在電磁學(xué)方面做出巨大貢獻的科學(xué)家
亨利·卡文迪什(Henry Cavendish,又譯亨利·卡文迪許、亨利·卡文狄西、亨利·卡文迪西,1731年10月10日-1810年2月24日),英國物理學(xué)家、化學(xué)家。他首次對氫氣的性質(zhì)進行了細致的研究,證明了水并非單質(zhì),預(yù)言了空氣中稀有氣體的存在。發(fā)現(xiàn)了庫侖定律和歐姆定律,將電勢概念廣泛應(yīng)用于電學(xué),并精確測量了地球的密度,被認為是牛頓之后英國最偉大的科學(xué)家之一。
夏爾·奧古斯丁·德·庫侖(Charles Augustin de Coulomb,1736年-1806年),法國物理學(xué)家、軍事工程師、土力學(xué)奠基人。
庫侖出生于昂古萊姆,畢業(yè)于軍事工程學(xué)校,在軍中服役多年,后因為健康原因被迫退役。有了閑暇的時間,他便開始進行科學(xué)研究,著有Theoriedes Machines Simples,并因此選為法國科學(xué)院院士。于1785年發(fā)現(xiàn),因而以其名命名的一條物理學(xué)定律庫侖定律。
庫侖定律(Coulomb's law),法國物理學(xué)家查爾斯·庫侖于1785年發(fā)現(xiàn),因而命名的一條物理學(xué)定律。庫侖定律是電學(xué)發(fā)展史上的第一個定量規(guī)律。因此,電學(xué)的研究從定性進入定量階段,是電學(xué)史中的一塊重要的里程碑。庫侖定律闡明,在真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力與距離平方成反比,與電量乘積成正比,作用力的方向在它們的連線上,同號電荷相斥,異號電荷相吸。
庫侖(Coulomb)是電量的單位,符號為C。若導(dǎo)線中載有1安培的穩(wěn)定電流,則在1秒內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面積的電量為1庫侖。
庫侖不是國際單位制基本單位,而是國際單位制導(dǎo)出單位。1庫侖=1安培·秒。一個電子所帶負電荷量e=1.6021892×10-19庫侖,也就是說1庫侖相當于6.24146×1018個電子所帶的電荷總量。此單位是為紀念物理學(xué)家查爾斯·奧古斯丁·庫侖而命名的。
亞歷山德羅·朱塞佩·安東尼奧·安納塔西歐·伏特伯爵(Count Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta,1745年2月18日-1827年3月5日),意大利物理學(xué)家,因在1800年發(fā)展電池而著名。后來他受封為伯爵。
他于1776至1777年間投身化學(xué),研究大氣電力(atmospheric electricity)以及執(zhí)行如在封閉的容器中以電力的火花點燃氣體等不同的實驗。1779年,他成為帕維亞大學(xué)的物理學(xué)教授,并在此擔當教授二十五年之久。他在1800年前已成功發(fā)展出以穩(wěn)定電流制造、稱為伏打堆(voltaic pile)的早期電池。 1810年,拿破侖有見他對電力學(xué)的貢獻,冊封他為伯爵??颇?shù)貫樗艘婚g稱作伏打寺的博物館,展示他實驗儀器的原物。
在一根均勻的、溫度和寬度恒定的導(dǎo)線上假如有一安培電流流動,那么導(dǎo)線的電阻在一定的距離內(nèi)可以將1(W)電能轉(zhuǎn)化為熱能(1焦耳(J)/秒(s)),這個距離之間的電壓差就被定義為一伏特:此單位是以發(fā)明電池的意大利物理學(xué)家——亞歷山德羅·伏特的名字命名的。
伏特是國際單位制中電壓的單位,符號V。在國際單位制中安培是基本電學(xué)單位,伏特的定義是以安培和力學(xué)單位瓦特導(dǎo)出的。 依據(jù)國際單位制的基本電學(xué)單位安培,伏特定義為:“在載有1A恒定電流的導(dǎo)線上,當兩點之間導(dǎo)線上的功率耗散為1瓦(W)(1W=1 焦耳(J)/秒(S))時,這兩點之間的電位差”。
安德烈-馬里·安培(André-Marie Ampère,FRS,1775年-1836年),法國化學(xué)家,在電磁作用方面的研究成就卓著,對物理學(xué)及數(shù)學(xué)也有重要貢獻。電流的國際單位安培即以其姓氏命名。
