淺析電磁學在日常生活中的應用

汪祖蔭

摘 要：日前，擁有中國自主知識產權的磁懸浮列車正式下線使用，載客量與速度進一步提升。眾所周知，磁懸浮列車能夠平穩(wěn)運行的技術關鍵就是電磁學相關技術。從人類歷史的發(fā)展來看，電磁學產生和研究極大地推動了人類科技的發(fā)展，對人類具有重要意義。本文從電磁學的發(fā)展史與基本原理說起，對電磁學在家電、交通工具、指南針以及手機中的應用進行了分析，并對電磁學未來的發(fā)展進行了大膽預測。

關鍵詞：電磁學;電磁感應現象;生活;應用

中圖分類號：R31 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0223-02

0 引言

2018年6月13日上午，恰逢商用磁懸浮列車1.0版本的長沙磁浮快線安全運行兩周年之際，擁有中國自主知識產權的磁懸浮列車2.0版本在中車株洲電力機車有限公司正式下線，這也是我國首輛商用2.0版本的磁懸浮列車。據悉，該版本磁懸浮列車將時速從100公里提升到160公里，最大載客量提升至500人。下線現場，吸引了眾多慕名前來試乘體驗的車迷。2.0版本的磁懸浮列車，從技術研究到生產制造，從試驗驗證最后到商業(yè)運營整個過程中，每一步都擁有中國自主知識產權，每一步都是“中國制造”。

我們都知道磁懸浮列車運行的主要原理是電磁學中的電磁感應現象。電磁感應現象揭示了電與磁的相互作用關系，從被發(fā)現開始就為人類的社會生活發(fā)展提供了巨大的源動力，使今天所見到的、所使用的一切都成為可能。電磁學帶來了技術上的重大變革，未來也將持續(xù)發(fā)揮重要作用。接下來我們將共同認識電磁學，一起回到生活中看一看那些基于電磁學所產生的應用產品。

1 電磁學簡介

1.1 電磁學發(fā)展史

電磁學的發(fā)展對人類發(fā)展來說具有不可磨滅的貢獻。這一項偉大的科學發(fā)展要從1650年說起，這一年德國物理學家格里凱在研究靜電的過程中發(fā)明了摩擦起電機，使得人類獲得了取得靜電的方法。70年后的1720年，英國牧師格雷發(fā)現了導體和絕緣體之間的差別以及靜電感應現象。1933年，正電荷和負電荷被杜菲發(fā)現，同時發(fā)現的還有靜電的相互作用特點，即同性相斥，異性相吸。1745年，儲電機被創(chuàng)造出來，為人類后續(xù)針對電的研究提供了一個非常重要儲存工具。人類歷史的進步，是很多前人冒著生命危險進行探索的成果，就像1752年富蘭克林為了研究放電現象進行的著名的風箏實驗，他冒著生命危險為人類帶來了避雷針。接著，1777年，庫倫通過對毛發(fā)和金屬絲扭轉彈性的研究發(fā)明了扭秤，隨后的幾年間，就通過扭秤測量出了一種微小的作用力——庫侖力，發(fā)現了庫倫定律，也即真空中靜止的兩個電荷之間的相互作用力與距離的平方成反比，與電荷量的乘積成正比。

歷史繼續(xù)發(fā)展，每一次偶然都可能會成為人類歷史發(fā)展的落腳點。1820年，奧斯特在上課做實驗的時候，偶然發(fā)現當導線中通電后，它旁邊的小磁針發(fā)生了偏轉，進一步研究就發(fā)現了電與磁之間的作用力。這個發(fā)現傳到巴黎后引發(fā)了物理學家安培的思考，他想既然電流與磁場之間有作用力，磁場與磁場之間也有作用力，那么電流與電流之間會是怎樣影響的呢？經過安培實驗論證，他發(fā)現兩個通電線圈之間也存在相互作用力，并驗證了電流方向與磁針轉動方向之間的關系，也就是大家都知道的右手定則。同時，他于1822年用數學形式描述了電流產生磁力的現象，也就是安培定律，一并提出的還有著名的安培分子電流假說。這之后，電與磁之間的關系一直在被研究，但直到十多年后才有了重要進展，這一年法拉第發(fā)現了電磁感應現象，提出了著名的法拉第電磁感應定律。這一發(fā)現為現在能夠大規(guī)模用電打下了堅實的基礎，即使到了現在，依然在使用這種發(fā)電方式進行發(fā)電。更重要的是，這一現象的發(fā)現促進了人類社會從蒸汽機時代到電氣時代躍遷。1831年，法拉第又利用鐵粉證明了磁力線的存在，并把充滿磁力線的空間叫作場，但法拉第的數學能力并沒支撐他用嚴密的數學將其表示出來，直到1837年麥克斯韋完成了這項工作，他用數學語言簡潔地概括了所有的電磁現象，那就是著名的麥克斯韋方程組。1883年，一項意義重大的現象被赫茲發(fā)現，那就是電磁波。

