淺析電磁學(xué)在日常生活中的應(yīng)用

汪祖蔭

摘 要：日前，擁有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁懸浮列車正式下線使用，載客量與速度進(jìn)一步提升。眾所周知，磁懸浮列車能夠平穩(wěn)運(yùn)行的技術(shù)關(guān)鍵就是電磁學(xué)相關(guān)技術(shù)。從人類歷史的發(fā)展來(lái)看，電磁學(xué)產(chǎn)生和研究極大地推動(dòng)了人類科技的發(fā)展，對(duì)人類具有重要意義。本文從電磁學(xué)的發(fā)展史與基本原理說(shuō)起，對(duì)電磁學(xué)在家電、交通工具、指南針以及手機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并對(duì)電磁學(xué)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了大膽預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：電磁學(xué);電磁感應(yīng)現(xiàn)象;生活;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：R31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(zhǎng)沙磁浮快線安全運(yùn)行兩周年之際，擁有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁懸浮列車2.0版本在中車株洲電力機(jī)車有限公司正式下線，這也是我國(guó)首輛商用2.0版本的磁懸浮列車。據(jù)悉，該版本磁懸浮列車將時(shí)速?gòu)?00公里提升到160公里，最大載客量提升至500人。下線現(xiàn)場(chǎng)，吸引了眾多慕名前來(lái)試乘體驗(yàn)的車迷。2.0版本的磁懸浮列車，從技術(shù)研究到生產(chǎn)制造，從試驗(yàn)驗(yàn)證最后到商業(yè)運(yùn)營(yíng)整個(gè)過(guò)程中，每一步都擁有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，每一步都是“中國(guó)制造”。

我們都知道磁懸浮列車運(yùn)行的主要原理是電磁學(xué)中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。電磁感應(yīng)現(xiàn)象揭示了電與磁的相互作用關(guān)系，從被發(fā)現(xiàn)開(kāi)始就為人類的社會(huì)生活發(fā)展提供了巨大的源動(dòng)力，使今天所見(jiàn)到的、所使用的一切都成為可能。電磁學(xué)帶來(lái)了技術(shù)上的重大變革，未來(lái)也將持續(xù)發(fā)揮重要作用。接下來(lái)我們將共同認(rèn)識(shí)電磁學(xué)，一起回到生活中看一看那些基于電磁學(xué)所產(chǎn)生的應(yīng)用產(chǎn)品。

1 電磁學(xué)簡(jiǎn)介

1.1 電磁學(xué)發(fā)展史

電磁學(xué)的發(fā)展對(duì)人類發(fā)展來(lái)說(shuō)具有不可磨滅的貢獻(xiàn)。這一項(xiàng)偉大的科學(xué)發(fā)展要從1650年說(shuō)起，這一年德國(guó)物理學(xué)家格里凱在研究靜電的過(guò)程中發(fā)明了摩擦起電機(jī)，使得人類獲得了取得靜電的方法。70年后的1720年，英國(guó)牧師格雷發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體和絕緣體之間的差別以及靜電感應(yīng)現(xiàn)象。1933年，正電荷和負(fù)電荷被杜菲發(fā)現(xiàn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)的還有靜電的相互作用特點(diǎn)，即同性相斥，異性相吸。1745年，儲(chǔ)電機(jī)被創(chuàng)造出來(lái)，為人類后續(xù)針對(duì)電的研究提供了一個(gè)非常重要儲(chǔ)存工具。人類歷史的進(jìn)步，是很多前人冒著生命危險(xiǎn)進(jìn)行探索的成果，就像1752年富蘭克林為了研究放電現(xiàn)象進(jìn)行的著名的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)，他冒著生命危險(xiǎn)為人類帶來(lái)了避雷針。接著，1777年，庫(kù)倫通過(guò)對(duì)毛發(fā)和金屬絲扭轉(zhuǎn)彈性的研究發(fā)明了扭秤，隨后的幾年間，就通過(guò)扭秤測(cè)量出了一種微小的作用力——庫(kù)侖力，發(fā)現(xiàn)了庫(kù)倫定律，也即真空中靜止的兩個(gè)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(huì)成為人類歷史發(fā)展的落腳點(diǎn)。1820年，奧斯特在上課做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，偶然發(fā)現(xiàn)當(dāng)導(dǎo)線中通電后，它旁邊的小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，進(jìn)一步研究就發(fā)現(xiàn)了電與磁之間的作用力。這個(gè)發(fā)現(xiàn)傳到巴黎后引發(fā)了物理學(xué)家安培的思考，他想既然電流與磁場(chǎng)之間有作用力，磁場(chǎng)與磁場(chǎng)之間也有作用力，那么電流與電流之間會(huì)是怎樣影響的呢？經(jīng)過(guò)安培實(shí)驗(yàn)論證，他發(fā)現(xiàn)兩個(gè)通電線圈之間也存在相互作用力，并驗(yàn)證了電流方向與磁針轉(zhuǎn)動(dòng)方向之間的關(guān)系，也就是大家都知道的右手定則。同時(shí)，他于1822年用數(shù)學(xué)形式描述了電流產(chǎn)生磁力的現(xiàn)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(shuō)。這之后，電與磁之間的關(guān)系一直在被研究，但直到十多年后才有了重要進(jìn)展，這一年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，提出了著名的法拉第電磁感應(yīng)定律。這一發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)在能夠大規(guī)模用電打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，即使到了現(xiàn)在，依然在使用這種發(fā)電方式進(jìn)行發(fā)電。更重要的是，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了人類社會(huì)從蒸汽機(jī)時(shí)代到電氣時(shí)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(chǎng)，但法拉第的數(shù)學(xué)能力并沒(méi)支撐他用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)將其表示出來(lái)，直到1837年麥克斯韋完成了這項(xiàng)工作，他用數(shù)學(xué)語(yǔ)言簡(jiǎn)潔地概括了所有的電磁現(xiàn)象，那就是著名的麥克斯韋方程組。1883年，一項(xiàng)意義重大的現(xiàn)象被赫茲發(fā)現(xiàn)，那就是電磁波。

