電磁學現象及規律探究

曹笑歌

摘要：隨著近現代科學的產生和飛速發展，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十分普遍。本文通過對傳統電磁學基本內容的描述，闡述了其基本的概念和規律。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象和規律，并根據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，電磁學的應用已經深入到現代科學的方方面面，對現代科技的飛速發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象的發現

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，可以說是電磁學規律發現的基礎。首先我們得通過從電現象的討論入手，繼而發現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，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現了當帶電物體接觸磁場時也可以產生力的相互作用。其中，作為電磁的發現者，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現了這一現象：通電的鉑絲使玻璃罩內的指南針發生了擾動，雖然其效應看上去很弱，且并不規則，但卻對奧斯特產生了極大的啟發，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，磁針會發生偏轉，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，通過這一實驗現象我們不難看出：通電導體對磁性的物質有力的作用。通過進一步的實驗，可以發現，這個力的作用是通過場的形式進行傳遞的。

三、電磁感應現象

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，期間逐步發現了安培環路定理、通電螺線管上的磁場和載流線圈的磁場等內容。通過上述的實驗逐漸確立并完善了通電導體產生磁場的基本認識，同時磁場也可能反過來產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象，即變化磁通量中的導體，會產生電動勢，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，ΔΦ/Δt是磁通量的變化率）。

因為磁通量變化產生感應電動勢現象的發現，是近現代科學領域中最偉大的發現之一。電磁感應現象不單單揭示了電與磁的內在聯系，而且奠定了電與磁之間的相互轉化的理論基礎，使得人們獲取巨大而廉價的電能成為了可能，對現代社會科技的變革產生了重大的意義。當今，電磁感應現象的應用在電工、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現電磁波可以說把電磁現象推向了極致。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，電磁現象完成了圍觀和宏觀的統一，將宏觀的電磁現象（包括靜電、電磁感應等等），而與光學現象、電磁波統一在同一個理論框架之內，深刻地影響了人們對物質世界的認識。

通俗來說，電場變化產生磁場，磁場變換產生電場，如果電場磁場共同變化，則會產生電磁波，電磁波本身體現的是一種電磁場的傳播。既然是一種能量傳播形態，那么理論上，只要溫度高于絕對零度的物質，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。可以看到，我們生活在一個被電磁波包圍的世界，電磁波在我們的生活中發揮著重要的作用。

五、應用與總結

電磁學的應用深入到了現代生活中的很多方面，現代通信、無線電波的傳輸，民用領域的電磁爐、電磁繼電器，工業領域的電磁起重、電磁傳感與驅動，軍事領域的雷達、電磁彈射、電磁炮概念等等，電磁學自發現以來飛速發展，在各個現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這個簡單的電磁學原理設計的。通過電磁產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，將信息轉化并記錄下來，電腦上的磁盤以及曾經的磁帶都是利用這一原理實現的。

另外，通過電磁感應在工業控制上的應用、射線在醫學探測領域的應用、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。可見電磁學的作為物理學一門重要的分支學科，在現代科技發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.