1820年,奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng),安培馬上集中精力研究,幾周內(nèi)就提出了安培定則即右手螺旋定則。隨后很快在幾個月之內(nèi)連續(xù)發(fā)表了3篇論文,并設(shè)計了9個著名的實驗,總結(jié)了載流回路中電流元在電磁場中的運動規(guī)律,即安培定律。1821年安培提出分子電流假設(shè),第一次提出了電動力學(xué)這一說法。經(jīng)典電磁學(xué)或經(jīng)典電動力學(xué)是理論物理學(xué)的一個分支,通常被認為包含在廣義的電磁學(xué)中。它以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎(chǔ),主要研究電荷和電流的電磁場及它們彼此的電磁相互作用。當相關(guān)尺度和場強足夠大以至于量子效應(yīng)可忽略時(參見量子電動力學(xué)),這一套理論能夠?qū)﹄姶努F(xiàn)象提供一個非常漂亮的描述。
安培對電磁作用的研究,結(jié)束了此前電、磁分離的認識,其分子電流假說揭示了磁現(xiàn)象的電本質(zhì),為此后電磁學(xué)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。經(jīng)典電動力學(xué)奠基人麥克斯韋對安培工作的評價很高,稱安培的研究是“科學(xué)史上最輝煌的成就之一”。后人又稱安培是“電學(xué)中的牛頓”。
安培是電流的國際單位,也是國際單位制七個基本單位之一,簡稱為安,符號為A,此單位是以法國物理學(xué)家安德烈-瑪麗·安培的名字命名的。
該單位的定義為:在真空中相距為1米的兩根無限長平行直導(dǎo)線,通以相等的恒定電流,當每米導(dǎo)線上所受作用力為2×10-7N時,各導(dǎo)線上的電流為1安培。
計算公式:1A = 1C/s(在導(dǎo)體截面上每秒通過的電量為一庫侖時則通過了一安培電流)比安培小的電流可以用毫安、微安等單位表示。1安(A) = 1000毫安(mA);1毫安(mA) = 1000微安(μA)。
在電池上常見的單位為 mAH (毫安·小時),例如500mAH 代表這顆電池能夠提供 500mA×1hr = 1800庫侖的電量,亦即提供一耗電量為 500mA 的電器使用一小時的電量。測量電流大小可使用安培計。
格奧爾格·西蒙·歐姆(Georg Simon Ohm,1789年3月16日-1854年7月6日),德國物理學(xué)家。歐姆發(fā)現(xiàn)了電阻中電流與電壓的正比關(guān)系,即著名的歐姆定律;他還證明了導(dǎo)體的電阻與其長度成正比,與其橫截面積和傳導(dǎo)系數(shù)成反比;以及在穩(wěn)定電流的情況下,電荷不僅在導(dǎo)體的表面上,而且在導(dǎo)體的整個截面上運動。電阻的國際單位制“歐姆”以他的名字命名。
歐姆是電阻值的計量單位(簡稱為“歐”);在國際單位制中是由電流所推導(dǎo)出的一種單位,其記號是希臘字母Ω(念作Ohm)。為了紀念德國物理學(xué)家格奧爾格·歐姆而命名;他發(fā)現(xiàn)了電壓和電流之間的關(guān)系,1Ω的電阻通過1A的電流會產(chǎn)生1V的壓降,這個關(guān)系式也稱為歐姆定律。
著名的“歐姆定律”發(fā)表在1827年的《Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet》(直流電路的數(shù)學(xué)研究)中,歐姆在書中完整闡述了他的電學(xué)理論,給出了理解全書所需的數(shù)學(xué)背景知識,提出了電路分析中電流、電壓及電阻之間的基本關(guān)系。雖然歐姆的這本書對電路理論研究和應(yīng)用影響重大,但是在當時卻受到了冷遇,直到1841年最終被皇家學(xué)會頒發(fā)的科普利獎?wù)?/SPAN>(Copley Medal)所承認。歐姆也在1842年成為皇家學(xué)會的一名外國會員,1845年成為巴伐利亞科學(xué)學(xué)會的正式成員。
邁克爾·法拉第(Michael Faraday,1791年9月22日-1867年8月25日),英國物理學(xué)家(當時對“物理”的稱呼為“自然哲學(xué)”),也精于化學(xué),在電磁學(xué)及電化學(xué)領(lǐng)域有重大貢獻。