1.2 電磁學(xué)基本原理

電磁學(xué)主要研究電磁現(xiàn)象的規(guī)律和應(yīng)用，也可以說(shuō)是電學(xué)與磁學(xué)的交互關(guān)系，電磁學(xué)的研究基于兩個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，那就是變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電流以及電流的磁效應(yīng)。

奧斯特在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，也即通電的導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。再此基礎(chǔ)上，安倍也進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，發(fā)現(xiàn)兩條平行放置的導(dǎo)線，如果電流方向一致，則發(fā)生相互吸引的現(xiàn)象;反過(guò)來(lái)如果電流方向相反，則發(fā)生相互排斥的現(xiàn)象，由此提出了安培定律。法拉第也在奧斯特的研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行研究，結(jié)果通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了磁也能夠產(chǎn)生電，即當(dāng)閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，這就是著名的法拉第電磁感應(yīng)定律。

2 電磁學(xué)在日常生活中的應(yīng)用

變化的磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的電荷也能產(chǎn)生磁場(chǎng)，這一奇妙的現(xiàn)象為我們揭開(kāi)了電與磁之間神秘的面紗。電磁學(xué)的發(fā)展為人類社會(huì)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為我們生活中的衣食住行提供了便利的工具，生產(chǎn)生活中處處都能夠看到基于電磁學(xué)設(shè)計(jì)的用品。

2.1 家電中的應(yīng)用

現(xiàn)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(shí)間內(nèi)完成對(duì)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(shí)間。電磁爐可以說(shuō)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(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流進(jìn)行加熱的。電磁爐內(nèi)部盤著一圈圈的導(dǎo)線，打開(kāi)開(kāi)關(guān)后導(dǎo)線接入交流電，導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)鍋具放置在電磁爐表面后，不斷變換方向的磁場(chǎng)穿過(guò)鍋具產(chǎn)生電流進(jìn)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(xué)相關(guān)原理進(jìn)行工作的。從微波爐的外觀可以看出，微波爐的裝置非常簡(jiǎn)單，能見(jiàn)的主體結(jié)構(gòu)只有一個(gè)烹調(diào)箱，把食物放置在烹調(diào)箱中，打開(kāi)電源后，電源會(huì)向磁控管提供4000伏左右的高壓，磁控管將電壓轉(zhuǎn)換為超短電磁波，并發(fā)射到箱內(nèi)各處，被食物吸收后引起食物內(nèi)分子的高速運(yùn)動(dòng)，大量的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生大量的熱，食物便因此被加熱。

2.2 交通工具中的應(yīng)用

除了廚具以外，人們?nèi)粘３鲂兄械碾姶艑W(xué)應(yīng)用也十分廣泛，如開(kāi)篇曾提到過(guò)的磁懸浮列車就是最典型的應(yīng)用。磁懸浮列車的運(yùn)行原理有兩個(gè)，一種利用的是磁場(chǎng)之間同性相斥的性質(zhì)，另一種是利用了磁場(chǎng)之間的異性相吸原理。利用同性相斥原理運(yùn)行的列車，軌道上的線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與車上超導(dǎo)體磁鐵的磁場(chǎng)為同性磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生排斥現(xiàn)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(yùn)行。利用異性相吸原理運(yùn)行的列車，會(huì)在車底部和兩側(cè)安置磁鐵，并在軌道中設(shè)置能夠控制電流的反作用板和感應(yīng)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(yùn)行。

