时，按照原有的认识，由于电荷不能在电容器极板之间移动，因此传导电流将中断，这同实际电流的连续性发生矛盾。而且如果电流仅限于导体，电磁场也就失去了意义。为了解决这些矛盾，他依据电磁学与动力学的类比关系和电磁现象的对称性，认为在交变电流电路中，电容器一个极板上变化的电场会引起感生磁场，变化的磁场又会在电容器的另一极板上引起感生电场，产生交变电流，故变化电场的作用就相当于传送电流，但它不是电荷的传导，而是电荷的位移。这样麦克斯韦就在无导体存在的磁场中引入了“位移电流”的概念，这样位移电流和传导电流迭加起来在电容电路中的总流线是闭合的，位移电流概念的引入，是麦克斯韦理论的关节点，也是他的重大发现，即发现了电场变化激发磁场变化的现象。

三、麦克斯韦与他的《电磁场的动力学理论》

1864年，麦克斯韦又发表了第三篇著名的论文《电磁场的动力理论》。在这篇论文中，麦克斯韦舍弃了他原来提出的力学模型而完全转向场论的观点，并明确论述了光现象和电磁现象的统一性，奠定了光的电磁理论的基础。

麦克斯韦首先谈到由于电磁相互作用不仅与距离有关，而且依赖于相对速度，不应以超距作用为出发点。他仍然假设产生电磁现象的作用力是同样在空间媒质中和在电磁物质中进行的，在真空中有以太媒质存在，这种以太媒质弥漫整个空间，渗透物体内部，具有能量密度，并能够以有限速度传播电磁作用。麦克斯韦借助于以太媒质这种力学图象来描述真空场的概念，把以太媒质作为介电常数ε=1（真空场）的“电介质” 。当电介质极化时，在分子范围内发生微观电荷移动的现象，这种微观电荷移动产生一种瞬息电流。他假设在真空中，由于以太媒质的存在，电场变化时同样也有位移电流出现。位移电流和传导电流一样，也按照毕奥——萨伐尔定律的规律产生磁场。

1868年，麦克斯韦发表了一篇论文《关于光的电磁理论》，明确地创立了光的电磁学说。1873年麦克斯韦出版电磁理论的经典著作《论电和磁》在这部著作中，麦克斯韦对电磁理论作了全面系统和严密的论述，并从数学上证明了方程组解的唯一性，从而表明这个方程组是能够精确地反映电磁场的客观运动规律的完整理论。这样，经几代人的努力，电磁场理论的宏伟大厦终于建立起来了，从而实现了物理学史上的第二次理论大综合。

参考文献:

[1]麦克斯韦.论法拉第力线（第一版）.

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