电磁学现象及规律探究

曹笑歌

摘要：随着近现代科学的产生和飞速发展，电磁学逐渐走上历史的舞台并成为了不可或缺的角色，其产生将原本独立的电学和磁学融合成一个新的分支学科，而电磁学的应用在当今社会已经十分普遍。本文通过对传统电磁学基本内容的描述，阐述了其基本的概念和规律。并以中学物理电磁学知识为切入点着重概述了电磁学的基础现象和规律，并根据个人的了解列举了部分电磁学的应用。

关键词：电磁学；电磁波；磁场；电场

一、引言

电磁学的基础知识涉及到高中物理的很多知识点，而作为近代科学新兴起的一个分支学科，电磁学的应用已经深入到现代科学的方方面面，对现代科技的飞速发展起到了十分重要的作用。

电磁学是一门研究电、磁和电磁的相互作用的学科，它着重研究了电磁学的规律和应用，是物理学的分支。它是物理学的一个分支。广义的电磁学包含电学和磁学，狭义上来说则是一门研究电性和磁性交互关系的学科。

二、奥斯特实验与电磁现象的发现

1.库伦定律

库伦定律是中学物理涉及到的一项重要知识点，它揭示了两个点电荷之间的力学关系，可以说是电磁学规律发现的基础。首先我们得通过从电现象的讨论入手，继而发现电学中的力学关系就不难推倒出电与磁之间存在着怎样的相互关系[1]。

库仑定律，即真空中两个静止的点电荷，它们之间的作用力与其电荷所带电量的乘积成正比，和它们之间的距离的平方成反比，可表达为F=kq1q2r2 ，其中F为两点电荷之间作用力，k为一比例常数，q1、q2为两点电荷带电量，r为两点电荷之间距离。并且有作用力的方向沿着两个点电荷之间连线，同名电荷相互排斥，异名电荷相互吸引。此时力F又被成为库仑力[2]。

2. 奥斯特实验

通过库伦定律，明确了两个点电荷之间存在着力的相互作用，在这一基础上，物理学家们又通过不断的实验探索逐步发现了当带电物体接触磁场时也可以产生力的相互作用。其中，作为电磁的发现者，丹麦的科学家奥斯特的实验充分的说明了通电导线和磁性物质间，确实的存在着力的作用。在1820年，他在一次电和磁的实验中无意的发现了这一现象：通电的铂丝使玻璃罩内的指南针发生了扰动，虽然其效应看上去很弱，且并不规则，但却对奥斯特产生了极大的启发，促使他在其后他进行了大量的实验对自己的想法进行验证。

如上图，是奥斯特实验的简单示意图，其中导线中通过的电流大小为I，在导线旁有一个小磁针。在正常情况下，因为地磁场的作用，磁针沿南北方向，但当电流通过导线时，磁针会发生偏转，此时说明导线对小磁针存在着力的作用。断开电源时，磁针恢复南北指向，通过这一实验现象我们不难看出：通电导体对磁性的物质有力的作用。通过进一步的实验，可以发现，这个力的作用是通过场的形式进行传递的。

三、电磁感应现象

通过奥斯特实验的验证，可以说在物理学科上开辟了一个崭新的领域，物理学家之后又在这一领域进行了不断的探索，期间逐步发现了安培环路定理、通电螺线管上的磁场和载流线圈的磁场等内容。通过上述的实验逐渐确立并完善了通电导体产生磁场的基本认识，同时磁场也可能反过来产生电流或者电动势的假设也很快被提出，即之后广为人知并物理学上起着非常重要作用的电磁感应现象。

1831年著名物理学家法拉第通过实验率先验证了电磁感应现象，即变化磁通量中的导体，会产生电动势，称为感应电动势。用公式表达为E=nΔΦ/Δt（其中E为感应电动势（V），n为感应线圈匝数，ΔΦ/Δt是磁通量的变化率）。

因为磁通量变化产生感应电动势现象的发现，是近现代科学领域中最伟大的发现之一。电磁感应现象不单单揭示了电与磁的内在联系，而且奠定了电与磁之间的相互转化的理论基础，使得人们获取巨大而廉价的电能成为了可能，对现代社会科技的变革产生了重大的意义。当今，电磁感应现象的应用在电工、电子技术、电气化、自动化等诸多方面有着非常广泛的应用，极大的推动了社会生产力和科学技术的进步。

四、电磁波

麦克斯韦关于电磁波的预言和赫兹发现电磁波可以说把电磁现象推向了极致。麦克斯韦通过总结前人的研究成果，进一步的将电场和磁场的基本规律进行了归纳与综合，完善了电磁场的理论体系，即麦克斯韦方程组。通过麦克斯韦方程组，电磁现象完成了围观和宏观的统一，将宏观的电磁现象（包括静电、电磁感应等等），而与光学现象、电磁波统一在同一个理论框架之内，深刻地影响了人们对物质世界的认识。

通俗来说，电场变化产生磁场，磁场变换产生电场，如果电场磁场共同变化，则会产生电磁波，电磁波本身体现的是一种电磁场的传播。既然是一种能量传播形态，那么理论上，只要温度高于绝对零度的物质，都会向外辐射电磁波。作为一种重要的能量形式，仅仅用“电磁波”三个字来笼统的概括是远远不够的，电磁波可以按照频段分类，从低频率到高频率，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线（伦琴射线）和伽马射线等等。可以看到，我们生活在一个被电磁波包围的世界，电磁波在我们的生活中发挥着重要的作用。

五、应用与总结

电磁学的应用深入到了现代生活中的很多方面，现代通信、无线电波的传输，民用领域的电磁炉、电磁继电器，工业领域的电磁起重、电磁传感与驱动，军事领域的雷达、电磁弹射、电磁炮概念等等，电磁学自发现以来飞速发展，在各个现代科技领域都有很广泛的应用。

磁悬浮列车：在电磁学中，当给两个相互平行的线圈通给方向相反的电流时，就会互相排斥，磁悬浮列车就是根据这个简单的电磁学原理设计的。通过电磁产生的相互排斥的力量，列车就会悬浮起来，达到减小阻力提高速度效果的。

磁记录：磁盘是使用非常广泛的一种信息储存技术。它就是利用铁磁材料的特性结合电磁感应的规律。将粉状的铁磁材料用粘结剂涂敷在特制圆柱或圆盘的表面，通过电磁感应，将信息转化并记录下来，电脑上的磁盘以及曾经的磁带都是利用这一原理实现的。

另外，通过电磁感应在工业控制上的应用、射线在医学探测领域的应用、电磁传感在自动化方面的应用等等，很多本文不能一一列举。可见电磁学的作为物理学一门重要的分支学科，在现代科技发展与进步中起到了非常重要的作用，而这其中离不开一代代人们不懈的探究与付出，这更激励我们后来者对学习的热情，通过更深入的学习来掌握和推动物理学的进步。

参考文献：

[1]贾起民，郑永令，陈暨耀.电磁学（第二版），2003-4.

[2]陈秉乾，舒幼生，胡望雨.电磁学专题研究，高等教育出版社，2001-12.