經(jīng)過本學期對《電磁場理論》課程的學習，使我認識到麥克斯韋方程組的重要性，麥克斯韋方程組誕生的關(guān)鍵是“位移電流”的思想實驗，這不是從電磁學經(jīng)驗公式的前提中用數(shù)學方法演繹出來的。麥克斯韋方程組以一種公理關(guān)系的方程組形式表達了電磁場的本質(zhì)，表現(xiàn)了物理學進步的真正特征。麥克斯韋方程組是電磁理論的核心方程組，它是深刻理解好整個電磁理論的基礎。本論文在原有學習的基礎上，通過查閱大量資料，并結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，從麥克斯韋方程組所蘊涵的物理思想、方法原理和應用價值角度重新對其進行審視，最后，再結(jié)合上述分析簡單闡述了自己的一些觀點。

　　麥克斯韋（James Clerk Maxwell 1831 - 1879）是一個集電磁學大成的偉大物理學家，他在庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等人的一系列發(fā)現(xiàn)和實驗成果的基礎上，建立了完整的電磁場理論，麥克斯韋的工作在物理學意義上的關(guān)鍵在于發(fā)現(xiàn)了交變電場可以產(chǎn)生（交變）磁場，在這以前。安培定律己表明，電流可以產(chǎn)生磁場，法拉第定律則表明，變化的磁場可以產(chǎn)生電場，但是當時的實驗物理學家都沒有發(fā)現(xiàn)變化的電場可以產(chǎn)生磁場這樣的事實，因為當時的實驗條件達不到可以觀察這種現(xiàn)象的水平，這樣，雖然庫侖定律、安培定律、法拉第定律已在當時為大家所熟悉并有了應用，但人們并沒有發(fā)現(xiàn)它們之間重要的內(nèi)在關(guān)系，頂多只不過把它們一起歸結(jié)電與磁的共有現(xiàn)象。麥克斯韋不是實驗物理學家，他在理論物理領域內(nèi)工作，他的實驗室是思想，他的工具是數(shù)學，麥克斯韋建立了電與磁的統(tǒng)一的數(shù)學關(guān)系，即麥克斯韋方程組（Maxwell‘s equations），這樣人們都認為麥克斯韋是用數(shù)學演釋方法創(chuàng)建了了電磁理論，實際上這是一個誤解，如果我們追蹤一下他的工作的大概過程，我們完全可以看到他是在思想實驗中而不是在數(shù)學演釋中得到這個關(guān)鍵性的發(fā)現(xiàn)而完成了電與磁的統(tǒng)一，在這個意義上，他是先于愛因斯坦和玻爾等而進行縝密的思想實驗的科學家。電磁學定律是從電學實驗中發(fā)現(xiàn)和總結(jié)出來的，當時發(fā)現(xiàn)（恒定的）電流可以產(chǎn)生（恒定的）磁場，這主要由安培定律表達，但是恒定的磁場卻不會產(chǎn)生電流；另一方面，變化的磁場才可以導致電流的產(chǎn)生，這主要由法拉第定律表達，人們卻沒有與之對應的變化的電場的概念，這種電磁關(guān)系的不對稱并沒有引起當時實驗物理學字的特別關(guān)注，因為在當時的實驗條件下看不到這些現(xiàn)象。但麥克斯韋的工作不同，他完全用數(shù)學語言表達電磁定律，從而使這種不對稱的缺陷充分暴露出來，但是麥克斯韋并不能直接從這種不對稱性中關(guān)系中推演出對稱性來，他仍然只能回到實驗中去，不同的是他不用做實驗室中的實驗，他只須做思想實驗，這種思想實驗不是數(shù)學表達式在思想中的推演，而是在思想中進行的對電和磁的運動形象過程的再創(chuàng)造。他沿用安培定律的實驗，想象電流和磁場的運動過程，當時的情形在現(xiàn)在看來是非常奇特的，物理學家只能沿用經(jīng)典圖像進行思考（甚至今天在大多數(shù)情況中也只能這樣），比如把電和磁想象為以太流體、渦旋、彈性物質(zhì)，甚至齒輪之類，麥克斯韋的思想實驗也是在這樣的圖像中進行的，但是由于麥克斯韋脫離了具體實驗環(huán)境的限制，所以他能在他的思想實驗中“觀察”到新的“現(xiàn)象”。麥克斯韋工作的關(guān)鍵是他的著名的所謂“位移電流（Displacement current）”的思想圖像，即把變化的電場也看成為一種（以太）電流，事實上，電場在物理過程上可以解釋為電介質(zhì)內(nèi)的分子產(chǎn)生極化的狀態(tài)，它是分子中的外層電子的總的位移效應，在當時的實驗室中條件下觀察不到這種效應所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，而位移電流是一個在思想實驗中的能夠被“觀察”到的交變電流過程，你可以想象有一種流態(tài)的電物質(zhì)在物質(zhì)中來回移動（交變電流）而不是通過（穩(wěn)恒電流），這樣它就脫離了實驗室條件下具體的導體或絕緣體的物理限制，使電場能以電流的形象出現(xiàn)，這種交變的位移電流產(chǎn)生交變磁場，這樣交變的電、磁場可以相互產(chǎn)生，電與磁的對稱性成為了在理論上表達完全的一種共同的本質(zhì)關(guān)系，這種在相互轉(zhuǎn)化的對稱性中的電與磁的統(tǒng)一就是電磁場。位移電流的思想實驗，直接導至麥克斯韋在以前的安培公式中添加電場的變化率一項，這就是麥克斯韋方程組物理本質(zhì)化的一個關(guān)鍵，這樣麥克斯韋就成功地的把靜態(tài)意義的安培公式改造成了交變（電磁場）的安培公式，奠定了電磁場數(shù)學表達形式在本質(zhì)上的統(tǒng)一，使以前沒有內(nèi)在共同統(tǒng)一性的靜電學的和靜磁學轉(zhuǎn)變成為了電磁場理論的電動力學。由此我們可以看出，并不是麥克斯韋完全依靠數(shù)學演繹方法直接從庫侖定律、安培定律、法拉第定律等數(shù)學表達式中推導得到了麥克斯韋方程組，麥克斯韋不是由即定的演繹性前提中推導出新的結(jié)果，而是首先是他用思想實驗方法發(fā)現(xiàn)了安培定律的新的意義，補充了安培公式，從而揭示了電與磁的物理現(xiàn)象后面存在的共同的本質(zhì)，這樣才使以前幾個相互沒有內(nèi)在統(tǒng)一性的電磁公式成為了具有本質(zhì)性意義的麥克斯韋方程，成為了可以表達一種全新的物理對象的數(shù)學形式。

