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电和磁,就这样合为一体,永不分离。
麦克斯韦方程预言,电磁场中存在波状微扰,并且以固定的速度行进,如同水面的涟漪。于是,麦克斯韦兴致勃勃地计算它的速度,算出电磁波的传播速度,是介电系数和导磁系数的几何平均的倒数,一看得数,是一个惊人的巧合:这个波的速度居然等于光速!原来,几年前得到的那个值,不是一个巧合!
于是,麦克斯韦缓缓地爆出一个猛料:光,也是一种电磁波!
现在我们知道,麦克斯韦波的波长在390—760纳米之间时,它们就是可见光,我们在前面说过,光波长短与人眼可见范围的关系,这次算是复习。
以可见光为界,波长较短的不可见波,有紫外线、X射线、伽马射线;波长较长的不可见波,有红外线(小于万分之一厘米)、微波(1厘米左右)、射电波(这个很长,从1米到几公里或更多)。
电磁波还有一种奇异的特性,它们由于运动还可以改变波长,也就是可以相互转换,你变成我,我变成你,这个问题,我们在后面一定会遇到,此处暂不讨论。
现在我们明白了,原来光、电磁波是一回事,只不过波长不同、效应不同罢了。另外,咱们还明白一件事:不管波长波短,它们的速度相同。这一点至关重要。
这一年,麦克斯韦辞去皇家学院教授之职,回到家乡,系统总结自己在电磁学上的研究成果。
1873年,这是科学史上光辉灿烂的一年。麦克斯韦的《电磁学通论》横空出世。他更为彻底地应用了拉格朗日的方程,推广了动力学的形式体系。
麦克斯韦在这部经典著作中,系统地总结了19世纪中叶前后电磁学的研究成果,包括吉尔伯特、卡文迪许、库仑、伽伐尼、伏打、奥斯特、欧姆、安培、汤姆逊,特别是法拉第等人的巨大贡献,更为细致、系统地概括了他本人创造性的工作成就,建立起完整的电磁学理论。
这部巨著非同小可,可与牛顿的《原理》(力学)、达尔文的《物种起源》(生物学)相提并论。
从此,物理学的广袤大地上,在傲然挺立的力学大厦旁,灿烂辉煌的电磁学宫殿拔地而起,与之比肩!
这一年,电磁王国的总设计师42岁。
麦克斯韦的四元方程组,可以准确地描绘电磁场的特性,及其各种相互作用的关系,它最大优点,就是通用、好用——在任何情况下都好用。
描述:它高度概括并准确描述了电磁学理论。
证明:已经有的理论,用它能推导和证明出来,包括以前所有的电磁定律。
求解:以前没解决的问题,也能用它推导出答案。
预测:以前不知道的东西,或者理论、定律等,它能


