开尔文在电磁理论发展中的作用

谈到电磁理论，人们首先想到的是法拉第和麦克斯韦，但他们对开尔文在电磁理论发展中的作用知之甚少。本文将介绍这方面的情况。

开尔文，原名威廉·汤姆森，1824年6月26日出生于爱尔兰贝尔法斯特。

他于1834年进入格拉斯哥大学的预备班。

1841年，他在剑桥大学学习。1846年，他通过考试获得了格拉斯哥大学自然哲学(即物理学)教授的资格。1851年，他被选为英国皇家学会的成员。从1890年到1895年，他是英国皇家学会的主席。1892年，他被授予男爵的头衔。1904年，他成为格拉斯哥大学的校长。1907年12月17日，他在苏格兰的尼日霍尔去世。

开尔文很小的时候。他10岁进入格拉斯哥大学的预科班，对电学实验表现出极大的兴趣。1840年，在导师的推荐下，他学习了法国数学大师弗里德里希·弗里德里希·弗里德里希·弗里德里希·弗里德里希·弗里德里希·弗里德里希·弗里德里希·弗里德里希·弗里德里希·弗里德里希·威廉·弗里德里希·威廉·弗里德里希·威廉·威廉·弗里德里希·威廉·威廉·弗里德里希·威廉·威廉·威廉·弗里德里希·威尔

在研究电磁学的过程中，开尔文认为有必要将法拉第的力线思想转化为数学公式并加以定量表达。因为力线的思想生动地描绘了电磁场的形象。1841年，开尔文试图将电力线和磁力线与热线进行比较。1842年，开尔文写了《论均匀固体中热的均匀运动及其与电学数学理论的关系》。这是一篇关于热和电的数学论文。开尔文指出，电的等电位面相当于热流的等温面，电荷相当于热源。他利用傅立叶的热分析理论，将法拉第的力线思想和拉普拉斯的势函数二阶微分方程应用于热、电、磁的运动，建立了三种相似现象的通用数学模型。

1845年，英国科学协会召开了一次学术会议。

在会上，开尔文提出法拉第的磁力线和电力线可以用数学方程式来表示。法拉第当时也在场，并肯定了这一想法。

受法拉第静电感应理论的启发，开尔文认为带电体中电荷分布和带电体间相互作用力的问题可以在弹性理论中找到。也就是说，电力或磁力的传输模式类似于弹性体中弹性位移变化的传输模式。开尔文在1846年写了一篇关于上述思想的论文。在同年11月28日的日记中，开尔文写道:“如果我能以一种更特殊的方式重新检查一个物体的电磁和电流相关状态，我肯定会超越我现在所知道的，但那肯定是未来的事。”现在看来，开尔文统一电和磁的尝试实际上已经达到了电磁理论的边缘，接近电和磁传播的关键。不幸的是，开尔文没能继续他的工作，因此错过了先发现电磁理论的机会。

1853年，开尔文通过数学论证和实验证明了莱顿罐和其他电容器的放电具有振荡特性，并以论文《莱顿罐的振荡放电》的形式发表了这一实验结果。

同年，开尔文发表了一篇题为《瞬时电流》的文章，指出带电体的放电有两种，一种是连续放电，另一种是振荡放电。在后一种情况下，“主导体首先失去电荷，然后获得比原导体稍小但正负相反的电荷，然后再次放电，获得比原导体更小且相同的电荷。这种循环一直持续到无限期后达到平衡”。开尔文断言，如果放电频率太高，也就是说，当电火花太快，肉眼无法判断时，惠斯通的“旋转镜”法可以用来观察。1857年，费德森用旋转镜实验证实了这个结论。开尔文的工作实际上是电磁波发现的先驱！不幸的是，开尔文没能继续他的研究，也就是说，他没有从理论上弄清楚振荡电流作为振动源是如何传播电磁振荡的。就这样，开尔文错过了再次发现电磁波的机会！

开尔文曾两次走向电磁理论的大门，但由于他年轻时的智慧所带来的弱点，他迷失了方向，错过了发现电磁理论的机会，这使他不是电磁理论的发现者。然而，这并不影响开尔文在电磁理论发展中的作用。这种效应就是开尔文在这一领域做出了开创性的研究，为麦克斯韦和赫兹后来在这一领域的工作奠定了基础。

对麦克斯韦的影响可以从两个方面来看，一是开尔文对麦克斯韦的直接帮助。例如，开尔文在1853年发表了一篇题为“瞬时电流”的文章。麦克斯韦写信给开尔文，“请他告诉我们一些读电的方法。”开尔文毫无保留地告诉了麦克斯韦他对这个领域的了解。作为回应，麦克斯韦很高兴在他给父亲的信中谈到了开尔文愿意教他。第二，开尔文建立的类比方法对麦克斯韦影响很大。开尔文在1842年和1847年发表的两篇论文《论均匀固体中热的均匀运动及其与电的数学理论》和《论电、磁力和加尔瓦尼的力学表示》不仅使麦克斯韦认识到类比方法的重要性，而且体验到法拉第的思想与传统静电理论的和谐。

1856年，麦克斯韦发表了他的文章《论法拉第力线》，其中使用并进一步发展了开尔文的类比方法。不可压缩流体的流线被用来类比法拉第的力线，流线的数学表达式被进一步应用于静电理论，最终创造了电磁理论。

可以看出，开尔文在电磁理论领域的工作是电磁理论发展史上一个非常重要的环节，起着承上启下的作用。