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科技发展史结课论文麦克斯韦
科技发展史结课论文
论文题目:
破解电磁场奥秘的天才——麦克斯韦
学院：
水资源与环境工程学院
专业:
环境工程
姓名：
吴鹏
班级:
10203202
学号：
1020320221
论文摘要：
在科学技术发展的长河中，出现了一代又一代的伟大天才,他们的智慧，高远的见解，长远的目光成就了我们今天科学之卓越。
麦克斯韦就是其中的一位，这位被称为“破解电磁场奥秘的天才”，对电磁的科技发展做出的伟大的贡献！
关键词：
科技发展麦克斯韦电磁场贡献认识评价
正文
科学上重大理论的创立,往往是一场接力赛跑。
它要靠许许多多的科学工作者前赴后继不辞劳苦的努力,才能达到成熟的境界.19世纪致使物理学爆发了一场革命的电磁理论,也是如此.从库仑、欧姆、奥斯特、安培到法拉第等人所做的奠基工作,直至最后理论的完成,前后经历了半个多世纪。
这一理论的集大成者英国伟大的科学家麦克斯韦.
法拉第的力线和场的概念为建立电磁理论提供了物理模型，但描绘场的力线、力管完全是一种定性的理论。
德国物理学家诺依曼,于1845年根据安培理论，从矢势的角度推出电磁感应定律的数学形式。
英国物理学家汤姆逊在1847年-1853年间，提出了铁磁质内磁场强度H、磁感应强度B的定义，认为H是沿磁化方向的长空洞中单位磁极所受的力；B是垂直于磁化方向割出的长狭缝内的磁场强度。
此外，汤姆逊还推出了磁场的能量密度；裁流导线的磁能。
由此看出，19世纪50年代到60年代,无论是在实验上,还是在理论上,都为麦克斯韦建立统一的电磁场理论作好了相当充分的准备.
麦克斯韦的父亲是一位不随流俗的机械设计师，对麦克斯韦的一生影响很大。
他思想开朗,讲求实际，非常能于。
家里的大小事情，从修缮房屋、制作工具，直到剪裁衣服，样样都能自己胜任。
麦克斯韦从小勤思好问，很受父母宠爱.麦克斯韦的童年欢乐是短暂的。
母亲去世，麦克斯韦的父亲担起了抚养教育他的全部担子,家计相当艰窘。
失去了母爱,麦克斯韦性情渐渐变得孤僻、内向。
他最大的快乐，是形影不离作父亲的小帮手。
父子相依为命，关系极为亲近.
麦克斯韦上中学，他穿着父亲亲手缝制的衣、鞋，不讲式样,为了缝制方便,皮鞋头呈方形。
这一身打扮,再加上讲话带很重的乡土音,立即引起同学们的嘲笑，麦克斯韦在冷眼中度过了中学的第一阶段。
到了中年级，奇迹出现了，有一次学校举行数学和诗歌比赛，麦克斯韦得了两个科目的最高奖。
这使全班同学和任课老师大为惊讶.从此，麦克斯韦受到同学们的崇拜,再也没有人取笑他的服装和话音了，麦克斯成了全校拔尖的学生，获得了许多奖励。
他末满15岁时，即写了一篇数学论文，发表在《爱丁堡皇家学会学报》上，内容是讨论二次曲线的几何作图.学术刊物登载孩子的论文，这是罕见的，他父亲为此颇感自豪，同时也大大增强了麦克斯韦在学业上的进取心。
他不仅是少年数学家，还是一位小诗人。
麦克斯韦后来一生都没有放弃过写诗的爱好。
麦克斯韦的诗多是即兴之作,取悦亲友，内容常与科学有关。
1847年秋天,16岁的麦克斯韦从中学毕业，考进了苏格兰最高学府爱丁堡大学，专攻数学物理。
三年后，为了进一步深造，他转入英才萃集的剑桥大学。
在剑桥的第二年,麦克所韦就以优异的成绩考取了奖学金资格。
按校方规定，得奖学金者在同一桌吃饭,麦克斯韦因此结识了一群有志有为的年轻人，并参加了他们的科学团体—-“使徒社”。
麦克斯韦的内向性格发生了很大的变化，成为“使徒社”里的活跃分子。
这一时期，麦克斯韦专攻数学，读了大量的专著。
他的学习方法，不象法拉第那样一切都循序渐进，井井有条.他读书不讲系统性,俨如一个性急的猎手，漫无边际。
“使徒社"里的朋友要和他讨论问题,是件困难的事情，和读书一样，麦克斯韦说起话来，常常是天马行空，前言不搭后语。
他的思路过于敏捷，让人难以捕捉。
一次偶然的机会,著名的数学家、剑桥大学的教授霍普金期对麦克斯韦发生了兴趣，诙谐地对他说：
“小伙子，如果没有秩序，你永远成不了优秀的数学物理学家！
”这以后，麦克斯韦成了霍普金斯的研究生。
在导师的指导下，麦克斯韦首先克服了杂乱无章的学习方法.导师对他的每一个选题,推导中的每一步运算都要求很严。
与此同时，麦克斯韦还参加了剑桥大学的斯托克斯讲座。
斯托克斯在数学和流体力学上都有建树。
经这两位数学大师的指教，麦克斯韦进步很快，不出三年就掌握了当时所有先进的数学方法,成了一名年轻有为的数学家。
和法国的拉普拉斯一样,霍普金斯在英国也是主张数学和物理要结合，这对麦克斯韦产生了重要的影响.