在1831年,他開始一連串重大的實驗,并發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng),雖然在福朗席斯科·札德啟稍早的工作可能便預(yù)見了此結(jié)果,此發(fā)現(xiàn)仍可稱為法拉第最大的貢獻之一。這個重要的發(fā)現(xiàn)來自于,當他將兩條獨立的電線環(huán)繞在一個大鐵環(huán),固定在椅子上,并在其中一條導(dǎo)線通以電流時,另外一條導(dǎo)線竟也產(chǎn)生電流。他因此進行了另外一項實驗,并發(fā)現(xiàn)若移動一塊磁鐵通過導(dǎo)線線圈,則線圈中將有電流產(chǎn)生。同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在移動線圈通過靜止的磁鐵上方時。
他的展示向世人建立起“磁場的改變產(chǎn)生電場”的觀念。此關(guān)系由法拉第電磁感應(yīng)定律建立起數(shù)學(xué)模型,并成為四條麥克斯韋方程組之一。這個方程組之后則歸納入場論之中。
法拉第并依照此定理,發(fā)明了早期的發(fā)電機,此為現(xiàn)代發(fā)電機的始祖。
1839年他成功了一連串的實驗帶領(lǐng)人類了解電的本質(zhì)。法拉第使用“靜電”、電池以及“生物生電”產(chǎn)生靜電相吸、電解、磁力等現(xiàn)象。他由這些實驗,做出與當時主流想法相悖的結(jié)論,即雖然來源不同,產(chǎn)生出的電都是一樣的,另外若改變大小及密度(電壓及電荷),則可產(chǎn)生不同的現(xiàn)象。
在他生涯的晚年,他提出電磁力不僅存在于導(dǎo)體中,更延伸到導(dǎo)體附近的空間里。這個想法被他的同儕排斥,法拉第也終究沒有活著看到這個想法被世人所接受。法拉第也提出電磁線的概念:這些流線由帶電體或者是磁鐵的其中一極中放射出,射向另一電性的帶電體或是磁性異極的物體。這個概念幫助世人能夠?qū)⒊橄蟮碾姶艌鼍呦蠡瑢τ陔娏C械裝置在十九世紀的發(fā)展有重大的影響。而這些裝置在之后的十九世紀中主宰了整個工程與工業(yè)界。
1845年他發(fā)現(xiàn)了被他命名為抗磁性(diamagnetism),現(xiàn)在則稱為法拉第效應(yīng)的現(xiàn)象:一個線性極化的光線在經(jīng)過一物體介質(zhì)時,外加一磁場并與光線的前進方向?qū)R,則此磁場將使光線在空間中劃出的平面轉(zhuǎn)向。他在筆記本中寫下:‘我終于在“闡釋一條磁力曲線”,或者說“力線”及“磁化光線”中取得成功?!@個實驗證明了光和磁力有所聯(lián)系。
在對于靜電的研究中,法拉第發(fā)現(xiàn)在帶電導(dǎo)體上的電荷僅依附于導(dǎo)體表面,且這些表面上的電荷對于導(dǎo)體內(nèi)部沒有任何影響。造成這樣的原因在于,在導(dǎo)體表面的電荷彼此受到對方的靜電力作用而重新分布至一穩(wěn)定狀態(tài),使得每個電荷對內(nèi)部造成的靜電力互相抵銷。這個效應(yīng)稱為屏蔽效應(yīng),并被應(yīng)用于法拉第籠上。
他的實驗成果后來被詹姆斯·克拉克·麥克斯韋使用,并建立起了現(xiàn)在電磁理論的基礎(chǔ)方程式。
法拉第電解定律是法拉第在19世紀前半期通過大量電解實驗得出的規(guī)律。定律內(nèi)容為:“物質(zhì)在電解過程中參與電極反應(yīng)的質(zhì)量與通過電極的電量成正比。不同物質(zhì)電解的質(zhì)量則正比于該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量?!?法拉第電解定律適用于一切電極反應(yīng)的氧化還原過程,是電化學(xué)反應(yīng)中的基本定量定律。
法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)中的一條基本定律,跟變壓器、電感元件及多種發(fā)電機的運作有密切關(guān)系。定律指出:“任何封閉電路中感應(yīng)電動勢的大小,等于穿過這一電路磁通量的變化率?!贝硕捎?SPAN lang=EN-US>1831年由邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn),約瑟·亨利則是在1830年的獨立研究中比法拉第早發(fā)現(xiàn)這一定律,但其并未發(fā)表此發(fā)現(xiàn)。故這個定律被命名為法拉第定律。