1.2 電磁學基本原理

電磁學主要研究電磁現象的規(guī)律和應用，也可以說是電學與磁學的交互關系，電磁學的研究基于兩個重要的實驗現象，那就是變化的磁場產生電流以及電流的磁效應。

奧斯特在實驗中發(fā)現了電流的磁效應，也即通電的導線周圍會產生磁場。再此基礎上，安倍也進行了進一步的研究，發(fā)現兩條平行放置的導線，如果電流方向一致，則發(fā)生相互吸引的現象;反過來如果電流方向相反，則發(fā)生相互排斥的現象，由此提出了安培定律。法拉第也在奧斯特的研究基礎上進一步進行研究，結果通過實驗證明了磁也能夠產生電，即當閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時回路中就會產生電流，這就是著名的法拉第電磁感應定律。

2 電磁學在日常生活中的應用

變化的磁場能夠產生電場，運動的電荷也能產生磁場，這一奇妙的現象為我們揭開了電與磁之間神秘的面紗。電磁學的發(fā)展為人類社會發(fā)展奠定了堅實的基礎，也為我們生活中的衣食住行提供了便利的工具，生產生活中處處都能夠看到基于電磁學設計的用品。

2.1 家電中的應用

現在的家庭生活中，廚房里電磁爐和微波爐幾乎是必不可少的，它能夠在短時間內完成對食物的烹飪或者加熱，極大地便捷了我們的生活，節(jié)省了時間。電磁爐可以說是這幾年新興的廚具，與傳統(tǒng)使用明火加熱的的方式不同的是，它是利用磁場產生的感應電流進行加熱的。電磁爐內部盤著一圈圈的導線，打開開關后導線接入交流電，導線周圍會產生磁場。當鍋具放置在電磁爐表面后，不斷變換方向的磁場穿過鍋具產生電流進而使得鍋具發(fā)熱，完成烹飪食物的效果。微波爐也是利用電磁學相關原理進行工作的。從微波爐的外觀可以看出，微波爐的裝置非常簡單，能見的主體結構只有一個烹調箱，把食物放置在烹調箱中，打開電源后，電源會向磁控管提供4000伏左右的高壓，磁控管將電壓轉換為超短電磁波，并發(fā)射到箱內各處，被食物吸收后引起食物內分子的高速運動，大量的運動產生大量的熱，食物便因此被加熱。

2.2 交通工具中的應用

除了廚具以外，人們日常出行中的電磁學應用也十分廣泛，如開篇曾提到過的磁懸浮列車就是最典型的應用。磁懸浮列車的運行原理有兩個，一種利用的是磁場之間同性相斥的性質，另一種是利用了磁場之間的異性相吸原理。利用同性相斥原理運行的列車，軌道上的線圈產生的磁場與車上超導體磁鐵的磁場為同性磁場，兩個磁場產生排斥現象，幫助列車抵抗地心引力懸浮在空中，使列車能夠平穩(wěn)運行。利用異性相吸原理運行的列車，會在車底部和兩側安置磁鐵，并在軌道中設置能夠控制電流的反作用板和感應鋼板，使得電磁鐵與軌道間保持10～15毫米的間隙，在牽引力的作用下使得列車能夠通暢運行。