麦克斯韦毕业后留校工作。
起初，他研究的课题为光学里的色彩论.不久他读了法拉第的《电学实验研究》,立即被书中新颖的实验和见解所吸引。
当时学术界对法拉第的学说看法不一，有不少非议.其原因是“超距作用"的传统观念影响还很深，普遍对“场”概念没有认识加上法拉第的学说缺乏理论的严谨性，他的创见都是用直现形式表达比很难为一般理论物理学家所接受,有的学者还颇有瞧不起之意。
有位天文学家就公开宣称：
“谁要是在精确的超距作用和模糊不堪的力线观念间有所迟疑，那简直是对牛顿的亵渎！
"然而,具有远见卓识的汤姆生对法拉第很钦佩，他在自己的卓有成绩的电学研究中，多次向法拉第求教，同时汤姆生（当时是教授）对麦克斯韦以不少帮助，在汤姆生的影响下，麦克斯韦相信法拉第新说中一定包含有真理，他认真研究了法拉第的著作后.终于领悟了力线思想的宝贵价值,同时也看到了法拉第定性表述方面的弱点。
这位初出茅庐的青年科学家决心用数学来弥补这一弱点.
一年后,24岁的麦克斯韦发表了《论法拉第力线》，这是他的第一篇关于电磁学的论文。
在此文中,麦克斯韦用数学方法，把电流周围存在力线这一特征，概括为一个矢量微分方程。
由此方程，每一电流都产生一条磁的涡线.这一年（1855年），恰好法拉第结束了长达30多年的电学研究。
麦克斯韦接过这位伟大先驱手中的火炬，开始向电磁领域的纵深地段挺进。
《论法拉第力线》一文中，麦克斯韦认为电荷间以及磁极间的力是靠场来传递的，他主攻方向是“场”.麦克斯韦把力线比作不可压缩的流体的流线，电场强度比作流速,并引入一种新的矢量函数来描述电磁场。
可以说，他把法拉第的物理观念翻译成数学形式。
麦克斯韦抓住了真理，就锲而不舍,而汤姆生起步早，也定到真理的边缘，却又迟疑而去.
快要取得研究上的突破时，他父亲病重，为了照料亲人。
麦克斯韦到离家很近的一所学院任教,他父亲去世后学院继续挽留他，以致麦克斯韦的电磁研究推迟了四年。
在这所学院任教期间，一项有学术奖的天文学课题花去了麦克斯韦整整两年的时间,这项成果以题为《土星光环》的论文发表于1858年。
在《土星光环》这篇论文里,麦克斯韦成功地用数学物理方法，论述了土星光环由一群离散质点构成.这项成果获得了亚当斯奖.关于土星光环的这一结论在38年后为一位美国天文学家所证实。
在土星光环的研究中，麦克斯韦遇到有关气体力学中的一些难题，于是他的研究内容又涉及到气体力学方面.著名的气体速度分布率，即麦克斯韦速度分布率，就是这时完成的。
这两项非电磁领域里的重大成果，充分证明了麦克斯韦已具备了一个卓越数学物理学家的造诣。
对他来说，物理学是探讨的课题，数学则是得心应手的工具.
1860年，麦克斯韦偕妻调到伦敦皇家学院任教,又开始继续他的电磁学研究了。
到伦敦后的一个晴朗的秋日，麦克斯韦特意去拜访了法拉第。
这位实验大师年近七旬，两鬃斑白，比麦克所韦年长40岁.但他们一见如故，亲切地交谈起来。
两人的科学方法很不相同,法拉第专于实验探索,麦克斯韦擅长理论概括，但两位科学巨匠对物质世界的看法却产生了共鸣。
在对电磁现象本质规律的探索中,两人在许多方面是互相补充的.
