以磁學為前提推導電學會是怎麼樣的？

01-27

無論中學還是大學，學習物理時，都是先講的電學然後過渡到磁學，能反過來流暢過渡嗎？如果可以，是怎麼樣的過程？

怎麼說呢，應該說我們在學習物理學的過程中多是

從簡單到複雜、特殊到普遍的過程

所以會從相對容易的部分開始講授，靜電場與靜磁場相比，無論是在數學還是物理上描述都相對容易一些（電場多為點乘，而磁場多為叉乘）；

為了滿足保證這麼一種學習順序能夠較為系統的學習電磁學，那麼很自然地根據這些關係給出這麼一個學習順序：靜電場之後可以學習穩恆電流，然後便有了磁場，接下來不再靜了：電磁感應交流電電磁波通通出來了；目前多數中學課本以及大學的普通物理電磁學教材基本是這個教學流程。

對於磁場是否可以先學這個問題。現在廣泛接受的觀點是磁場源於電流（以及位移電流）。那學習磁場規律就要建立在學習過電流的基礎上，什麼？你說你知道電流？可以直接學磁場？那給出一下電流的定義啊？沒學電流，不知道了吧！現在我們就要先學電流了，電流又源於電荷的定向運動，單位時間內通過截面的電荷量就是電流。電流又由電場產生，電場？誒，這是個啥？聽都沒聽過，看來要先學電場了。況且剛剛只是考慮了電流，沒有討論位移電流呢！

經典電磁學研究的是宏觀物體電磁普遍規律以及電磁場，直接研究這個問題就會顯得很複雜，所以先從簡單基礎性質好的東西開始研究。

1785 年庫侖（Charles Augustin Coulomb，
1736—1806）公布了用扭秤實驗得到電力的平方反比定律，使電學和磁
學進入了定量研究的階段。

首先是靜電場，庫侖定律、靜電場高斯定理和靜電場環路定理就可以將靜電場描述完全了，配合邊界條件以及介質的電磁性質，以唯一性定理為依據，理論上就可以解決靜電場的所有問題了（基本就是已知電荷分布求電場分布，或者反之）。

1780 年，伽伐尼（Aloisio Galvani ， 1737—1798）發現動物電，
1800 年伏打（Alessandro Volta， 1745—1827）發明電堆，使穩恆電流
的產生有了可能，電學由靜電走向動電。

接下來我們可以讓電荷動起來，所以電流就來了：歐姆定律、基爾霍夫定律就可以將穩恆電流描述清楚了。

1800 年伏打（Alessandro Volta， 1745—1827）發明電堆，使穩恆電流
的產生有了可能，電學由靜電走向動電，導致 1820 年奧斯特（Hans
Christian Oersted， 1777—1851 ）發現電流的磁效應。於是，電學與磁學彼此隔絕的情況有了突破，開始了電磁學的新階段。

好了，奧斯特大大一個不小心，發現了電流可以使磁針偏轉。於是乎人們發現了電流可以產生磁場。

我靠，手！機！沒！有！自！動！保！存！後！面！的！一！半！都！白！打！了！不！開！心！了！

下午還要寫作業，晚上還有考試，深夜再來繼續答吧。。。。。。。。。。別拍我。

我回來了，想著中午用手機打的一大段都沒了就不開心了，前面的編輯了以下格式，繼續寫吧。

靜磁現象和靜電現象很早就受到人類注意。公元前 6、 7 世紀發現了
磁石吸鐵、磁石指南以及摩擦生電等現象。系統地對這些現象進行研究
則始於 16 世紀。 1600 年英國醫生吉爾伯特（WilliamGilbert， 1544—
1603）發表了《論磁、磁體和地球作為一個巨大的磁體》（De magnete，
magneticisque corporibus et de magnomag-nete tellure）。他總結
了前人對磁的研究，周密地討論了地磁的性質，記載了大量實驗，使磁
學從經驗轉變為科學。書中他也記載了電學方面的研究。
靜電現象的研究要困難得多，因為一直沒有找到恰當的方式來產生
穩定的靜電和對靜電進行測量。只有等到發明了摩擦起電機，才有可能
對電現象進行系統的研究，這時人類才開始對電有初步認識。
1750 年米切爾（John Michell ， 1724[？ ] —1793）提出磁極之間的
作用力服從平方反比定律， 1785 年庫侖（Charles Augustin Coulomb，
1736—1806）公布了用扭秤實驗得到電力的平方反比定律，使電學進入了定量研究的階段。

