们比产生或“汇集”力线的“源”更富有研究的价值。法拉第的丰硕的实验研究成 果以及他的新颖的场“的观念，为电磁现象的统一理论准备了条件。 麦克斯韦(J.C.Maxwel.1831-1879)在剑桥读书期问，在读过法拉第的 《电学实验研究之后，立刻被书中的新颖见解所吸引，他敏锐地领会到了法拉 第的“力线”和“场”的概念的重要性。1855年他发表了第一篇论文《论法拉第的 力线，把法拉第的直观力学图像用数学形式表达了出来。1861年，麦克斯韦深 人分析了变化磁场产生感应电动势的现象，独创性地提出了“涡旋电场”和“位 移电流”两个著名假设，这些内容发表在1862年的第二篇论文《论物理力线 中，这两个假设已不仅仅是法拉第成果的数学反映，而是对法拉第电磁学做出 了实质性的补充和发展，1864年麦克斯书发表了第三篇题为《电毯场的动力学 理论的重要论文，在这篇论文里，他导出了电场与磁场的波动方程，电场和酸 场的传橘速度正好等于光速。这启发他提出了光的电磁学说，从而进一步认识 了光的本质。“光是一种电磁波！”这句话在现在是人人皆知的常识，但在当年 却骇人听闻.麦克斯韦只靠数学运算，就做大胆宣言，也难怪当年根本不相信 有电磁波的人居多，但他自己却信心满满，当时有人告诉他有关的实验结果不 完全成功时，他毫不在意，他坚信他的理论一定是对的。 1873年，麦克斯韦出版了他的电磁学专著电德通论)，全面而系统地总结 了电磁学研究的成果，建立了电磁学理论体系，揭示了电荷、电流和电场、磁场 之间的普通联系，《电磁通论这部巨著与牛顿(L.Newton,1643-1727)的《自 然暂学的数学原理》交相辉映，成为了经典物理学的重要支柱之一。麦克斯韦 给出的电磁场的方程组，使人们认识到一种新型的物理实在场，以及它与 以实物为研究对象的牛顿力学的深刻对立，爱因斯坦(A.Einstein.1879- 1955)正是基于他对麦克斯韦电险场理论的协变性的思考提出了相对性原理 195年发表了一篇题为运动物体的电动力学”的论文，宣告相对论的诞生，实 现了经典物理理论的协调统一，使麦克斯韦电磁场理论在新的洛伦兹时空变换 下具有协变性，爱因斯坦从根本上否定了电磁以太（作为电磁波的假想传播媒 质)，同时给出了不同的电磁场量在相对论框架下的变换关系。 场和粒子（实物）这两种物质形态的统一应该是所有物质的共性，波粒二 象性是0世纪发展起来的量子力学理论系统的基础，自然界存在各种各样 的场，有光子场（电磁场），电子场、各种介子场等。各种场处于基态就是真 空，而场的激发态表现为粒子，如电磁场的激发态表现为光子：场的相互作用 可以引起场激发态的变化，表现为粒子的各种反应过程。整个物质世界的基本 结构就是各种物质对应的各种量子场，物质之间的相互作用归结为场之间的相 互作用 光子作为电磁波的载体，到底是粒子还是波？科学家们在300多年来有各 种各样的解释。长久以来，人们都知道光既可以表现出粒子的形式，也可以星 现波动的特征，这取决于实验测定光子的方法，但在此之前，光还从未被发现可
电碳学 DIANCIXUE 以同时表现出这两种状态，2012年中国科学技术大学李传锋，英国布里斯托大 学佩鲁佐(A1 berto Peruz2o).法国尼断大学凯瑟(Florian Kaiser)等小组对“光 子是粒子还是波”进行了细致的实验，证实了实验中光子同时表现得既像波又 像粒子的性质，如图0.1所示 波粒子其存志 图0.1光子既可以 子 考现出粉子态和波 态，也同时表现出两 者的共存态 近代量子物理认为场是一种更基本的物理实在，基于场这一更基木的物理 实在观念发展起来的量子理论，已经成为当今微观物理学发展的基本理论，相 对论，量子论及其结合生的量子场论和统一场论的匠代物理学革命的主要成 果，导致了人类社会对自然界认识的根本改变 0,2电磁科学与电气化 法推第发现电磁感应现象后，英国皇家研究所举办成果展览，英国财政大 臣也未参观，看到助手们表演火花效电以娱伦敦民众，不太高兴，便何法拉第 “你花了班府这么多钱，就为了表演？”