法拉第在四年前曾注意到《论法拉第力线》一文,一见面他没料到论文的作者如此年轻。
当麦克历韦征求他对论文的看法时，法拉第说：
“我不认为自己的学说一定是真理，但你是真正理解它的人。
”
“先生能给我指出论文的缺点吗?
"麦克斯韦谦虚地问道.
“这是一篇出色的文章，”法拉第沉吟道，“但你不应停留于用数学来解释我的观点，而应该突破它!
"
法拉第的话，象一盏明灯，照亮了麦克斯韦前进的道路.后来爱因斯坦曾把法拉第和麦克斯韦称作一对，就象伽利略和牛顿一样。
麦克斯韦自己也曾谈到：
“因为人的心灵各有其不同的典型,科学真理也就应该以种种不同的形式表现，不管他以具有生动的物理色彩的粗豪形式出现,还是朴素无华的一种符号表示出现，它都应当被当作是同样科学的.”字里行间流露出麦克斯韦对法拉第的尊敬。
麦克斯韦设计了一个理论模型，试图对法拉第的力线观念作进一步探讨.这个模型完全建立在机械结构的类比上,有人称为是“以太模型。
”现在看来，这个模型是很成问题的，事实上麦克斯韦在晚期著作中,也舍弃了这一模型。
使人惊异的是，麦克斯韦把这个模型作为跳板，成功地登上了真理的彼岸。
在讨论该模型时，麦克历韦发现了一个重要事实，引起他极大的注意。
为了分析介质的性质，他将电的静电单位和电磁单位相除，比值为一常数，具有速度量纲，恰好等于光速。
这实际上意味首他已经得出了电磁波传播速度与光速是一样的结论。
尽管当时他尚未完全意识到这一点，只是感到事情报重要,于1861年10月19日写信给法拉第，报告了这一重要的结果.
1862年，麦克斯韦在英国《哲学杂志》上发表了第二篇电磁论文《论物理的力线》。
文章一刊登，立即引起了广泛的注意。
这是一篇划时代的论文，它与1855年的《论法拉第力线》相比,有了质的飞跃.论文不再是法拉第观点单纯的数学翻译,而是有了重大的引伸和发展。
其中最重要的是引进了“位移电流”的概念。
在这以前，包括法拉第在内,人们讨论电流产生磁场时，指的总是传导电流，即导体中自由电子运动所形成的电流。
麦克斯韦在研究中发现：
在连接交变电源的电容器中,电介质内并不存在自由电荷，也就是没有传导电流,但磁场却同样存在。
经过反复思考和分析，麦克斯韦毅然指出，这里的磁场是由另一种类型的电流形成的。
这种电流存在于任何电场变化的电介质中，并和传导电流一起,形成闭合的总电流。
麦克斯韦通过严密的数学推导,求出了这种电流的面密度的数学表达式,麦克斯韦把这种电流称之为“位移电流”。
从理论上引出位移电流的概念,是麦克斯韦对电磁学的伟大创见，是继法拉第电磁感应之后在电磁学上的一项重大突破。
根据这一科学假设，麦克所韦导出了两个高度抽象的微分方程式.
