試析電磁學現象及規律

田偉

摘 要：本文分析了電磁學的挖掘歷史和電磁學現象的基本情況，對電磁學的基本規律進行了描述，在此基礎上介紹了電磁學的應用范圍，強調了電磁學在現代科學技術發展中的重要作用。

關鍵詞：電磁學；現象；規律

一、緒論

研究物理規律是物理學研究之中非常重要的一項內容，我們日常生活中的每一個角落、每一個方面都滲透著物理學的知識。可以說，物理伴隨著生活的每一步。物理學之中每一個規律的發現、每一項理論知識的應用都是輝煌的見證，它引領著我們認識客觀世界的方式，讓我們進入到充滿幻想和推理的世界。眾多物理學規律之中有一類規律極大地便捷了我們的日常生活——電磁學。電磁學在通訊、交通、科學研究、醫學研究之中的應用，使得現代社會生活發生了翻天覆地的變化，研究電磁學的規律是我們必須重視的。因此，本文研究的重點放在了電磁學的現象和規律研究上，目的是為了讓人讓人們更深刻地意識到電磁徐的本質和作用。

電磁學基礎知識是物理學科理論體系的重要組成部分，是在近代科學發展中興起的一門學科。經過多年的研究和探索，電磁學的應用已經滲透到現代科學的方方面面，在科技發展和科技應用上起到了至關重要的作用。作為一門研究電、磁、電磁相互作用的專門學科，電磁學的研究重點一直集中在電磁學的基本規律和電磁學的現實應用上，可以說電磁學是物理學的一門重要分支。從廣義上來看，電磁學包含了電學和磁學；從狹義上來看，電磁學則是研究電性和磁性相互關系的學科。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。

二、奧斯特實驗和電磁現象的發現

（一）庫倫定律

庫侖定律是物理學之中的一個重要理論，是揭示兩個點電荷之間力的關系的理論，是電磁學被發現和探索到的前提和基礎。在研究中，我們往往從電現象著手開展，繼而對電學中的力學關系有所認識，這樣就不難發現電和磁之間的關系了。在真空中的兩個靜止點電荷，電荷所帶電量的乘積、點電荷之間的距離決定了兩個點電荷之間的作用力大小，這就是我們所說的庫侖定律，其用公式可以表述為：F=kq1q2r2，在該公式之中，F被稱為庫倫力，q1和q2表示兩個點電荷所帶電量，r表示的則是兩個靜止的點電荷之間的距離。庫侖定律還揭示了同名電荷相互排斥，異名電荷相互吸引的現象。

（二）奧斯特實驗

庫侖定律為我們解釋了兩個靜止的點電荷之間的力的現象。在此基礎上，物理學家經過不斷地探索和研究，逐步發現了帶電物體在靠近磁場的過程中產生的力的作用。其中，丹麥物理學家奧斯特的實驗充分地說明了這一點，奧斯特實驗也成功地發現了電磁，明確了通電導線和和磁性物質之間里的作用關系。奧斯特在1820年的電和磁實驗之中無意發現了通電的鉑絲會影響指南針變動的現象，這種影響雖然看上去非常微弱和不規則，但是奧斯特卻深受啟發，并在之后通過大量的實驗來驗證了自己的想法。在正常情況下，磁針會因為磁場的作用沿著南北方向靜止，但是當有電流的導向通過的時候，磁針就會發生偏轉；在斷開電源之后磁針則會恢復正常。

三、電磁感應現象

奧斯特的實驗為物理學的研究提供了新的方向和新的思路，物理學家之后在這一領域進行了深入研究和拓展，在這個過程中發現了載流線圈、安培環路定理、通電螺線管上存在磁場等多種理論和結果。在上述實驗和理論的完善過程中加強了對通電導體會產生磁場的認識。之后，磁場也可能反過來產生電流的理論也被提出，物理學之中非常重要的電磁感應現象應運而生。

1831年著名物理學家法拉第首先驗證了電磁感應現象，他通過變化磁通量之中的導體產生電動勢，并總結出感應電動勢是感應線圈匝數和磁通量變化率乘積這樣一個公式。磁通量的變化會產生感應電動勢這一結論對近代科學發展、氪金進步具有至關重要的作用。電磁感應現象一方面揭示了電、磁之間的內在關系，另一方面則為電和磁之間的相互轉化奠定了良好的基礎。電磁感應現象極大地降低了電的成本，讓人們有機會獲得巨大而又廉價的電能，為現代科技變革提供了重要的支撐。當今，電磁感應現象已經被普遍地應用在了電子技術、電工、電氣化、自動化等多個領域，并起到極為廣泛的作用，成為科技進步和社會生產力發展的關鍵環節。