詹姆斯·麥克斯韋(James Clerk Maxwell,1831年6月13日-1879年11月5日),英國理論物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家。經(jīng)典電動力學(xué)的創(chuàng)始人,統(tǒng)計物理學(xué)的奠基人之一。麥克斯韋被普遍認為是對二十世紀最有影響力的十九世紀物理學(xué)家。他對基礎(chǔ)自然科學(xué)的貢獻僅次于艾薩克·牛頓、艾爾伯特·愛因斯坦。
麥克斯韋1831年6月13日生于英國愛丁堡,1847~1850年于愛丁堡大學(xué)學(xué)習。1850~1854年進入劍橋三一學(xué)院攻讀數(shù)學(xué)。1856~1860年擔任阿伯丁郡的馬里查爾學(xué)院教授。1860~1865年在倫敦英皇學(xué)院執(zhí)教,并從事氣體運動理論的研究。1860年成為英國皇家學(xué)會院士。1871年任劍橋大學(xué)教授,創(chuàng)建并領(lǐng)導(dǎo)了英國第一個專門的物理實驗室卡文迪許實驗室。
麥克斯韋的主要貢獻是建立了麥克斯韋方程組,創(chuàng)立了經(jīng)典電動力學(xué),并且預(yù)言了電磁波的存在,提出了光的電磁說。麥克斯韋是電磁學(xué)理論的集大成者。他出生于電磁學(xué)理論奠基人法拉第提出電磁感應(yīng)定理的1831年,后來又與法拉第結(jié)成忘年之交,共同構(gòu)筑了電磁學(xué)理論的科學(xué)體系。物理學(xué)歷史上認為牛頓的經(jīng)典力學(xué)打開了機械時代的大門,而麥克斯韋電磁學(xué)理論則為電氣時代奠定了基石。1931年,愛因斯坦在麥克斯韋百年誕辰的紀念會上,評價其建樹“是牛頓以來,物理學(xué)最深刻和最富有成果的工作。
亨德里克·洛倫茲(Hendrik Antoon Lorentz,1853年7月18日-1928年2月4日),荷蘭物理學(xué)家,他以與彼得·塞曼發(fā)現(xiàn)與解釋的“塞曼效應(yīng)理論”獲得諾貝爾物理獎,他也推知質(zhì)量與速度變換方程,后來被用在愛因斯坦狹義相對論中,來描述空間與時間。
1878年,只有24歲的亨德里克·洛侖茲被任命為新成立的萊頓大學(xué)理論物理學(xué)教授。1878年1月25日,他發(fā)表他的就職演講,題目是有關(guān)于中子理論物理學(xué)。在萊頓最初的20年期間,洛倫茲感興趣的主要是用電磁理論來解釋電、磁、光的關(guān)系。之后,他延伸他的研究領(lǐng)域,同時仍專注于理論物理學(xué)。
從他的著作中看來,洛倫茲似乎對力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、動力學(xué)理論、固體理論、光和傳播有所貢獻。他最重的貢獻是在電磁、電子理論和相對論這個領(lǐng)域。洛倫茲認為原子可能包括帶電粒子,并認為這些帶電粒子的振蕩原因是來自于光。直到洛倫茲、彼特·塞曼的同事和以前的學(xué)生在1896年發(fā)現(xiàn)了塞曼效應(yīng),洛倫茲的理論便提供了解釋。
在1902年,他的實驗和理論榮獲了諾貝爾物理獎。洛倫茲的名字現(xiàn)在應(yīng)用在洛倫茲公式、洛倫茲力、洛倫茲分布、洛倫茲變換等學(xué)術(shù)名詞上。
1904年洛倫茲提出了洛倫茲變換和質(zhì)量與速度關(guān)系式。洛倫茲變換是觀測者在不同慣性參照系之間對物理量進行測量時所進行的轉(zhuǎn)換關(guān)系,在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為一套方程組。洛倫茲變換因其創(chuàng)立者——荷蘭物理學(xué)家亨德里克·洛倫茲而得名。洛倫茲變換最初用來調(diào)和19世紀建立起來的經(jīng)典電動力學(xué)同牛頓力學(xué)之間的矛盾,使麥克斯韋方程組從一個慣性系變換到另一個慣性系時能夠保持不變,后來成為愛因斯坦狹義相對論中的基本方程組。