　　麥克斯韋方程組的應用

　　磁傳感器廣泛應用于航空航天、自動化測量、磁性存儲、生物醫(yī)學等各行業(yè)中，扮演著重要角色。巨磁阻抗（Giant Magnetoimpedance， GMI）效應作為一種新型磁傳感技術(shù)，它能夠彌補巨磁阻（Giant Magnetoresistance， GMR）傳感器的不足，實現(xiàn)在很寬溫度范圍下對微弱磁場的快速靈敏測試，同時它的制作成本較低，容易實現(xiàn)微型化和集成化，是一種能夠同時滿足靈敏度高、微型尺寸、響應速度快、功耗低和無磁滯等信息技術(shù)要求的傳感器。相對于薄膜和薄帶材料而言，非晶絲材比較容易制備，易于形成理想的磁各向異性，能夠獲得較為理想的敏感性和GMI性能［10］。但是絲材存在著明顯的缺點：大批量生產(chǎn)時難以保證樣品性能的可重復性，與電路的焊接、安裝比較困難等。而通過工藝手段的改進，薄膜和薄帶材料目前在GMI性能和磁場敏感性方面已經(jīng)達到甚至超過非晶絲材，同時二者的制作工藝能夠與大規(guī)模集成電路相兼容，批量生產(chǎn)時能夠保證樣品性能的可重復性，制作成本較低，與電路的焊接和安裝比較方便。對單層和多層結(jié)構(gòu)薄膜與薄帶材料中的GMI效應，人們開展了相關(guān)的理論研究，但是理論研究的過程都進行了簡化，沒有考慮到材料中各向異性場、易軸取向和阻尼系數(shù)對GMI效應的影響，同時對于曲折狀結(jié)構(gòu)的薄膜與薄帶材料，還沒有相應的理論模型對其GMI效應進行描述。對于薄膜和薄帶GMI傳感器的制備，很多研究小組采用手工裁剪或金屬掩膜圖形化的方法進行制備，缺乏對MEMS制備工藝的系統(tǒng)研究，難以保證樣品的性能穩(wěn)定性和批量化生產(chǎn)。在生物檢測方面，科學家已經(jīng)開始了基于GMI傳感技術(shù)的相關(guān)研究，但到目前為止，尚未見到針對某個具體病原體的、基于巨磁阻抗傳感器的應用型檢測體系。同時，目前基于GMI效應的生物檢測尚處于起步階段，涉及到為數(shù)不多的細胞實驗都是利用細胞樣品具有的吞噬作用與磁性粒子進行結(jié)合，未有對某一種細胞樣品進行特異性檢測。 基于以上考慮，本文對基于軟磁薄膜和薄帶材料的微型GMI傳感器開展理論、制備工藝和生物檢測應用方面的研究，將基于MEMS工藝制備的高性能GMI傳感器應用于生物檢測領域，通過實驗工作，為建立一套相對完善的、基于GMI效應的生物檢測系統(tǒng)打下基礎。