磁懸浮列車的研究最早始于德國，隨著技術的發(fā)展，日本、美國、中國、加拿大、法國等國家都開始了磁懸浮列車相關技術的研究，并于2009年6月1日我國首列自主研發(fā)的磁懸浮列車下線運行。如果沒機會試乘磁懸浮列車，那么另一個常見的電磁學應用你絕對見過，即汽車車速表。我們知道，在汽車行駛的過程中，汽車真實速度與車速表的指針角度成正比，這里應用了電磁感應現象。法拉第電磁感應定律告訴我們，閉合電路中的導體在做切割磁感線運動時，導體中會產生感應電流。車速越快驅動軸轉速越快，驅動轉軸內置的磁鐵隨之轉動。磁鐵的磁力線在導體中產生電流，電流產生的磁場又與磁鐵的磁場產生相互吸引的力，使得指針發(fā)生偏轉，完成指示動作。

2.3 指南針中的應用

中國的四大發(fā)明之一——指南針，是較早利用電磁學相關原理發(fā)明出來的工具。早在戰(zhàn)國時期人們就開始利用指南之辨別方向。指南針的原理比較簡單，在地球這個大磁場中，一個小磁針會永遠指向磁場方向，所以能夠幫助我們指引方向。即使現在科技已經十分發(fā)達，但是依然還有很多領域在依靠指南針指引方向，比如地質勘探、野外生存、旅行等。

2.4 手機中的應用

電磁學除了幫助我們創(chuàng)造了很多的產品之外，還在通訊方式上我們帶來了巨大的變革。我們經歷了漫長的書信溝通時代，直到電磁波開始被應用后，人類的通信方式開始改變?yōu)榉奖愕氖謾C通訊。每臺手機其實就是一個電臺，通過接收和發(fā)射電磁波信號完成信息的發(fā)送和接收。但隨著通訊技術的逐漸精進，電磁屏蔽技術也開始被需要，電磁屏蔽同樣使用的電磁學技術。使用一個能導電、不能夠直接穿透的屏蔽體，對電磁波進行反射、吸收和引導，起到對電磁波的屏蔽作用。

3 電磁學的發(fā)展趨勢

電磁學是一門研究電與磁之間關系的科學，從產生到發(fā)展經歷了一個漫長的歷程。電磁學的產生對人類自身發(fā)展具有重要意義，更是為人類帶來了更多的發(fā)展動力，未來我們將在電磁學領域繼續(xù)深入研究，以期將電磁學的作用發(fā)揮至最大。

3.1 與其他學科的多維融合

通過前文分析我們不難發(fā)現，電磁學的應用中很多都是基于單一的電磁學所涉及的原理設計制造的，雖然已經為我們的生活提供很多的便利，但根據多年來研究人員的研究發(fā)現，如果能夠將電磁學與其他學科進行多學科融合，產生的作用將不可小覷，比如自旋電子學與半導體物理的交叉融合，實現磁調控與電調控的有機結合，便于探索自旋運動規(guī)律。比如與信息物理技術的交叉，實現固態(tài)量子計算和量子通訊，引領新一代信息技術等。

3.2 新結構、新效應的探索

法拉第電磁感應定律是電磁學的基本理論，一直以來都是圍繞著這一理論進行研究。傳統(tǒng)磁學與磁矩之間的相互作用都是基于集體的行為產生的，而這種形式在研究中往往容易忽略了個體的特性。未來，電磁學將更加注重自旋個體的研究，以發(fā)揮自旋個體的量子特性。同時，更加注重對自旋自由度的有效操控，通過更多新的思路實現自旋態(tài)的控制。

4 結語

經過分析我們知道，在前人的不懈努力下，電磁學的發(fā)展經歷了很多波折與困難，這一漫長的過程中電與磁的關系由分到合，從無到有不斷被研究者一點一點補充完整。這個過程是科學發(fā)展的過程也是每一學科的必經之路，這一過程中，越來越多的電磁應用滲透至我們的生活中，為我們的便捷生活做出了很大的貢獻。電磁爐、微波爐、磁懸浮列車、汽車車速表、手機信號等等各種各樣的應用在生活中扮演著自己的角色，發(fā)揮著自己的作用。相信在未來，一定會有更多驚人的產品出現，為人類社會發(fā)展做出更大貢獻。

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