電磁學現(xiàn)象及規(guī)律探究

曹笑歌

摘要：隨著近現(xiàn)代科學的產(chǎn)生和飛速發(fā)展，電磁學逐漸走上歷史的舞臺并成為了不可或缺的角色，其產(chǎn)生將原本獨立的電學和磁學融合成一個新的分支學科，而電磁學的應用在當今社會已經(jīng)十分普遍。本文通過對傳統(tǒng)電磁學基本內(nèi)容的描述，闡述了其基本的概念和規(guī)律。并以中學物理電磁學知識為切入點著重概述了電磁學的基礎現(xiàn)象和規(guī)律，并根據(jù)個人的了解列舉了部分電磁學的應用。

關鍵詞：電磁學；電磁波；磁場；電場

一、引言

電磁學的基礎知識涉及到高中物理的很多知識點，而作為近代科學新興起的一個分支學科，電磁學的應用已經(jīng)深入到現(xiàn)代科學的方方面面，對現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展起到了十分重要的作用。

電磁學是一門研究電、磁和電磁的相互作用的學科，它著重研究了電磁學的規(guī)律和應用，是物理學的分支。它是物理學的一個分支。廣義的電磁學包含電學和磁學，狹義上來說則是一門研究電性和磁性交互關系的學科。

二、奧斯特實驗與電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

1.庫倫定律

庫倫定律是中學物理涉及到的一項重要知識點，它揭示了兩個點電荷之間的力學關系，可以說是電磁學規(guī)律發(fā)現(xiàn)的基礎。首先我們得通過從電現(xiàn)象的討論入手，繼而發(fā)現(xiàn)電學中的力學關系就不難推倒出電與磁之間存在著怎樣的相互關系[1]。

庫侖定律，即真空中兩個靜止的點電荷，它們之間的作用力與其電荷所帶電量的乘積成正比，和它們之間的距離的平方成反比，可表達為F=kq1q2r2 ，其中F為兩點電荷之間作用力，k為一比例常數(shù)，q1、q2為兩點電荷帶電量，r為兩點電荷之間距離。并且有作用力的方向沿著兩個點電荷之間連線，同名電荷相互排斥，異名電荷相互吸引。此時力F又被成為庫侖力[2]。

2. 奧斯特實驗

通過庫倫定律，明確了兩個點電荷之間存在著力的相互作用，在這一基礎上，物理學家們又通過不斷的實驗探索逐步發(fā)現(xiàn)了當帶電物體接觸磁場時也可以產(chǎn)生力的相互作用。其中，作為電磁的發(fā)現(xiàn)者，丹麥的科學家奧斯特的實驗充分的說明了通電導線和磁性物質(zhì)間，確實的存在著力的作用。在1820年，他在一次電和磁的實驗中無意的發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象：通電的鉑絲使玻璃罩內(nèi)的指南針發(fā)生了擾動，雖然其效應看上去很弱，且并不規(guī)則，但卻對奧斯特產(chǎn)生了極大的啟發(fā)，促使他在其后他進行了大量的實驗對自己的想法進行驗證。

如上圖，是奧斯特實驗的簡單示意圖，其中導線中通過的電流大小為I，在導線旁有一個小磁針。在正常情況下，因為地磁場的作用，磁針沿南北方向，但當電流通過導線時，磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時說明導線對小磁針存在著力的作用。斷開電源時，磁針恢復南北指向，通過這一實驗現(xiàn)象我們不難看出：通電導體對磁性的物質(zhì)有力的作用。通過進一步的實驗，可以發(fā)現(xiàn)，這個力的作用是通過場的形式進行傳遞的。

三、電磁感應現(xiàn)象

通過奧斯特實驗的驗證，可以說在物理學科上開辟了一個嶄新的領域，物理學家之后又在這一領域進行了不斷的探索，期間逐步發(fā)現(xiàn)了安培環(huán)路定理、通電螺線管上的磁場和載流線圈的磁場等內(nèi)容。通過上述的實驗逐漸確立并完善了通電導體產(chǎn)生磁場的基本認識，同時磁場也可能反過來產(chǎn)生電流或者電動勢的假設也很快被提出，即之后廣為人知并物理學上起著非常重要作用的電磁感應現(xiàn)象。