IP属地:四川来自Android客户端23楼2014-08-01 17:17
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    预测:以前不知道的东西,或者理论、定律等,它能准确地预言,比方说,可以证明出电磁场的周期振荡的存在。这种振荡叫电磁波。用方程就可以算出,电磁波的速度接近30万公里/秒,而用不着任何测量仪器。麦克斯注意到这个得数与光速一致,由此得出光本身是一种电磁波的结论。
    因此,麦克斯韦方程不仅是电磁学的基本定律,也是光学的基本定律。也就是说,用它可以推导出光的所有定律!这是人类在认识光的本性方面的又一大进步。光学和电磁学的统一,是19世纪科学史上最伟大的综合之一。
    由于那时,麦克斯韦已经很有名气,所以,他的《电磁学通论》一出,迅速被科学界人士抢购一空。
    但很快,买书的人发现一个大问题:看不懂!
    是啊,电荷、电流、电磁等东西本来就看不见,很抽象,麦克斯韦用更抽象的数学去描述它,那就比抽象还抽象了。加上麦克斯韦的思想太超前、太不同凡响,就连赫尔姆霍茨(德国物理、生理、心理学家,有人称之为达尔文之后最伟大的科学家)、波尔兹曼(奥地利物理学家,热力学和统计物理学的奠基人之一)这样的天才,也花了几年时间才理解。
    懂的人少不要紧,要紧的是,电磁波这东西,没人看见过。物理学家们很彷徨,从理论上来看,麦克斯韦的整个理论是完美、可靠的,可是,传说中的电磁波在哪呢?
    于是,人们开始怀疑。这一怀疑,就是15年。
    麦总设计师建立了电磁王国后,也没想着去搞搞实验,制造出电磁波,来证明自己的理论是对的。他认为自己该做的都做了,实验的事,让别人去做好了。
    这位大师放下电磁学,转头搞起了气体动力的研究,因为他在研究土星光环时,遇到过与此有关的难题,而我们的麦克斯韦,是不允许难题在自己面前张牙舞爪的,现在有时间了,该是收拾它的时候了。于是,麦克斯韦成为气体力学理论的创始人之一。
    麦克斯韦生命的后几年,把全部精力都投入到卡文迪许实验室的建设上了。实验室是剑桥大学的一位校长威廉·卡文迪许私人捐建的,他是大科学家亨利·卡文迪许的近亲。思来想去,他觉得这样重大的一件事,交给麦克斯韦比较放心,于是,1871年,剑桥聘请麦克斯韦负责主持创建卡文迪许实验室,出任实验室物理学教授。
    什么叫超值?用了麦克斯韦这样的人才,就叫超值。麦克斯韦的能力远远超出了工作的需要。
    麦克斯韦是个极度认真的人,接到任务后,他全心全意扑在实验室的建设上,使实验室设计完美。作为第一届卡文迪许实验物理学教授,实验室建成后,他还拿出自己


    IP属地:四川来自Android客户端24楼2014-08-01 17:20
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      麦克斯韦一生虽短,但他功高业伟、义重情长,为人类带来的是真理、进步和光明,他的功、德、名、道永驻人间;
      而有的人,为人们带来的是欺骗、落后和黑暗,就算多活21年,也只是遭人唾弃和鄙夷,呜呼看身后,名比皮囊臭。
      麦克斯韦是近代物理学的巨匠,经典物理学大厦的主要构建者之一,他提出和发展了新的世界观,加速了牛顿力学观的崩溃,为未来的科学研究指明了方向,成为现代物理学的先驱。
      科学史认为,牛顿把天上和地上的运动规律统一起来,是实现第一次大综合;麦克斯韦把电、光统一起来,是实现第二次大综合,因此应与牛顿齐名。还记得吧,我们讨论过科学理论统一的重要性。
      他的电磁学理论通向相对论,他的气体动力学理论对量子论起过作用,他筹建并领导的卡文迪许实验室,引导了实验原子物理学的发展……这一切,使他成为从牛顿到爱因斯坦之间最伟大的物理学家。
      麦克斯韦1873年出版的《电磁学通论》,被尊为继牛顿《原理》之后的一部最重要的物理学经典。没有电磁学,就没有现代电工学,也就不可能有现代文明。
      他生前没有享受到应得的荣誉,因为他的科学思想太超前了,其重要意义,直到20世纪科学**,才得以充分体现。
      再美丽的理论,没有经过实践的检验、实验的证实,也是空中楼阁,当不得真的。
      检验麦爷的电磁学理论,是一件难事,因为理解这个理论已经很难,遑论检验?但,在那个激情燃烧的年代,每逢关键时刻,总会有强人挺身而出。
      海因里希·鲁道夫·赫兹。
      德国人。1857年2月22日出生。麦克斯韦的《电磁学通论》发表时,赫兹只16岁。赫兹绘画、外语、文学方面极有天赋,学过木匠,练过车工,当过兵,进修过工程师,但他发现,自己最挚爱的,是寻求科学真理。
      麦爷理论刚建立时,支持他的物理学家很少,其中包括前面提到过的波尔茨曼和赫尔姆霍茨。他俩用了几年的时间,弄懂了电磁学理论。
      然后,赫兹成了赫尔姆霍茨的学生。
      然后,赫兹也弄懂了电磁学理论。
      经过深入研究,他确信,麦爷的理论比牛爷的“超距作用”更靠谱,但是,证据呢?
      木有。那就自己动手!
      应该说,赫尔姆霍茨作为无论作为科学家,还是作为导师,都是伟大的,他始终如一、不遗余力地大力支持和扶持赫兹。在天才赫尔姆霍茨的帮助下,1887年,天才的赫兹鼓捣出一个玩意,这玩意能把电转换为具有一定频率的电信号,后来人们管它叫“赫兹振荡器”。
      赫兹设计了一套装置,主要分两个部