從歷史上說，磁學似乎比電學更早出現，但我們更仔細讀一下上面引用的部分就可以發現：

早期磁學似乎沒有定量的工作！

是的，早期的磁學無法進行過多的定量工作。

1785年，庫倫通過扭秤實驗得出電荷之間的作用力遵循平方反比律

1777年，拉格朗日定義了勢的概念，勢的梯度就是力，後人將其直接引入靜電場

1813年，泊松發現拉普拉斯方程也適用於靜電場，在此之上提出了泊松方程描述靜電場

1828年，格林提出格林定理

1839年，高斯提出高斯定理

······

電和磁有沒有聯繫？這是先人經常思索的問題。「頓牟綴芥，磁石引針」說明電現象和磁現象的相似性。電力和磁力都遵守平方反比定律，說明它們有類似的規律。但是相似性並不等於本質上有聯繫。 17 世紀初，吉爾伯特就斷言，它們之間沒有因果關係，庫侖也持同樣觀點。然而實際事例不斷吸引人們注意。例如： 1731 年有一名英國商人訴述，雷閃過後，他的一箱新刀叉竟帶上了磁性。1751年富蘭克林發現在萊頓瓶放電後，縫紉針磁化了。電真的會產生磁嗎？這個疑問促使 1774 年德國一家
研究機構懸獎征解，題目是：「電力和磁力是否存在實際和物理的相似
性？」許多人紛紛作實驗進行研究，但是，在伏打發明電堆以前，這類實驗很難成功，因為沒有產生穩恆電流的條件。不過，即使有了伏打電堆，也不一定能立即找到電和磁的聯繫。

例如， 1805 年有兩個德國人把伏打電堆懸掛起來，企圖觀察電堆在地磁的作用下是不是跟磁針一樣也會改變方向。這一類的嘗試當然是不成功的。

1820 年，丹麥物理學家奧斯特也做起了這一實驗。他信奉康德的哲學，認為自然界各種基本力是可以相互轉化的。奧斯特在 1812 年就在論
文中寫過：

「我們應該檢驗的是：究竟電是否以其最隱蔽的方式對磁體有類似的作用。」

他深信電和磁有某種聯繫，就像電和發熱發光的現象有聯繫一樣。
他在通電的導線前面放一根磁針，企圖用通電的導線吸引磁針。然而儘管導線灼熱了，甚至燒紅髮光了，磁針也毫無動靜。

1820 年 4 月，奧斯特在作有關電和磁的演講時，嘗試將磁針放在導線的側面，正當他接通電源時，他發現磁針輕微地晃動了一下，他意識到這正是他多年盼望的效應。
經過反覆實驗，奧斯特終於查明電流的磁效應是沿著圍繞導線的螺旋方向。 1820年7月21日，他以拉丁文簡潔地報導了 60 多次實驗的結果。

前面用手機就談到了奧斯特發現了電生磁，打開了電與磁的大門，自此磁場普遍規律的定量研究拉開了序幕。

畢奧和薩伐爾研究了直線載流導線對磁針的作用，確定這個作用力正比於電流強度，反比於電流與磁極的距離，力的方向垂直於這一距離。後來拉普拉斯從數學上推導出電流元的作用，所以在我們的課本上將描述電流元的磁場的公式命名為：畢奧-薩伐爾-拉普拉斯定律。

而安培則研究了電流與電流之間的相互作用，提出了「分子電流假說」，將磁現象全部歸結於電流的之間的作用。通過實驗提出了電流元之間的安培作用力的公式。

而後加入靜磁場的高斯定理以及安培環路定理，結合電磁介質的電磁性質以及邊界條件，就可以解決靜磁場的普遍問題。

在靜磁的基礎上，法拉第讓磁場動了起來，於是乎，電磁感應進入了歷史舞台。

在此之後，法拉第一直堅信自然界的對稱性，堅持尋找「磁生電」，1831年，不負努力，終於在試驗中觀察到了磁生電的現象，並通過一系列實驗提出了電磁感應的規律，但卻只是文字性的定性描述。