磁懸浮列車的研究最早始于德國(guó)，隨著技術(shù)的發(fā)展，日本、美國(guó)、中國(guó)、加拿大、法國(guó)等國(guó)家都開(kāi)始了磁懸浮列車相關(guān)技術(shù)的研究，并于2009年6月1日我國(guó)首列自主研發(fā)的磁懸浮列車下線運(yùn)行。如果沒(méi)機(jī)會(huì)試乘磁懸浮列車，那么另一個(gè)常見(jiàn)的電磁學(xué)應(yīng)用你絕對(duì)見(jiàn)過(guò)，即汽車車速表。我們知道，在汽車行駛的過(guò)程中，汽車真實(shí)速度與車速表的指針角度成正比，這里應(yīng)用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。法拉第電磁感應(yīng)定律告訴我們，閉合電路中的導(dǎo)體在做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。車速越快驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速越快，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸內(nèi)置的磁鐵隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。磁鐵的磁力線在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)又與磁鐵的磁場(chǎng)產(chǎn)生相互吸引的力，使得指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，完成指示動(dòng)作。

2.3 指南針中的應(yīng)用

中國(guó)的四大發(fā)明之一——指南針，是較早利用電磁學(xué)相關(guān)原理發(fā)明出來(lái)的工具。早在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期人們就開(kāi)始利用指南之辨別方向。指南針的原理比較簡(jiǎn)單，在地球這個(gè)大磁場(chǎng)中，一個(gè)小磁針會(huì)永遠(yuǎn)指向磁場(chǎng)方向，所以能夠幫助我們指引方向。即使現(xiàn)在科技已經(jīng)十分發(fā)達(dá)，但是依然還有很多領(lǐng)域在依靠指南針指引方向，比如地質(zhì)勘探、野外生存、旅行等。

2.4 手機(jī)中的應(yīng)用

電磁學(xué)除了幫助我們創(chuàng)造了很多的產(chǎn)品之外，還在通訊方式上我們帶來(lái)了巨大的變革。我們經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的書(shū)信溝通時(shí)代，直到電磁波開(kāi)始被應(yīng)用后，人類的通信方式開(kāi)始改變?yōu)榉奖愕氖謾C(jī)通訊。每臺(tái)手機(jī)其實(shí)就是一個(gè)電臺(tái)，通過(guò)接收和發(fā)射電磁波信號(hào)完成信息的發(fā)送和接收。但隨著通訊技術(shù)的逐漸精進(jìn)，電磁屏蔽技術(shù)也開(kāi)始被需要，電磁屏蔽同樣使用的電磁學(xué)技術(shù)。使用一個(gè)能導(dǎo)電、不能夠直接穿透的屏蔽體，對(duì)電磁波進(jìn)行反射、吸收和引導(dǎo)，起到對(duì)電磁波的屏蔽作用。

3 電磁學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)

電磁學(xué)是一門研究電與磁之間關(guān)系的科學(xué)，從產(chǎn)生到發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的歷程。電磁學(xué)的產(chǎn)生對(duì)人類自身發(fā)展具有重要意義，更是為人類帶來(lái)了更多的發(fā)展動(dòng)力，未來(lái)我們將在電磁學(xué)領(lǐng)域繼續(xù)深入研究，以期將電磁學(xué)的作用發(fā)揮至最大。

3.1 與其他學(xué)科的多維融合

通過(guò)前文分析我們不難發(fā)現(xiàn)，電磁學(xué)的應(yīng)用中很多都是基于單一的電磁學(xué)所涉及的原理設(shè)計(jì)制造的，雖然已經(jīng)為我們的生活提供很多的便利，但根據(jù)多年來(lái)研究人員的研究發(fā)現(xiàn)，如果能夠?qū)㈦姶艑W(xué)與其他學(xué)科進(jìn)行多學(xué)科融合，產(chǎn)生的作用將不可小覷，比如自旋電子學(xué)與半導(dǎo)體物理的交叉融合，實(shí)現(xiàn)磁調(diào)控與電調(diào)控的有機(jī)結(jié)合，便于探索自旋運(yùn)動(dòng)規(guī)律。比如與信息物理技術(shù)的交叉，實(shí)現(xiàn)固態(tài)量子計(jì)算和量子通訊，引領(lǐng)新一代信息技術(shù)等。

3.2 新結(jié)構(gòu)、新效應(yīng)的探索

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

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析我們知道，在前人的不懈努力下，電磁學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了很多波折與困難，這一漫長(zhǎng)的過(guò)程中電與磁的關(guān)系由分到合，從無(wú)到有不斷被研究者一點(diǎn)一點(diǎn)補(bǔ)充完整。這個(gè)過(guò)程是科學(xué)發(fā)展的過(guò)程也是每一學(xué)科的必經(jīng)之路，這一過(guò)程中，越來(lái)越多的電磁應(yīng)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(xiàn)。電磁爐、微波爐、磁懸浮列車、汽車車速表、手機(jī)信號(hào)等等各種各樣的應(yīng)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(lái)，一定會(huì)有更多驚人的產(chǎn)品出現(xiàn)，為人類社會(huì)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

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