1831年著名物理學家法拉第通過實驗率先驗證了電磁感應現(xiàn)象，即變化磁通量中的導體，會產(chǎn)生電動勢，稱為感應電動勢。用公式表達為E=nΔΦ/Δt（其中E為感應電動勢（V），n為感應線圈匝數(shù)，ΔΦ/Δt是磁通量的變化率）。

因為磁通量變化產(chǎn)生感應電動勢現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是近現(xiàn)代科學領域中最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。電磁感應現(xiàn)象不單單揭示了電與磁的內(nèi)在聯(lián)系，而且奠定了電與磁之間的相互轉(zhuǎn)化的理論基礎，使得人們獲取巨大而廉價的電能成為了可能，對現(xiàn)代社會科技的變革產(chǎn)生了重大的意義。當今，電磁感應現(xiàn)象的應用在電工、電子技術、電氣化、自動化等諸多方面有著非常廣泛的應用，極大的推動了社會生產(chǎn)力和科學技術的進步。

四、電磁波

麥克斯韋關于電磁波的預言和赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波可以說把電磁現(xiàn)象推向了極致。麥克斯韋通過總結前人的研究成果，進一步的將電場和磁場的基本規(guī)律進行了歸納與綜合，完善了電磁場的理論體系，即麥克斯韋方程組。通過麥克斯韋方程組，電磁現(xiàn)象完成了圍觀和宏觀的統(tǒng)一，將宏觀的電磁現(xiàn)象（包括靜電、電磁感應等等），而與光學現(xiàn)象、電磁波統(tǒng)一在同一個理論框架之內(nèi)，深刻地影響了人們對物質(zhì)世界的認識。

通俗來說，電場變化產(chǎn)生磁場，磁場變換產(chǎn)生電場，如果電場磁場共同變化，則會產(chǎn)生電磁波，電磁波本身體現(xiàn)的是一種電磁場的傳播。既然是一種能量傳播形態(tài)，那么理論上，只要溫度高于絕對零度的物質(zhì)，都會向外輻射電磁波。作為一種重要的能量形式，僅僅用“電磁波”三個字來籠統(tǒng)的概括是遠遠不夠的，電磁波可以按照頻段分類，從低頻率到高頻率，包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線（倫琴射線）和伽馬射線等等?？梢钥吹剑覀兩钤谝粋€被電磁波包圍的世界，電磁波在我們的生活中發(fā)揮著重要的作用。

五、應用與總結

電磁學的應用深入到了現(xiàn)代生活中的很多方面，現(xiàn)代通信、無線電波的傳輸，民用領域的電磁爐、電磁繼電器，工業(yè)領域的電磁起重、電磁傳感與驅(qū)動，軍事領域的雷達、電磁彈射、電磁炮概念等等，電磁學自發(fā)現(xiàn)以來飛速發(fā)展，在各個現(xiàn)代科技領域都有很廣泛的應用。

磁懸浮列車：在電磁學中，當給兩個相互平行的線圈通給方向相反的電流時，就會互相排斥，磁懸浮列車就是根據(jù)這個簡單的電磁學原理設計的。通過電磁產(chǎn)生的相互排斥的力量，列車就會懸浮起來，達到減小阻力提高速度效果的。

磁記錄：磁盤是使用非常廣泛的一種信息儲存技術。它就是利用鐵磁材料的特性結合電磁感應的規(guī)律。將粉狀的鐵磁材料用粘結劑涂敷在特制圓柱或圓盤的表面，通過電磁感應，將信息轉(zhuǎn)化并記錄下來，電腦上的磁盤以及曾經(jīng)的磁帶都是利用這一原理實現(xiàn)的。

另外，通過電磁感應在工業(yè)控制上的應用、射線在醫(yī)學探測領域的應用、電磁傳感在自動化方面的應用等等，很多本文不能一一列舉?？梢婋姶艑W的作為物理學一門重要的分支學科，在現(xiàn)代科技發(fā)展與進步中起到了非常重要的作用，而這其中離不開一代代人們不懈的探究與付出，這更激勵我們后來者對學習的熱情，通過更深入的學習來掌握和推動物理學的進步。

參考文獻：

[1]賈起民，鄭永令，陳暨耀.電磁學（第二版），2003-4.

[2]陳秉乾，舒幼生，胡望雨.電磁學專題研究，高等教育出版社，2001-12.