物理学史中的电磁学（物理电磁学）

§1.1 电 荷大家知道,用丝绢或毛皮摩擦过的玻璃、塑料、硬橡胶等都能吸引轻小物体这表明它们在摩擦后进入一种特别的状态.我们把处于这种状态的物体叫做带电体，并说它们带有电荷大量实验表明，自然界的电荷只有两种一种与丝绢摩擦过的玻璃棒的电荷相同,叫正电荷;另一种与毛皮摩擦过的橡胶棒的电荷相同,叫负电荷[正负电荷的称谓是由富兰克林(Franklin)提出的].同种电荷间有斥力,异种电荷间有吸力，下面我们就来聊聊关于物理学史中的电磁学?接下来我们就一起去了解一下吧!

物理学史中的电磁学

§1.1 电 荷

大家知道,用丝绢或毛皮摩擦过的玻璃、塑料、硬橡胶等都能吸引轻小物体。这表明它们在摩擦后进入一种特别的状态.我们把处于这种状态的物体叫做带电体，并说它们带有电荷大量实验表明，自然界的电荷只有两种一种与丝绢摩擦过的玻璃棒的电荷相同,叫正电荷;另一种与毛皮摩擦过的橡胶棒的电荷相同,叫负电荷[正负电荷的称谓是由富兰克林(Franklin)提出的].同种电荷间有斥力,异种电荷间有吸力

利用同性相斥的现象可以制成验电器(见图1-1)它是检验物体是否带电的最简单的仪器验电器的主要部分是一根上端带有金属小球的金属棒,棒的下端悬挂着两片金属箔片.当带电体与金属小球接触时，金属箔便得到同种电荷并张开为了避免气流的影响，金属棒和箔片被

封闭在一个玻璃瓶中. 图1-1 验电器

验电器的工作表明电荷可以从金属棒的一端移至另一端但并非所有物体都允许电荷流动.允许电荷流动的物体叫导体,不允许电荷流动的物体叫绝缘体或电介质(绝缘介质)干燥的玻璃、橡胶、塑料、陶瓷等是良好的绝缘体而金属、石墨和酸、碱、盐的水溶液(统称电解液)则是良好的导体人体、墙壁和地球也是导体,但导电性不如金属干燥且未被电离的气体是绝缘体,但被电离的气体却是导体.此外，还有一种导电性介于导体与绝缘体之间而且电性质非常特殊的材料(例如锗和硅),叫做半导体,半导体是近代电子技术中的重要材料。

利用物质的微观结构可对物体的带电以及不同物体具有不同的导电性作出解释.物体由微观粒子(主要是质子、中子和电子)构成电子带负电荷质子带有与电子电荷等值反号的正电荷当物体由于某种原因获得(失去)某些电子时便处于带电状态.金属之所以导电，是因为内部存在许多自由电子,它们可以摆脱原子核的束缚而自由地在金属内部运动.电解液之所以导电，是因为内部存在许多能做宏观运动的正、负离子反之,在绝缘体内部,由于电子受到原子核的束缚,基本上没有自由电子,因此呈绝缘性质.

大量实验证明,在一个与外界没有电荷交换的系统内(最大的系统就是整个宇宙),正负电荷的代数和在任何物理过程中始终保持不变,这叫做电荷守恒定律,它反映电荷的一种重要特性,是物理学的重要规律之一.

电荷的另一重要特性是它的量子化,即任何带电体的电荷都只能是某一基本单位的整数倍.这个基本单位就是质子所带的电荷,叫做元电荷,通常记为e.

用绳子悬挂着的重物虽受重力却没有加速度，是因为绳子对它的张力(拉力)与重力抵消.张力本质上是什么?重物在重力作用下有向下加速的倾向,使绳子被稍微拉长.粗略地说,绳内任意两个上下相邻的原子的距离略有增大,它们的外围电子之间的斥力略有减弱,相