1864年，麦克斯韦向英国皇家学会宣读了关于电磁学的第三篇论文：
《电磁场的动力理论》。
第二年,这篇论文在《哲学杂志》上发表，在这篇论文中，麦克期韦总结了前人的和他自己的对电磁理论的研究成果，提出了“电磁场理论。
”他指出：
“我之所以把我提出的这个学说称为电磁场理论，是因为这关系到带电体和磁体周围的空间。
另外，这个学说也可以称为电磁的动力理论，因为它假定在此空间中有物质在运动，由此会产生可观察到的电磁现象。
"麦克斯韦在文章中提出了一套完整的方程组,他写出的是分量形式，而且物理量的名称相符号都和现代形式不一样。
经后人的整理,麦克斯韦方程组的现代形式是：
《电磁学通论》虽然一抢而空，但真正读懂它的人却寥寥无几。
不久，开始有人批评它了，说此书太艰深、太难懂。
高度抽象的麦克斯韦微分方程，仅仅几个公式，几个数学符号，就包罗了电荷、电流、电磁、光等变化万千的一切电磁现象的规律,这在一般人看来，确是不可思议的事情。
另外,自麦克斯韦宣布他的理论后，一直没有人发现电磁波。
而能否证明电磁波存在，又是检验麦克斯韦理论的关键。
在当时,许多物理学家对电磁波的存在是持怀疑态度的，连当年曾给麦克斯韦热情鼓励的汤姆生，也不敢肯定麦克斯韦的预言是否可靠。
麦克斯韦未能亲自从实验去证实电磁波的存在。
正如他的一位学生后来所说的：
“他从理论上预言了电磁波存在,但似乎从未想到用任何实验去证明它.”由于环境和工作条件的限制，麦克斯韦一直没有更多机会从事电磁实验，他主要是一位理论物理学家，电磁学上的理论工作，以及热力学和分子物理学的理论研究,耗去了他大部分时间和精力。
和没有实验就没有法拉第的情形相反，对麦克斯韦来说，实验只能排在很次要的地位。
他在伦敦寓所屋顶有一间狭长的阁楼，麦克所韦把它作实验室用.他妻子常帮忙生火炉,调节室温，当他的助手，条件相当简陋,只能做些简单的热力学实验。
在皇家学院的实验室里，他所做过的电学实验，也限于测定电阻之类的简单操作。
《电磁学通论》完成后，麦克斯韦忙于筹建卡文迪许实验室，整理卡文迪许的遗著,这一繁重的工作，几乎完全占去了他一生最后几年的时间.
卡文迪许实验室是卡文迪许家族里的一位公爵捐赠修建的.为了增添仪器，麦克斯韦也拿出了自己不多的积蓄。
在整个筹建过程中，从建筑设计、工程施工、仪器购置，直到大门上的题词,麦克斯韦都亲自过问。
这座实验室在1872年动土，于1874年竣工。
麦克斯韦是创建人，也是实验室主任,继任的主任也都是世界第一流的物理学家。
卡文迪许实验室开花结果是在二十世纪.大批优秀的科学人才从这里培养出来,尤其是在原子物理学方面。
麦克斯韦在生命的最后几年的主要工作，是整理十八世纪科学家卡支迪许留下的大量资料。
卡文迪许是位喜欢离群索居、终身未娶、一心搞科学研究而又不去发表研究成果的“怪人”.整理他留下的二十多捆科学手稿，是一种非常细微而又困难的工作,麦克斯韦为此作出了很大的牺牲，他放弃了自己的研究工作，耗尽精力,才完成了任务。
除了卡文迪许实验室的日常事务,麦克斯韦每一学期还主讲一门课程，内容为电磁学或热力学。
他在讲台上热心宣传电磁理论;推广新学说，但听众却不多。
他本来就不太擅长讲演,何况电磁理论又如此高深，不为一班人所理解，加上他妻子久病不愈，工作又十分繁重。
过分的劳累和焦虑终于影响了他的健康.1879年，麦克斯韦的健康状况明显恶化,患的和40年前他母亲一样的肺结核病。
但他仍然坚持工作，不懈地宣传电磁理论。
他的讲座这时仅有两名听众，其中一位就是后来发明了电子管的弗莱明。
这真是一幕:
令人感叹的情景！
空旷的阶梯教室里，只在头排坐首两个学生,麦克斯韦夹着讲义，照样步履坚定地走上讲台。
他面庞消瘦，目光闪烁，表情严肃而庄重。
仿佛他不是在向两名学生，而是向全世界继续解释自己的理论.
1879年11月5日，麦克斯韦病重去世，终年仅48岁。
他的功绩，生前未得到重视,他在英国的荣誉，远不及法拉第.他的思想太不平常了，那时第一流的物理学家要理解它，也要花上好几年的气力。
只是在他死后许多年，当赫兹证明了电磁波存在后,人们才适渐意识到，并公认他是“自牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家。
"
现代若名的美国物理学家费曼，经说过这样一段活：
“从人类历史的漫长远景来看—即使过一万年后回头来看—毫无疑问，在19世纪中发生的最有意义、事件，将判定是麦克斯韦对电磁定律的发现。
与这一重大科学事件相比，同一个十年发生的美国内战，将会降低为一个地区性琐事而黯然失色。
”
这位科学巨匠生前的荣誉远远不及法拉第，直到他死后许多年，在赫兹证明了电磁波存在以后人们才意识到，并且公认他是“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”.
参考文献：
《麦克斯韦与电磁场理论》
《物理学教程》
《电磁理论发展史》
《XX百科-—麦克斯韦的一生》
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