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论赫兹对麦克斯韦电磁场理论的实验验证

第6卷 第2期太原师范学院学报(自然科学版) 2007年6月 JOURNALOFTAIYUANNORMALUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)  Jun.2007Vol.6No.2

论赫兹对麦克斯韦电磁场理论的实验验证

乔灵爱 魏全香12X

(1.晋中学院物理与电子工程学院,山西晋中030600;2.山西大学物理电子工程学院,山西太原030006)

  〔摘要〕 麦克斯韦虽然在理论上预言了电磁波的存在,但是,他并未提出过产生电磁波的任何方法.历史上,赫兹第一个通过实验发现了电磁波,并用实验证实了电磁波与光波的同一性,从而证实了麦克斯韦的电磁理论.文章论述了赫兹发现了电磁波以及证实电磁波与光波的同一性的全过程,说明赫兹能够证实电磁场理论,主要归因于他精湛的实验技能和敏锐的观察力.

〔关键词〕 赫兹;电磁场理论;实验验证

〔文章编号〕 1672-2027(2007)02-0101-03 〔中图分类号〕 TN912 〔文献标识码〕 A

19世纪中叶,麦克斯韦(J.C.Maxwell)因创立电磁场的数学理论、预言磁波的存在和电磁波与光波的同一性,在电磁学史上树立了丰碑.120年前(1887年~1888年),赫兹第一个通过一系列实验,对麦克斯韦的电磁场理论进行了检验,并发现了电磁波.本文试图对赫兹发现与证实电磁波的实验过程进行阐述,以展示这位伟人精湛的实验技能和敏锐的观察力.

1 历史渊源

赫兹(H.R.Hertz)从事电磁学实验研究,开始于1878年,而直接促使他向这个方向努力的是亥姆霍兹(HermanvonHelmholtz)为柏林大学和普鲁士科学院提供的1879年的悬赏课题,对赫兹的实验研究起了直接的引导作用.赫兹在1892年给亥姆霍兹信中这样说:“……我的工作不仅是来源于对麦克斯韦著作的直接研究,正如我一直所说的,而更为重要的是来源于阁下的著作,并且原始的动力是来源于您个人的提

[2]议.”1886年10月,赫兹在作放电实验时,偶然发现近处一线圈也发出火花.正是从研究放电现象中,他发[1]现了解决悬赏难题时所必需的检测装置.从此,他集中精力对“电火花实验”进行了一系列的研究,并取得了突破,最终完成了他毕生最重要的工作——证实了麦克斯韦的电磁理论.

2 实验设计与验证过程

关于电磁场理论的实验验证过程,历史上赫兹曾分三步进行:首先,证实了麦克斯韦位移电流假设的存在(解决了亥姆霍兹1879年问题中的前两条);其次,通过测量电磁波的波长,测定了电磁波的速度,完成了电磁波的传播速度等于光速的证明;再次,完成了电磁波和光波的同一性的证明.他在德国《物理年报》上,共发表九篇关于电磁波的实验论文,其中包括:《关于非常快速的电振荡》(1887年5月)、《关于电扰动在绝缘体中产生的电磁效应》(1887年10月)、《关于电磁作用传播的有限速度》(1888年2月)、《关于空气中的电磁波及其反射》(1888年5月)和《关于电辐射》(1888年12月)等重要成果.

2.1 证实位移电流的存在

赫兹利用亥姆姆霍兹和亨利所创造的LC振荡电路产生了振荡电流.1886年,他设计了一种直线型开放振荡器[3]:他把一根短而直的导线截为两段构成振子,并在截口处留出缝隙,两端又各焊一个金属球,以增加振子的容量.他用这种振荡器产生了频率极高的电振荡,使附近的绝缘介质极化,并在次级线圈中产生了电火花;1887年,他在开放直线振荡器结构的基础上,设计了一台“感应平衡器”.他所设计的共振器(检波器),其频率与振荡器(发射装置)的相一致,如此,当电磁波到达共振器时,该回路内将产生谐振作用,从而会X23[4]

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