電磁學在生活中的應用概述

衛一航

摘 要：電磁學是物理學的核心分支學科之一，是高中物理學習的重點和難點。本文結合所學的物理知識，通過廣泛地閱讀及觀察，對電磁學的發展歷程進行歸納總結，大致分為5個時期。并詳細列舉了電磁學在生活中的具體應用，不僅鞏固了電磁學中的相關理論知識，而且對電磁學有了更深刻的認識，并對電磁技術所帶來的負面影響進行了分析。

關鍵詞：電磁學 發展 應用 影響

中圖分類號：R31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（b）-0093-03

隨著經濟和科技的發展，電在我們日常生活中也發揮著越來越重要的作用。而與此同時，電磁幾乎遍布于我們生活中的每一個角落。許多隨著電磁學及電磁技術的發展，在不同的領域，電磁學都會發揮著它的作用。電磁學的整個理論體系及發展歷程，對電工和電子技術的發展有著重要的影響。本文首先闡明了電磁學的發展歷程，舉例說明電磁學在生活中應用，剖析其帶來的負面影響。

1 電磁學的發展進程及時期

1.1 古代的電磁觀察與應用

古代的希臘人發現琥珀和毛皮等可以摩擦生電。迄今為止，希臘文的琥珀是英文Electricity的字根。中國人發現磁石吸鐵，帶電的物體能吸小的物體，并且還會利用磁針導航。這些電磁現象的觀察與應用，讓我們現代人感嘆古代人的智惠。因此，電磁學發展的出發點在18世紀的西歐。

1.2 庫倫定律

17世紀末（1684年），著名學者牛頓出版了《自然哲學之數學原理》一書。之后，物理學的中心課題是諸多關于自然界中力的研究。18世紀的歐洲，研究電與磁的人也比較多，尤其是電，更富有挑戰性。

1.3 從伏特電池、安培定律到電報、電話

奧斯特發現把磁針平行放置于通電的直導線附近時，由于磁鐵對通電導線有作用力，磁針將發生偏轉。繼奧斯特發現電流磁效應后， 法國的科學家安培首先對電磁作用力進行了研究，并提出右手定則，解釋了地磁的起因。之后，他通過研究載流導線之間的相互作用， 建立了電流元之間的相互作用規律——安培定律， 提出磁性起源是電流的假說——安培分子電流假說。

1.4 法拉第定律與發電機

法拉第定律也叫做電磁感應定律。法拉第定律可謂電磁學中最重要的發現，原因是因為它揭示了電和磁現象之間的相互聯系。一方面，發電機是人們在電磁感應的基礎上發明的。它的發明，可以實現電能的大規模生產和遠距離輸送成；另一方面，在電工、電子技術等方面電磁感應現象都有廣泛的應用。因此，電磁感應定律的提出，為人類進入電氣化時代奠定了堅實的基礎。

1.5 麥克斯威與無線電

著名的麥克斯威方程式，不僅精確地描述了所有已知電磁場的現象，同時也有新的預言。在這里最重要的是電磁波：（1）由于電磁交感現象，因此電磁場可以在真空中以波的形式傳遞。（2）計算結果表明這種波的速度與光速一致，因此光是一種可見的電磁波。（3）這種波也具有能量、動量等，并且遵從守恒定律。

2 電磁學在生活中的具體應用及實例

2.1 指南針

古代中國，已經開始利用指南針。指南針在現代已眾所周知，它是一種簡單的儀器，可以用來判別方向。它的基本組成是一根安裝在軸上可以自由轉動的磁針。磁針在地磁場作用下能保持在磁子午線的切線方向上。磁針的北極指向地理的北極，可以利用這一性能來辨別方向。在航海、大地測量、旅行及軍事領域都有廣泛的應用。

2.2 電磁爐

電磁爐是近年來一種新興的灶具。它的烹調方式與傳統的明火烹調有大的不同，其基本原理是采用磁場感應的電流加熱的。電磁爐主要通過電子線路板的組成部分，產生交變磁場。當含鐵的鍋具底部放置于爐面上時，鍋具即切割交變的磁力線，鍋具底部金屬部分會產生交變的電流，渦流引起鍋具的鐵原子做高速無規則的運動，原子之間的互相碰撞和摩擦產生熱能，能引起鍋具本身產生熱量，可以加熱及烹飪食物，因此能達到生活烹飪的目的。電磁爐在工作的過程中，熱量是由鍋底直接感應磁場產生渦流而產生的，因此在選擇材料的時候應該選擇對磁敏感的鐵作為炊具。由于鐵對磁場吸收充分并且屏蔽效果好，能夠減少磁輻射，因此鐵鍋比其他任何材質的炊具都安全。同時，鐵元是人體長期需要攝取的必要元素。

2.3 高斯計

高斯計，是測量物體于空間上一個點的靜態或動態（交流）磁感應強度，由霍爾傳感器（精度更高可選擇磁通門傳感器）。經過物體磁力線穿過產生電流電壓，主設備上面顯示磁感應強度。高斯計需要能夠測量恒定磁場，直流磁場與交流磁場和脈沖磁場的功能。同時由于智能制造發展高斯計需要能夠與自動化設備有交互功能，因而485通訊與開關量端口，模擬信號端口成為必須。高斯計隨著設計技術進步，已經由原有的模擬電路轉化成STC單片機設計的方案，近年來隨著高斯計功能增強，內部程序的復雜程度也提高了。開始采用內核是Cortex-M3的32位ARM微控制器的智能高斯計。在采樣速度以及程序穩定性都得以提高（原理圖見圖1）。