法拉第冷冷地回答了四个字：“YO山w axit!(你会有一天抽它的税！)” 18世纪60年代人类开始了第一次工业革命，并创造了巨大的生产力，人类 进人“蒸汽机时代”，100多年后人类社会生产力发展又有一次重大飞跃.人们 把这次变革叫作“第二次工业草命”，而第二次工业革命的科学基础就是电磁科 学技术的发展
1745年，荷兰莱倾大学教授程森布洛克(Petrus van Musschenbrock 1692-1761)发明的储存电能的容器“莱顿瓶”：1780年，意大利波隆大学教授伽 伐尼(Luigi Galvani,1737-1789)在对青蛙的实验中发现了“生物电”，1793年 比萨大学教授伏打(Alexandro G.A.A.Volta,1745-1827)发明了“伏打电池 产生的电”一这就是最早的电池、雷雨时的闪电、莱顺瓶的火花放电，或伏打 电池，电虽然有了，但是消失也太快了，很难获得真正意义上的应用。 1831年，法拉第发现了电磁感应现象，成为发电机的理论基础，使人们可以 制造出真正意义上的现代发电机：法拉第的发现为人类开辟了一条实现新的能 源的途径，电力时代的大门由此开启，电力工业起源于19世纪后期，1875年 巴黎北火车站建成世界上第一座火电厂，为附近照明供电。1879年，美国旧金 山实验电厂开始发电，是世界上最早出售电力的电厂。同年，美国人爱迪生 (Thomas A.Edison,1847-1931)发明了白炽电灯（以碳化纤维为灯丝），1880 年，在英国和美国建成世界上第一批水电站，l882年，西屋(George Westing- house,1846-1914)与特斯拉Nicola Tesla,1856-1943)制成世界第一台交 流发电机。1896年，尼亚加拉瀑布水力发电开始。1913年，全世界的年发电量 达500亿千瓦时，电力工业已作为一个独立的工业部门，进入了人类生产生活 的各种领域， 图0.2纽约夜景图
电磁学 DIANCIXUE D 6 20世纪30、40年代，美国成为电力工业的先进国家，拥有20万千元的机组 31台，容量为30万千瓦的中型火电厂9座，20世纪70年代，电力工业进人以 大机组、大电厂超高压以至特高压俯电为特点的新时期。193年，瑞士BB 公司制造的130万千瓦双轴发电机细在美国肯物兰电厂投人运行，前苏联于 1981年制造并投运世界上容量最大的120万千瓦单轴汽轮发电机组，到19 年，美国已有120座装机容量百万千瓦以上的大型火电厂 中国的电力工业开始于882年，英国商人在上海设立了电光公司，以后外 国资本相继在天津、武汉、广州等地开办了一地电力工业企业。中国资本190 年才开始投资于电力工业，以后虽有一定程度的发展，但增长速度缓慢，到1949 年全国发电设备容量为185万千瓦.而在1949年新中国成立之后的半个世纪 中，中国的电力工业取得了迅速的发展，平均每年以10%以上的速度在增长，到 1998年全国装机容量已达到277GW以上，跃居世界第二位。201】年世界名 种电力设备总发电量2.2×10严KV,中国总发电量为0.47×10KW,占世界 总发电量的21.3%，位居世界第一位 电磁科学的发展，直接导致了电力革命，这是摆工业革命之后的第二次技 术革命，它给人类社会带来了巨大的进步，首先，电力革命再次大大促进了社 会生产力的发展：其次，电力革命深刻改变了人类的生活：再次，电力革命使产 业结构发生了深刻变化。