四、塞曼效應

電子被發現之后，電磁學的研究與物質結構、原子理論開始融合，洛倫茨的電子論使得人們意識到原子中電子的效應是物質宏觀電磁屬性的根源，這樣電、磁、光現象實現了統一。洛倫茨認為電本身是微小的實體來構成的，這些微小的實體即為電子，電是具有原子性的。借助電子論可以推導出運動電荷在磁場中所受到的力的作用，即我們后來常說的洛倫茨力。洛倫茨將物體的發光解釋為院子內部的電子震動，這樣一來當光源被置于磁場之中時，光源內原子的電子震動頻率將會受到影響，出現光譜線增寬或者分裂的情況，之后洛倫茨的學生發現了塞曼效應，這是對洛倫茨研究的證實。塞曼效應專門指代在磁場之中的光源所發出的光譜線會分裂成幾條線的情況，這種現象的本質在于光源之中的電子和磁場發生了相互作用。

五、電磁波

電磁現象在麥克斯韋的電磁波預言和赫茲的電磁波實驗過程中發展到了極致。麥克斯韋在對前人的研究成果進行總結和歸納的基礎上梳理了電場和磁場的基本規律，對電磁場理論體系進行了深刻的完善，提出了麥克斯韋方程組，該方程組是電磁現象首次在宏觀和微觀上實現了統一，將電磁感應、靜電和電磁波理論、光學現象整合到一個框架之內，極大地轉變了人們對物質世界的認知情況。麥克斯韋電磁理論具有極強的現實意義和理論意義，其地位如同牛頓運動定理在力學之中的作用一樣，麥克斯韋電磁理論給物理學研究帶來這樣一個信念：在更高層次之上，物質的各種相互作用應當是統一的，這對這些理論廣泛地在技術領域應用奠定了良好的基礎。麥克斯韋方程組將高斯定理和安培定理有效地整合到一起，正是因為其提出的方程式完美地統一了電磁場，使得愛因斯坦受到了啟發，產生了將宏觀和微觀兩種力結合在一起的想法，最終提出了著名的大統一理論，雖然愛因斯坦并沒有完成這個歷史使命，但是其提出的思想和觀念是具有劃時代意義的。

通俗地說，電場變化產生磁場，磁場變換產生電場，在電場和磁場共同變化的時候將會產生電磁波。電磁波本質上就是電磁場傳播的一個能量形態，因此從理論上來講，溫度高于絕對零度的物質都可以向外輻射電磁波。電磁波作為一種重要的能量形式，僅僅用其名稱的三個字來概括其實是遠遠不夠的，因為電磁波按照頻段可以劃分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線和伽馬射線等等。實踐妙明，我們生活在一個被電磁波所包圍的世界，電磁波圍繞在我們生活的方方面面。

六、應用與總結

電磁學在現代生活中的很多方面都得到了應用，現代通訊、電磁爐、電磁繼電器、無線電波傳輸、電磁起重、電磁傳感與驅動、電磁射彈、電磁炮、雷達等多個領域都涉及到電磁學相關知識的應用。自從發現以來，電磁學一直在以飛速的速度發展和拓展，并且在各個科技領域都有廣泛的應用。我們生活中能夠見到的非常明顯的一個典范就是磁懸浮列車，在電磁學之中相互平行的兩個線圈通上方向嫌煩的電流時就會產生相互排斥的力，磁懸浮列車就是建立在這種簡單的電磁學原理的基礎上，借助電磁產生的相互排斥的力量讓列車懸浮起來，在減少阻力的進出上提升速度。過去我們常常使用的磁盤也是電磁學在信息存儲領域的應用，鐵磁材料的特性和電磁感應的規律是其能夠存儲的前提，在特質圓柱和圓盤上用粘結劑涂上粉狀的鐵磁材料，能夠產生電磁感應，并記錄和保存相關信息。電腦上的地盤和曾經的磁帶運用的都是電磁學的原理。當初移動電話的普及被視為是對固定電話的一次重大跨越，其應用的也是電磁學的基本原理。在固定電話時期，固定電話可以將聲信號轉化為電信號并通過導線傳輸給對方，對方的固定電話再將電信號轉化為聲信號，最終實現雙方的交流和溝通，電信號傳遞的質量決定了電話的方便性。電磁學轉變了離開傳輸線就難以實現通話的困境，用電磁波來代替通話過程中電信號，這樣就不在需要復雜的傳輸線，人們可以將電話隨身攜帶，只要電磁波信號覆蓋得到的地方都可以實現隨地通話。

此外，電磁學還在工業控制、醫學探測、電磁傳感等領域得到了深入的應用，很多應用模式和形式本文不再一一贅述。電磁學作為物理學的一門重要分支科學，在現代科學技術發展中起到的作用是不容忽視的，人們的探究和摸索是電磁學得以應用的前提，后來者要保持這種學習和挖掘的熱情，在更深入的徐誒之中來推動物理學的進步和發展。

參考文獻：

[1]賈起民，鄭永令，陳暨耀.電磁學（第二版），2014.

[2]陳秉乾，舒幼生，胡望雨.電磁學專題研究，高等教育出版社，2012.

[3]電磁現象的普遍規律.https：//wenku.baidu.com/view/7a08d0f7bd64783e08122b8d.html.

[4]專題：電磁現象與規律.https：//wenku.baidu.com/view/2cc709eaa45177232e60a26a.html.