当于出现一种使绳子恢复原长的宏观力,这就是张力可见张力不外是微观电荷之间的电磁

力的某种宏观表现原子与原子之所以可结合为稳定的分子(以及分子与分子可结合为稳定的物体),也是由于原子内部电荷的微观分布状态使原子之间产生电磁吸力

两个静止质子之间既有静电斥力又有万有引力.哪个大?大多少?利用万有引力定律和库仑定律不难求得F/F=10这暗示引力比电磁力通常要弱得多.然而这并不意味着引力与电磁力相比总可被忽略关键在于电荷有正负两种,它们的效应相互抵消,而任何粒子之间的万有引力都是吸力(或说“引力荷”只有一种),因此它们倾向于积聚到一起,效应互相加强“团结就是力量”其结果便是大型物体周围出现强引力场反之，由于同性相斥,同种电荷却难于积聚在一起而产生强电场例如,虽然太阳有大量质子,但也有同样数量的电子于是呈电中性地球亦然假定太阳及地球的电子数比质子数多出仅10-”倍,即假定(ΔN/N):=(N/N)=10”,其中代表电子数N代表电子数减质子数,则日地间的电斥力将等于万有引力,地球绕太阳的公转将不可能!(请读者证明这一结论.提示:从质子间的F/F=10-3出发的证明较简单)可存在一种只有质子和中子而没有(或很少)电子的星体?不可能,因为质子之间同性相斥事实上,在天体物理的许多对象(例如恒星、星系和星系团)中,万有引力起主导作用,而电磁力则“退居二线”。

既然原子核由质子和中子组成,质子之间的静电斥力为什么不使质子四散分飞呢?这是因为你已进入微观领域,在微观领域中除电磁力和引力外还有其他力在原子核内部,核子之间存在一种很强的力,称为核力(又称强力,即强相互作用力),其特点是:(1)力程甚短,约仅为10-15m,超过此范围强力将急剧减小,实际上消失(请注意电磁力和引力的力程都是无限长);(2)非常强,比电磁力还大两个量级[特点(1)和(2)使强力“不鸣则已,一鸣惊人”];(3)与核子是否带电无关(质子与质子之间的强力等于质子与中子或中子与中子之间的强力)因为力程如此之短强力在宏观现象中自然不起作用,但在核内部却可克服质子间的电斥力从而使核得以“团结”为一个稳定的集体但是,如果核子太多(例如铀有92个质子,加上中子共有235个核子)核的尺寸太大,靠强力维系的平衡就比较脆弱,一旦被一个慢中子撞击就要一分为二(裂变),放出“核能”(这正是原子弹释放能量的机制),但其实它不过是电力足以战胜核力而使核子分散开所释放出的电能.除强力外,还有一种微观力,叫弱力,其力程更短(约为10 m),强度大约只有强力的10倍,它弱到无法像强力那样把基本粒子束缚为一个系统，但却很重要,主要表现在支配某些粒子的衰变和俘获现象中(例如中子的β衰变).

总之,目前认为自然界中的基本相互作用只有4种,按强度排队为:强力,电磁力,弱力,引力.引力虽然最弱,但因为强、弱力都无宏观表现,而电力又常因正负相消而不起作用,所以

引力在涉及天体和宇宙的问题中往往会起主导作用反之在微观领域内引力则因为太弱而

总可忽略.电磁力是唯一既有宏观又有微观表现的、“身兼二职”的力.我们的生活起居、工作学习都无不与电磁力存在密不可分的关系.

电磁学的重要性还远不止此.事实上,电磁理论对近代理论物理的发展曾不止一次地起过难以估量的启发和推动作用例如,对几种相互作用的统一起着关键性作用的规范场论就

是杨振宁和米尔斯(Mills)从电磁理论获得启发而创立的,电磁场理论是最简单的规范场论。

认识电荷量子化的最早实验是美国物理学家密立根(Millikan)的著名的油滴实验(1909),他因此(以及对光电效应的实验验证)获得1923年度的诺贝尔物理学奖.电荷量子

化具有深刻的物理内涵,同许多深刻的近代物理问题都有关系人们至今仍不知道如何解释

这一事实.然而,狄拉克(Dirac)于1931年提出并证明如果存在磁单极子,则电荷必然是量

子化的传统的电磁理论认为磁单极不存在(磁铁总有两极，而且摔成两段后每段仍有两

极)狄拉克的诱人设想就像磁石吸铁般地吸引了许多物理学家通过实验探寻磁单极.1982年有人在美国斯坦福(Stanford)大学宣称测到磁单极并一度引起轰动,然而后来未能取得公认应该说磁单极的实验存在性至今仍无定论.与电荷量子化有关的另一问题是盖尔曼(Gell-Mann)在1963年提出的夸克模型这一理论认为质子和中子都有内部结构:它们都由更为基本的粒子--带有分数电荷(±e/3或±2e/3)的夸克组成这一模型已被普遍接受.然而实验至今未能观测到自由夸克,因此人们认为夸克是受到“禁闭”的

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