1928年2月4日,洛倫茲在哈勒姆逝世。在葬禮當天,荷蘭全國電訊、電話中止3分鐘,以哀悼位享有盛譽的科學(xué)家。愛因斯坦在悼詞中稱洛倫茲是“我們時代最偉大、最高尚的人?!睘榧o念洛倫茲的貢獻,荷蘭政府決定從1945年起把每年他的生日那天定為“洛倫茲節(jié)”。
約瑟夫·約翰·湯姆孫爵士,(Sir Joseph John Thomson,1856年12月18日-1940年8月30日),英國物理學(xué)家,電子的發(fā)現(xiàn)者。
湯姆孫1856年出生于英格蘭的曼徹斯特附近,蘇格蘭人家庭。他在曼徹斯特的歐文學(xué)院學(xué)習了工程學(xué),搬到了劍橋大學(xué)三一學(xué)院。1884年他成為卡文迪許物理學(xué)教授,即卡文迪許實驗室主任。1890年他與露絲·佩杰特結(jié)婚,并養(yǎng)育了兩個孩子。他的學(xué)生之一是歐內(nèi)斯特·盧瑟福,盧瑟福于1919年接替湯姆孫就任卡文迪許物理學(xué)教授。
受到詹姆斯·克拉克·麥克斯韋工作的影響和X射線的發(fā)現(xiàn),他推導(dǎo)出陰極射線存在于帶負電的粒子,他稱之為“微粒”,這種微粒現(xiàn)在認識為電子。電子曾經(jīng)被約翰斯東·斯通尼提出過,作為電化學(xué)中電荷的單位,但是湯姆孫認識到電子也是亞原子粒子,這一點是第一次被發(fā)現(xiàn)。1897年他的發(fā)現(xiàn)為人所知,并在科學(xué)圈內(nèi)引起了轟動,并最終于1906年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。 極富戲劇性的是,他的兒子喬治·佩吉特·湯姆孫(G.P.Thomson)后來因證實電子是一種波而被授予諾貝爾物理學(xué)獎。
陰極射線管(Cathode ray tube,CRT),因為最廣為人知的用途是用于構(gòu)造顯示系統(tǒng),所以俗稱 顯像管,又稱布勞恩管,它是利用陰極電子槍發(fā)射電子,在陽極高壓的作用下,射向螢光屏,使螢光粉發(fā)光,同時電子束在偏轉(zhuǎn)磁場的作用下,作上下左右的移動來達到掃描的目的。早期的 CRT 技術(shù)僅能顯示光線的強弱,展現(xiàn)黑白畫面。而彩色 CRT 具有紅、綠色和藍色三支電子槍,三支電子槍同時發(fā)射電子打在屏幕玻璃上磷化物上來顯示顏色。由于它笨重、耗電,所以在部分領(lǐng)域正在被輕巧、省電的液晶顯示器取代。
最早的陰極射線管是由英國人威廉·克魯克斯首創(chuàng),可以發(fā)出射線,這種陰極射線管被稱為克魯克斯管。德國人卡爾·費迪南德·布勞恩在陰極射線管上涂布螢光物質(zhì),此種陰極射線顯像管被稱為布勞恩管。
古列爾莫·馬可尼(Guglielmo Marconi,1874年4月25日-1937年7月20日),意大利工程師,專門從事無線電設(shè)備的研制和改進;1909年諾貝爾物理學(xué)獎得主。
1895年春季利用電磁波作通信的試驗,但是向意大利政府請求資助未果。1896年在英國進行了14.4公里的通訊試驗成功,并取得專利。1897年起又進行了一系列的無線電通信實驗,他在倫敦成立馬可尼無線電報公司。1901年12月12日,馬可尼的研究小組,在紐芬蘭接收到從英國發(fā)送出來的第一個橫跨大西洋的無線電信號。1932年發(fā)現(xiàn)高頻電磁波。
1968年,為紀念馬可尼對廣播事業(yè)的貢獻,并且感謝馬可尼無線電報公司于1962年協(xié)助香港發(fā)展超短波廣播,港英政府把九龍?zhí)?/SPAN>廣播道其中一條支路—高雅道(Clare Road)命名為馬可尼道以作紀念。另外,其家鄉(xiāng)波隆那的國際機場命名為古列爾莫·馬可尼國際機場作為紀念。
1893年,尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)在美國密蘇里州圣路易斯首次公開展示了無線電通信。比馬可尼要早。 以及亞歷山大·波波夫于1895年5月7日在彼得堡物理和化學(xué)協(xié)會物理學(xué)部年會上演示了他制成的一架無線電接收裝置-雷電指示器,這一天后來被俄羅斯定為“無線電日”慶祝。俄羅斯人認為他才是無線電的發(fā)明人。
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