电力、电子、化学、汽车、航定等一大批技术密集型产 业兴起，使生产更加依懒科学技术的进步，技术从机成化时代进入了电气化 时代 0.3电磁科学与通讯 大低10万年以府，当非洲的一群猿人从森林下到广表的大草原，并费力 地试图让对方明白彼此叫的会义时，能人们肯定未曾想到.在100万年后，得 助现代通讯手使，他们后代的一个声音，可以轻易地传通地球的每个角落 大约200年前，我国清朝还使用“锋火”传军情，100年前出现了电报、电话 再到现代的移动电话、移动互联网和全球导航系统，儿百年来人类通讯方式发 生了巨大的演变 电磁学研究的各种阶段一直伴随着各种电磁新技术的不断诞生与发展 1833年高斯(C.F.Gauss,.1777-1855)和韦伯(W.E.Weber,1804-1891)就 制造出了第一台简陋的单线电报；1837年惠斯通(C.Wheatstone,1802-1875 和莫尔斯(S.F.B.Morse,1791-1872)分别独立发明了电报机，莫尔斯还发明
了一套电码，利用他所制造的电报机可通过在移动的纸条上打上点和划来传递 信息。1861年贝尔(A.G、Bl,1847-1922)发明了电话，后来由爱迪生(T A.Edison,1847-1931)等人逐步改进，1855年汤娟避（即开尔文）(L.K©l vin,1824-1907)解决了水下电缆信号输送速度慢的问题，1866年按照汤姆逊 设计的大西洋电缆铺设成功， 图0,319世纪末发明的电话机利 自动电报记录机 德国的赫兹(H.R,Herz,1857-1894)在麦克斯韦的《电磁通论2发表之 时，还只有16岁，在导师赫姆霍茨(H.Helmholtz,1821-1894)的影响下，赫 兹对电磁学进行了深入的研究，在进行了物理事实的比较后，他确认，麦克斯韦 的“场”理论比传统的“超距理论”更令人信服。于是他决定用实验来证实这 点。1886年开始，赫滋利用电容器放电的振荡性质，设计制作了电磁波源和电 磁波检测器，经过反复实验，终于在实验上检测到了电磁波，并于1887年11月 10日向德国科学院提交了报告，证明了电磁波的存在。从1888年开始，赫兹又 做了一系列关于电磁波和光波类比的实验，表明电磁波也具有折射、衍射、干 涉、偏振等一系列物理现象，证明了电磁波具有光波的一切性质。赫兹的实验 公布后，轰动了全世界的科学界，由法拉第开创、麦克斯韦总结的电隧场理论， 至此取得了决定性的胜利， 1895年意大利人马可尼(Guglielmo Marconi1874-1937)和俄国人波波 夫(A1 eksandr Popov1859-1906)分别实现了无线电信号的传送。1896年波 波夫又成功地表演了无线电电报，传播距离250m,传送的第一个电文就是“赫 兹“，1896年，电被已能飞越英吉利海峡(45英里).但是要把无线电信号横跨 大西洋传送则要难得多，因为当时许多人认为无线电波应该和光一样是直线传 播的，而大西洋跨越37O0km,这样弯曲的地球表面无论如何也不可能直接传 速无线电波。但马可尼从远距离无线电波的成功实践和发射台一端接地的事 实出发，坚信有可能使定向电波沿地球表面传插。1900年在英国建立了一座强 大的发射台，成功地接收到了大西洋被岸的无线电报。试验成功的消息轰动全 球，由此诞生了无线电报。从193年开始，从美国向英国《泰晤士报用无线电 传递新闻，当天见报。到了1909年无线电报已经在通讯事业上大显身手，在 这以后许多国家的军事要塞、海港船靓大都装备有无线电设备，无线电报成了