試析電磁學(xué)現(xiàn)象及規(guī)律

田偉

摘 要：本文分析了電磁學(xué)的挖掘歷史和電磁學(xué)現(xiàn)象的基本情況，對(duì)電磁學(xué)的基本規(guī)律進(jìn)行了描述，在此基礎(chǔ)上介紹了電磁學(xué)的應(yīng)用范圍，強(qiáng)調(diào)了電磁學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的重要作用。

關(guān)鍵詞：電磁學(xué)；現(xiàn)象；規(guī)律

一、緒論

研究物理規(guī)律是物理學(xué)研究之中非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，我們?nèi)粘Ｉ钪械拿恳粋€(gè)角落、每一個(gè)方面都滲透著物理學(xué)的知識(shí)。可以說(shuō)，物理伴隨著生活的每一步。物理學(xué)之中每一個(gè)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、每一項(xiàng)理論知識(shí)的應(yīng)用都是輝煌的見(jiàn)證，它引領(lǐng)著我們認(rèn)識(shí)客觀世界的方式，讓我們進(jìn)入到充滿幻想和推理的世界。眾多物理學(xué)規(guī)律之中有一類規(guī)律極大地便捷了我們的日常生活——電磁學(xué)。電磁學(xué)在通訊、交通、科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)研究之中的應(yīng)用，使得現(xiàn)代社會(huì)生活發(fā)生了翻天覆地的變化，研究電磁學(xué)的規(guī)律是我們必須重視的。因此，本文研究的重點(diǎn)放在了電磁學(xué)的現(xiàn)象和規(guī)律研究上，目的是為了讓人讓人們更深刻地意識(shí)到電磁徐的本質(zhì)和作用。

電磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)是物理學(xué)科理論體系的重要組成部分，是在近代科學(xué)發(fā)展中興起的一門(mén)學(xué)科。經(jīng)過(guò)多年的研究和探索，電磁學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到現(xiàn)代科學(xué)的方方面面，在科技發(fā)展和科技應(yīng)用上起到了至關(guān)重要的作用。作為一門(mén)研究電、磁、電磁相互作用的專門(mén)學(xué)科，電磁學(xué)的研究重點(diǎn)一直集中在電磁學(xué)的基本規(guī)律和電磁學(xué)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用上，可以說(shuō)電磁學(xué)是物理學(xué)的一門(mén)重要分支。從廣義上來(lái)看，電磁學(xué)包含了電學(xué)和磁學(xué)；從狹義上來(lái)看，電磁學(xué)則是研究電性和磁性相互關(guān)系的學(xué)科。隨著近現(xiàn)代科學(xué)的產(chǎn)生和飛速發(fā)展，電磁學(xué)逐漸走上歷史的舞臺(tái)并成為了不可或缺的角色，其產(chǎn)生將原本獨(dú)立的電學(xué)和磁學(xué)融合成一個(gè)新的分支學(xué)科，而電磁學(xué)的應(yīng)用在當(dāng)今社會(huì)十分普遍。本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電磁學(xué)基本內(nèi)容的描述，闡述了其基本的概念和規(guī)律。

二、奧斯特實(shí)驗(yàn)和電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

（一）庫(kù)倫定律

庫(kù)侖定律是物理學(xué)之中的一個(gè)重要理論，是揭示兩個(gè)點(diǎn)電荷之間力的關(guān)系的理論，是電磁學(xué)被發(fā)現(xiàn)和探索到的前提和基礎(chǔ)。在研究中，我們往往從電現(xiàn)象著手開(kāi)展，繼而對(duì)電學(xué)中的力學(xué)關(guān)系有所認(rèn)識(shí)，這樣就不難發(fā)現(xiàn)電和磁之間的關(guān)系了。在真空中的兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷，電荷所帶電量的乘積、點(diǎn)電荷之間的距離決定了兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的作用力大小，這就是我們所說(shuō)的庫(kù)侖定律，其用公式可以表述為：F=kq1q2r2，在該公式之中，F(xiàn)被稱為庫(kù)倫力，q1和q2表示兩個(gè)點(diǎn)電荷所帶電量，r表示的則是兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷之間的距離。庫(kù)侖定律還揭示了同名電荷相互排斥，異名電荷相互吸引的現(xiàn)象。

（二）奧斯特實(shí)驗(yàn)