      IP属地:四川来自Android客户端26楼2014-08-01 17:23
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        赫兹设计了一套装置,主要分两个部分:振荡器、共振器。看名字就知道它俩的关系了,振荡器是主犯,负责以振动教唆;共振器是从犯,胁从共振。这俩家伙没什么头脑,结构比头脑还简单:
        振荡器,是一根短导线,截成两段(更短了),截口处,离开一点缝隙。通电时,电压能击穿缝隙间的空气,形成电火花,产生震荡信号。为了增加电容,教唆得更狠一点,两段导线的外端,分别焊了一个金属球和一块金属板。
        共振器,是一个金属圈,弄开一个断口,对了,套环魔术用的金属圈就是这样,只不过断口不能让咱看见。但共振器的断口很明显,在断口的两个端点,各安了一个小圆珠,为什么叫“安”不叫“焊”呢?因为这两个小圆珠是用螺丝安到端口上的,为的是可以调整俩珠的距离。
        设备搞定,接下来,就是见证奇迹的时刻了!
        给振荡器通电,逐渐增大电压,导线缝隙间的火花如约出现,直到形成一道扭曲闪烁的蓝光。这不算什么,电火花见得多了。教唆不是奇迹,人家肯胁从,才是奇迹。
        赫兹转过头,盯着共振器,那是火花吗?
        擦了擦眼睛,不是火花,是眼花。两器距离,两球距离,电压……各种调整,此动作重复了N次。
        其实从准备到产生结果,整个实验进行了几个月,如果我照实说一遍,你一定会扁我一顿。于是我说:
        期盼已久的时刻终于到来了!赫兹看见了电火花,在共振器的两个小球之间。
        虽然这火花是那样微弱,但这是“凭空”产生的啊!没人给它通电,也没人删它帖子,它“发火”的唯一理由,竟然是跟它毫不沾边的另一个家伙在“发火”!
        1887年年底,赫兹在柏林科学院的院会上,宣布这个令人振奋的消息:实验证实了麦克斯韦关于位移电流的预言。震荡的电场向外传播的,就是传说中的电磁波!
        共振器不是凭空“发火”,而是振荡器这家伙在利用电磁波,玩“隔山打牛”的魔术。
        1888年,赫兹又做了一个实验,设备也超简单:
        振荡器一枚,发射电磁波。
        锌皮一块,反射电磁波。
        电磁波就在两者之间反射,形成驻波……
        Stop!等等,波是要传播的,驻是不动的,这俩字怎么能放在一起?玩QQ360呢?
        其实,就像QQ360也可以和平共处一样,驻波,也能成词,它是由频率、振幅、振动方向都一样,但传播方向相反的两列波叠加后形成的波。这样的波,能量只能在波节和波腹之间来回折腾,所以,它不向前传播。其中,波节是振幅为零的点,能量最低;波腹指振幅最大处,能量最高。如果迷糊就看下图:


        IP属地:四川来自Android客户端27楼2014-08-01 17:26
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          检测器一只,在振荡器和锌皮之间,顺着驻波前后移动,检测波段效应的强弱,最强处,就是波腹,最弱处,就是波节,波节和波腹两点之间的距离,就是半个波长,乘以2,就是波长。
          赫兹测出,波长9.6米。先假设电磁波等于光速。速度÷波长=频率。算出了该电磁波的频率。
          然后根据振荡周期公式,算出这个振荡器的谐振周期,也就是它发出电磁波的实际频率。
          结果,麦爷又赢了,这俩频率相等。就是说,实验检测证明:电磁波速度等于光速。
          31岁的赫兹按捺心中的狂喜,告诫自己,要淡定,要谨慎,憋住,不要说出那个答案!
          接下来,是各种实验。(此处删去5万字)
          所有试验都告诉赫兹,光的特性,电磁波都有:反射、折射、聚焦、偏振……
          现在,是公布答案的时候了:实验证明,光就是一种电磁波!
          赫兹的实验公布后,轰动了全球科学界,由伟大的法拉第开创、伟大的麦克斯韦总结发展的电磁理论,至此,取得了决定性的胜利!
          这件事,是近代科技史上的一座里程碑,赫兹的发现,具有划时代的意义,他不仅证实了麦克斯韦的理论,还直接导致了无线电的诞生,开辟了电子技术的新纪元。麦克斯韦完美的创见,经赫兹之手,变成了客观现实。
          赫兹是一位罕见的奇才,他对自然认识独到,很早就主张,用简洁的观念来反映自然现象,甚至说,自然规律,用时间、空间和质量的概念,就完全可以描述清楚。我们以后会知道,他的这个思想有多超前。这股势头保持下去,他还会发现什么,只有天知道。
          令人伤感的是,1894年1月1日,海因里希·鲁道夫·赫兹因病去世,老天只给了这位天才37年的生命。
          我曾写过一幅咏烟花的对联:
          一瞬缤纷成往事,
          满程痛快有余音。
          赫兹一生胸怀坦荡,一心追求真理,他的37年,短暂而辉煌,绽放了生命,挥洒了自我,痛痛快快地走完了人生之路的每一步。短短的37年,铸就了多少人上百年、几辈子也难以企及的两个字:
          不朽。
          为了纪念赫兹,人类用他的名字,命名了频率的单位。
          赫兹还有一个贡献,他和亥维赛(英国自学成才的物理学家)把麦克斯韦的20个方程进行了归纳,简化成由四个方程组成的麦克斯韦方程组。下面,让我们来瞻仰一下神奇、伟大的麦克斯韦方程组的两种表达形式:
          用微分形式表达:
          用积分形式表达:
          咱得结合这组方程神奇而强大的功用,来欣赏它的简洁和工整。
          这其实是一首诗,言简意赅却内涵深厚,韵律和谐兼意境广远。我来翻译一下:
          有电


          IP属地:四川来自Android客户端28楼2014-08-01 17:32
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            有电必生磁,
            此大彼则大。
            反之亦然之,
            相生更相洽。
            电磁场与力,
            无声起广厦。
            问道有神功,
            一式安天下!
            呵呵,你看出来了,其实文盲还是文盲——我根本不懂这方程是怎么回事,这首顺口溜难以述及方程式的万分之一,但这并不妨碍我欣赏它,就像我不懂兰博基尼的内部构造,却并不妨碍我欣赏它的力量感和速度感一样。
            上面两个方程组是等价的,只是表达方式不同。方程组一共四个式子:
            第一式,描述了电场的性质。
            第二式,描述了磁场的性质。
            第三式,描述了变化的磁场激发电场的规律。
            第四式,描述了变化的电场激发磁场的规律。
            看不见摸不着却又无处不在、无形无影却又神通广大的神秘电磁万象,被这一组方程简洁、和谐、优美地表达了出来,它的美丽动人心魄,它的强大令人膜拜!
            人们说,它完美得像出自上帝之手,是历代著名文学青年、流浪诗人上帝他老人家写的一首诗!


            IP属地:四川来自Android客户端29楼2014-08-01 17:34
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              IP属地:四川来自Android客户端30楼2014-08-01 17:37
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                这贴居然沉了,哎


                IP属地:四川来自Android客户端33楼2014-08-03 19:20
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                  这是一个好帖子


                  IP属地:四川来自Android客户端41楼2017-08-27 19:42
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                    IP属地:四川来自Android客户端42楼2017-08-29 19:52
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                      科学和技术都不会随时间而流逝,电工吧不存在挖坟之说


                      IP属地:四川来自Android客户端51楼2020-06-22 11:37
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                        IP属地:四川来自Android客户端64楼2023-06-18 09:15
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