2.4 磁懸浮列車

磁懸浮列車是采用的是無接觸的電磁懸浮、導向和驅動系統的磁懸浮高速列車系統，是目前陸地最快的交通工具，同時是21世紀最具有潛力的交通工具。磁懸浮列車的三大組成部分為：懸浮系統、推進系統和導向系統。這種高科技交通工具是利用磁極吸引力和排斥力的原理。換句話說，排斥力使列車懸起來，而吸引力能使列車開動。目前磁懸浮列車可以分為吸力和斥力兩種。電磁懸浮系統（EMS）是一種吸力懸浮系統，并結合在機車上的電磁鐵和導軌上的鐵磁軌道相互排斥產生懸浮。

2.5 電磁起重機

電磁起重機它是一種能夠利用電磁原理搬運鋼鐵物品的機器，主要部分是磁鐵。當電流接通時，電磁鐵會把鋼鐵物品牢牢吸住，吊運至指定地點。當切斷電流時，磁性會消失，鋼鐵物品會被放下。電磁起重機的使用方便，但必須保證有電流的情況下才可以使用，應用領域為廢鋼鐵回收部門和煉鋼車間等。

2.6 電磁繼電器

電磁繼電器的主要組成有：電磁鐵、銜鐵、彈簧片和觸點等。它的工作電路是由低壓控制低壓電路和高壓工作電路兩部分組成的。當線圈兩端加上一定的電壓時，線圈中就會有電流產生，從而引起電磁效應。銜鐵在電磁力的作用，克服彈簧拉力吸向鐵芯，能夠帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電時，電磁吸引力消失，銜鐵在彈簧的反作用力回到原位，引起動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。經過吸合、釋放，可以使電路中的導通、切斷。區分繼電器的“常開、常閉”觸點是根據：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”。

2.7 移動電話和手機

隨著人們生活水平的提高，移動電話的使用率非常的普及。在城市的任何一個角落，手機基本可以進行通話。在我國的部分旅客列車和民航班機上，還有公用的移動電話。公用的移動電話系統是城市電話網的一部分，每一部移動電話實際上就是無線電臺，它可以將用戶的聲音轉變為高頻電信號發射到空中；同時它又是一個收音機，捕捉空中的電磁波，使用戶接收到通話對方傳來的信息。

2.8 電磁屏蔽

電磁屏蔽現象指的是利用導電材料或鐵磁材料制成的部件，對大容量汽輪發電機定子鐵心端部進行屏蔽，目的是為了降低由定子繞組端部漏磁在結構件中引起的附加損耗。對于通信方面的屏蔽，實際上是利用屏蔽體把元部件、電路、組合件、電纜或整個系統的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場的向外擴散。用屏蔽體把接收電路、設備或系統包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。眾所周知，手機通過信號發生器對基站發射請求信號，得到的回應信號有強有弱，這就是我們平時所說的“信號”的強弱。正是這種原因，封閉的導體對電磁波有屏蔽作用，而導體內部能自動形成一個電場，以便阻止電磁波的流通。我們在電梯里，地鐵中，火車隧道里（山、大地也是導體），手機信號會特別差的原因正是基于上述的現象。

2.9 磁與生物

任何物質都或多或少具有磁性，生物體當然也不例外，一般的生物體都具有弱磁性。同時，生物體在進行生理活動時能產生磁場，生物磁場比較微弱。例如，正常人的心臟跳動能夠產生的心磁場約10-10T，大腦的神經活動能夠產生的腦磁場約5×10-13T。從數值上比較，它們遠遠低于地面附近的地磁場（約5×10-5T）。隨著磁測量技術的發展，人們能夠測量這些微弱的生物磁場，在研究生物體生命活動時有重要意義。

3 電磁學在生活中的負面影響

每一種技術的進步，都是一把雙刃劍，電磁學當然也不例外。電磁技術在廣泛應用于國民經濟各個部門，給人類創造了巨大物質財富的同時，也引起比較嚴重的電磁污染，隨著人類環境意識的不斷增強，電磁污染危害的嚴重性越來越受到人們的重視。

電磁污染屬于環境污染，和水、空氣、噪音等環境污染有所不同。它的含義是指超過人體承受或儀器設備容許的電磁輻射。電磁污染特性是以電磁場力為主，與電磁波的性質、功率、密度及頻率等因素有密切的關系。當電磁輻射超過一定的強度時，也就是超過安全衛生標準限值時，會對人體產生負面效應，引起頭痛、失眠等癥狀時為電磁污染。電磁污染是一種“隱形污染”。隨著電磁技術的發展，射頻電磁場功率成倍的增加，地面電磁輻射越來越大，直接威脅到人體健康的程度。

電磁輻射是看不見、摸不著的，能夠產生電磁輻射的設備基本都是日常生活中的常用電器，如手機、電視、電磁爐、醫療器械、汽車、電子儀器等，當它們工作時，能夠產生各種不同波長頻率的電磁波。如果人體在過量的輻射環境中長期暴露，電磁輻射將會大量殺死人體細胞，稱為電磁輻射污染。電磁輻射污染和水質污染、大氣污染、噪聲污染被稱為四大環境污染。

4 結語

電磁技術已廣泛應用于國民經濟的各個部門，給人類創造了巨大的物質財富。我們對電磁學應該有更清晰的認識。它是科學技術發展的結果，證明了社會歷史的進步，如果離開了它，我們或許會失去很多。然而，我們在利用的同時，要明確電磁技術的負面影響，因為它具有電磁污染危害，可能會威脅人體的健康。總的說來，利大于弊，所以我們正確地看待。

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