庫(kù)侖定律為我們解釋了兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷之間的力的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，物理學(xué)家經(jīng)過(guò)不斷地探索和研究，逐步發(fā)現(xiàn)了帶電物體在靠近磁場(chǎng)的過(guò)程中產(chǎn)生的力的作用。其中，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特的實(shí)驗(yàn)充分地說(shuō)明了這一點(diǎn)，奧斯特實(shí)驗(yàn)也成功地發(fā)現(xiàn)了電磁，明確了通電導(dǎo)線和和磁性物質(zhì)之間里的作用關(guān)系。奧斯特在1820年的電和磁實(shí)驗(yàn)之中無(wú)意發(fā)現(xiàn)了通電的鉑絲會(huì)影響指南針變動(dòng)的現(xiàn)象，這種影響雖然看上去非常微弱和不規(guī)則，但是奧斯特卻深受啟發(fā)，并在之后通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證了自己的想法。在正常情況下，磁針會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)的作用沿著南北方向靜止，但是當(dāng)有電流的導(dǎo)向通過(guò)的時(shí)候，磁針就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)；在斷開(kāi)電源之后磁針則會(huì)恢復(fù)正常。

三、電磁感應(yīng)現(xiàn)象

奧斯特的實(shí)驗(yàn)為物理學(xué)的研究提供了新的方向和新的思路，物理學(xué)家之后在這一領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究和拓展，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了載流線圈、安培環(huán)路定理、通電螺線管上存在磁場(chǎng)等多種理論和結(jié)果。在上述實(shí)驗(yàn)和理論的完善過(guò)程中加強(qiáng)了對(duì)通電導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)。之后，磁場(chǎng)也可能反過(guò)來(lái)產(chǎn)生電流的理論也被提出，物理學(xué)之中非常重要的電磁感應(yīng)現(xiàn)象應(yīng)運(yùn)而生。

1831年著名物理學(xué)家法拉第首先驗(yàn)證了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，他通過(guò)變化磁通量之中的導(dǎo)體產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，并總結(jié)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是感應(yīng)線圈匝數(shù)和磁通量變化率乘積這樣一個(gè)公式。磁通量的變化會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)這一結(jié)論對(duì)近代科學(xué)發(fā)展、氪金進(jìn)步具有至關(guān)重要的作用。電磁感應(yīng)現(xiàn)象一方面揭示了電、磁之間的內(nèi)在關(guān)系，另一方面則為電和磁之間的相互轉(zhuǎn)化奠定了良好的基礎(chǔ)。電磁感應(yīng)現(xiàn)象極大地降低了電的成本，讓人們有機(jī)會(huì)獲得巨大而又廉價(jià)的電能，為現(xiàn)代科技變革提供了重要的支撐。當(dāng)今，電磁感應(yīng)現(xiàn)象已經(jīng)被普遍地應(yīng)用在了電子技術(shù)、電工、電氣化、自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域，并起到極為廣泛的作用，成為科技進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

四、塞曼效應(yīng)

電子被發(fā)現(xiàn)之后，電磁學(xué)的研究與物質(zhì)結(jié)構(gòu)、原子理論開(kāi)始融合，洛倫茨的電子論使得人們意識(shí)到原子中電子的效應(yīng)是物質(zhì)宏觀電磁屬性的根源，這樣電、磁、光現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。洛倫茨認(rèn)為電本身是微小的實(shí)體來(lái)構(gòu)成的，這些微小的實(shí)體即為電子，電是具有原子性的。借助電子論可以推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中所受到的力的作用，即我們后來(lái)常說(shuō)的洛倫茨力。洛倫茨將物體的發(fā)光解釋為院子內(nèi)部的電子震動(dòng)，這樣一來(lái)當(dāng)光源被置于磁場(chǎng)之中時(shí)，光源內(nèi)原子的電子震動(dòng)頻率將會(huì)受到影響，出現(xiàn)光譜線增寬或者分裂的情況，之后洛倫茨的學(xué)生發(fā)現(xiàn)了塞曼效應(yīng)，這是對(duì)洛倫茨研究的證實(shí)。塞曼效應(yīng)專門(mén)指代在磁場(chǎng)之中的光源所發(fā)出的光譜線會(huì)分裂成幾條線的情況，這種現(xiàn)象的本質(zhì)在于光源之中的電子和磁場(chǎng)發(fā)生了相互作用。

五、電磁波

電磁現(xiàn)象在麥克斯韋的電磁波預(yù)言和赫茲的電磁波實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)展到了極致。麥克斯韋在對(duì)前人的研究成果進(jìn)行總結(jié)和歸納的基礎(chǔ)上梳理了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的基本規(guī)律，對(duì)電磁場(chǎng)理論體系進(jìn)行了深刻的完善，提出了麥克斯韋方程組，該方程組是電磁現(xiàn)象首次在宏觀和微觀上實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，將電磁感應(yīng)、靜電和電磁波理論、光學(xué)現(xiàn)象整合到一個(gè)框架之內(nèi)，極大地轉(zhuǎn)變了人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知情況。麥克斯韋電磁理論具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和理論意義，其地位如同牛頓運(yùn)動(dòng)定理在力學(xué)之中的作用一樣，麥克斯韋電磁理論給物理學(xué)研究帶來(lái)這樣一個(gè)信念：在更高層次之上，物質(zhì)的各種相互作用應(yīng)當(dāng)是統(tǒng)一的，這對(duì)這些理論廣泛地在技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。麥克斯韋方程組將高斯定理和安培定理有效地整合到一起，正是因?yàn)槠涮岢龅姆匠淌酵昝赖亟y(tǒng)一了電磁場(chǎng)，使得愛(ài)因斯坦受到了啟發(fā)，產(chǎn)生了將宏觀和微觀兩種力結(jié)合在一起的想法，最終提出了著名的大統(tǒng)一理論，雖然愛(ài)因斯坦并沒(méi)有完成這個(gè)歷史使命，但是其提出的思想和觀念是具有劃時(shí)代意義的。