1833年，楞次提出了楞次定律，描述了電磁感應中電流的方向。

1845 年，紐曼以定律的形式提出電磁感應的定量規律，並且提出了磁失勢函數。雖然定量定律是紐曼提出的，但後人任然將其稱為法拉第電磁感應定律。

······

最後，壓軸級演員，麥克斯韋登場

麥克斯韋有著極好的數學功底，並且很關注斯托克斯的數學工作。之後，他開始接觸電磁學，在閱讀了法拉第的工作之後，他深受法拉第力線的影響，並想把力線的思想用數學分析的知識進行定量描述。

1856-1865年近10年間，麥克斯韋一頭鑽進電磁場規律的研究工作中，一共發表了三篇論文。在最後一篇論文中全面地闡述了電磁場的普遍動力學理論，提出了大名鼎鼎的麥克斯韋方程組

值得一提的是，今日我們在課本上看到的麥氏方程組並不是麥克斯韋當年提出的形式，1890年赫茲對麥克斯韋的方程組進行了研究並對他的方程組進行了簡化才變成我們現在在課本上能看到的麥克斯韋方程組。

1887年，赫茲在試驗中證實了電磁波的存在。

自此，經典電動力學理論大廈由赫茲蓋上了屋頂。物理學界都為之歡呼，然而量子的幽靈卻隱藏於黑暗之中，冷冷地看著世人歡呼，蠢蠢欲動。13年後的1900年，普朗克親手將他從黑暗中釋放了出來······

好了，經典電磁學的發展歷史就說到這裡了。

從經典電磁學的發展歷史來看，從靜電場到電流再到靜磁場的理論架構是符合物理學發展的規律的。

到此為止我們所說的磁場都是建立在「分子電流假說」的前提下的。事實上，在歷史上，也有人曾提出磁荷的觀點，並以此建立了一套磁場的理論。對此我並不了解多少，但磁荷觀點應該和麥克斯韋的電磁場普遍理論是不相容的，況且磁單極子至今未被發現。

因此：

按現在普遍接受認可的經典電動力學理論，電磁學的學習應該要從靜電場開始再到靜磁場；以磁荷觀點建立的磁場雖然可以建立一套磁場理論，再來推導電學，且不說能不能做到，不僅難以完成，還不被廣泛認可，更沒有實驗依據。

以上引用部分的內容來自書：《物理學史》——郭奕玲、沈慧君

我是這麼理解的：事實上除了電學和磁學這樣的分類方法我傾向於認為我們所學的從易到難的推導更大程度上是從路到場的。通俗地理解就是，從電壓電流這些電路上可測的宏觀量，到微觀上的場分布和邊界條件等等各種看不見摸不著的量，這樣從易到難的順序來的。中學就學過一點電路，到了大學，幾乎是把那些以前學過的東西打散了往深里推，而到了場（比如我大二的電磁場電磁波），則是把宏觀的東西給你用微觀解釋一下為什麼是這樣。舉個栗子我們都學過電容和電感吧？電壓隨電流的變化是跟電容c值有關的。那麼為什麼是這樣呢？場的理論會告訴你，是因為能量，那麼能量分布和轉換的規律是什麼呢，是因為場的分布，那場的分布有什麼規律呢？Maxwell方程組呀少年！而在路和場中，電也都是比磁更先掌握的。雖然磁生電電生磁，但是電畢竟生活中更常見更容易接受理解不是嚒^_^假想一下你初高中老師第一季話就是同學們我們來學習一下磁場這是一種你們看不見也碰不到的東西我猜應該會對物理喪失興趣吧？因為數學也是從1+1=2這樣可以掰手指頭的東西開始的呢

先講磁學怎麼引入電流的概念？倒是可以cong磁荷講起，dan這種非物理的講法肯定有人反對。