通俗地說(shuō)，電場(chǎng)變化產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)變換產(chǎn)生電場(chǎng)，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同變化的時(shí)候?qū)?huì)產(chǎn)生電磁波。電磁波本質(zhì)上就是電磁場(chǎng)傳播的一個(gè)能量形態(tài)，因此從理論上來(lái)講，溫度高于絕對(duì)零度的物質(zhì)都可以向外輻射電磁波。電磁波作為一種重要的能量形式，僅僅用其名稱的三個(gè)字來(lái)概括其實(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)殡姶挪ò凑疹l段可以劃分為無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、倫琴射線和伽馬射線等等。實(shí)踐妙明，我們生活在一個(gè)被電磁波所包圍的世界，電磁波圍繞在我們生活的方方面面。

六、應(yīng)用與總結(jié)

電磁學(xué)在現(xiàn)代生活中的很多方面都得到了應(yīng)用，現(xiàn)代通訊、電磁爐、電磁繼電器、無(wú)線電波傳輸、電磁起重、電磁傳感與驅(qū)動(dòng)、電磁射彈、電磁炮、雷達(dá)等多個(gè)領(lǐng)域都涉及到電磁學(xué)相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用。自從發(fā)現(xiàn)以來(lái)，電磁學(xué)一直在以飛速的速度發(fā)展和拓展，并且在各個(gè)科技領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。我們生活中能夠見(jiàn)到的非常明顯的一個(gè)典范就是磁懸浮列車，在電磁學(xué)之中相互平行的兩個(gè)線圈通上方向嫌煩的電流時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相互排斥的力，磁懸浮列車就是建立在這種簡(jiǎn)單的電磁學(xué)原理的基礎(chǔ)上，借助電磁產(chǎn)生的相互排斥的力量讓列車懸浮起來(lái)，在減少阻力的進(jìn)出上提升速度。過(guò)去我們常常使用的磁盤(pán)也是電磁學(xué)在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用，鐵磁材料的特性和電磁感應(yīng)的規(guī)律是其能夠存儲(chǔ)的前提，在特質(zhì)圓柱和圓盤(pán)上用粘結(jié)劑涂上粉狀的鐵磁材料，能夠產(chǎn)生電磁感應(yīng)，并記錄和保存相關(guān)信息。電腦上的地盤(pán)和曾經(jīng)的磁帶運(yùn)用的都是電磁學(xué)的原理。當(dāng)初移動(dòng)電話的普及被視為是對(duì)固定電話的一次重大跨越，其應(yīng)用的也是電磁學(xué)的基本原理。在固定電話時(shí)期，固定電話可以將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并通過(guò)導(dǎo)線傳輸給對(duì)方，對(duì)方的固定電話再將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)雙方的交流和溝通，電信號(hào)傳遞的質(zhì)量決定了電話的方便性。電磁學(xué)轉(zhuǎn)變了離開(kāi)傳輸線就難以實(shí)現(xiàn)通話的困境，用電磁波來(lái)代替通話過(guò)程中電信號(hào)，這樣就不在需要復(fù)雜的傳輸線，人們可以將電話隨身攜帶，只要電磁波信號(hào)覆蓋得到的地方都可以實(shí)現(xiàn)隨地通話。

此外，電磁學(xué)還在工業(yè)控制、醫(yī)學(xué)探測(cè)、電磁傳感等領(lǐng)域得到了深入的應(yīng)用，很多應(yīng)用模式和形式本文不再一一贅述。電磁學(xué)作為物理學(xué)的一門(mén)重要分支科學(xué)，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中起到的作用是不容忽視的，人們的探究和摸索是電磁學(xué)得以應(yīng)用的前提，后來(lái)者要保持這種學(xué)習(xí)和挖掘的熱情，在更深入的徐誒之中來(lái)推動(dòng)物理學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳秉乾，舒幼生，胡望雨.電磁學(xué)專題研究，高等教育出版社，2012.

[3]電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律.https：//wenku.baidu.com/view/7a08d0f7bd64783e08122b8d.html.

[4]專題：電磁現(xiàn)象與規(guī)律.https：//wenku.baidu.com/view/2cc709eaa45177232e60a26a.html.