电磁学

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  电磁学汉语拼音:Diancixue;英语:Electromagnetism),研究电荷静止或运动时产生的电磁现象以及物质电磁性质的学科。属于经典物理。电与磁的研究涉及广泛的领域,随着科学技术的发展,某些带有专门知识和技术的内容逐渐分出去,形成专门的学科,如电子学电工学电机学电化学等离子体物理学计算机科学通信技术等。电磁学本身则仅限于电磁现象中较为基本的内容。

简史

  人类对电和磁的认识可追溯到公元前600年,已有磁石吸铁、磁石指南北和琥珀经摩擦起电能吸引轻小物体的记载。16世纪W.吉伯对前人有关磁的研究进行了总结:他发明了第一个验电器,发现更多的物质摩擦后可带电;注意到带电与磁的区别,把它们看成两种无关的独立现象。17世纪O.von盖利克发明了摩擦起电机,18世纪电的研究才迅速发展起来,发现了导体与绝缘体的区别,认识到电有两种,发明了可储存电的莱顿瓶。1747年B.富兰克林提出电荷守恒,并用正负号表示两种电荷。1767年J.普里斯特利猜测电力与万有引力有相似的规律,都与距离平方成反比,后来分别被C.-A.de库仑和H.卡文迪什用实验证实,从此电的研究开始进入科学的行列。后来,通过S.-D.泊松等人的工作,发展了静电学的解析理论。18世纪末电学研究的重要进展是A.伏打在L.伽伐尼青蛙实验的基础上认清了产生持续电流的原因而发明了电池,为动电的研究提供了条件。进入19世纪,先后发明了一系列动电的应用,如电解、电弧照明、电镀等。最为重要的成就是,1820年H.C.奥斯特发现了电流的磁效应,电流引起导线近旁的磁针偏转,结束了电与磁相互割裂开来研究的历史,开拓了电磁学研究的新纪元。紧接着A.-M.安培提出磁的本源是电流,他和J.-B.毕奥、F.萨伐尔等进而研究稳恒电流与恒磁场相互作用的定律。1826年G.S.欧姆发现物质导电定律,到1848年G.R.基尔霍夫澄清了电势差、电动势和电场强度等概念,使欧姆理论与静电概念协调起来,解决了分支电路问题。1831年M.法拉第发现了电磁感应现象,可供实用的自激发电机和电能的远距离输送相继发明和实现,为能源的开发和利用开创了崭新前景。电动机的广泛使用,极大地改变了工业生产的面貌。法拉第在对于电磁现象的研究中,逐渐形成了他特有的场观念,这一不朽的思想对物理学的发展起着重大的推动作用。场是物质存在的基本形式。1864年J.C.麦克斯韦建立一组电磁场的普遍方程组来体现法拉第的场思想,这一组简洁的数学方程(即麦克斯韦方程组)不仅可推论出电磁波,而且把电磁学和光学综合为一体。麦克斯韦电磁理论通过1888年H.R.赫兹电磁波实验的证实,开辟了一个全新的电磁波的应用和研究的领域。以后电子管和晶体管的发明、通信技术的发展、电子计算机的出现,极大地改变了科学技术、工业生产、人类生活以及社会交往的各个方面。1896年H.A.洛伦兹提出“电子论”,将麦克斯韦理论应用到微观领域,并把物质的电磁性质归结为原子中电子的效应,这样可具体说明物质的极化、磁化、导电等现象,物质对光的吸收、散射和色散现象以及光在运动介质中的传播等,把麦克斯韦理论向前推了一大步。

  电磁学的进一步发展导致1905年A.爱因斯坦建立狭义相对论,它否定了绝对静止惯性系,确认相对性原理是物理学的基本原理。狭义相对论不仅发展了电磁理论,而且对整个物理学的发展具有划时代的推动作用。

  20世纪物理学的发展,在带电粒子与电磁场的相互作用上,使经典电磁理论遇到了困难。经典理论的局限性在于:对带电粒子的描述忽略了其波动性;而对电磁波的描述又忽略了其粒子性。于是在波粒二象性的基础上发展了量子电动力学。

内容

  主要包括静电场、恒磁场、电磁场、电路、物质的电磁性质和电磁效应。

静电场

  研究静止电荷与静电场的相互作用,基本规律有三条:

  ①库仑定律。

  ②叠加原理。

  ③电荷守恒定律。

  电荷之间的相互作用力是通过电荷产生的电场相互作用的,电荷产生的电场用电场强度E来描述。根据库仑定律和叠加原理可导出静电场基本性质的两个定理:

  ①高斯定理。

  ②环路定理。

恒磁场

  研究稳恒电流与恒磁场的相互作用。电流之间的磁相互作用是通过磁场传递的。

物质的电磁性质和电磁效应

  物质在电场和磁场中具有特殊的性质,并产生特殊的效应,它们在实际问题中具有广泛的应用价值。

  物质按其导电性能的不同可分为两种极端情形:导体和绝缘体(电介质)。导体内存在可运动的自由电荷。当导体的成分和温度均匀时,达到静电平衡的条件是导体内部的电场恒等于零。由此可得导体静电平衡的一些性质,如导体是等势体,电荷只能分布在导体表面,接地导体空腔起静电屏蔽作用,两个导体板靠得很近的系统组成电容器并可容纳电荷等。

  物质中的电磁效应是电磁学与物理学其他分支之间联系的纽带,其种类繁多,有许多已成为或正在发展为专门研究领域。可列举一些如下:电致伸缩、压电效应、逆压电效应、塞贝克效应、珀耳帖效应、汤姆孙效应、热敏电阻、光敏电阻、光生伏打效应、霍耳效应、磁致伸缩、磁声效应、磁热效应、磁光效应、克尔效应等。对于各种电磁效应的研究,有助于了解物质的结构及物质中发生的基本过程;在技术上,它们也是实现能量转换、非电量电测以及控制技术的基础。

电磁场

  研究随时间变化的电磁场是电磁学的普遍情形。

电路

  包括直流电路和交流电路。直流电路研究电流稳恒条件下的电路定律和性质。直流电路中除了电源外只有电阻。物质导电的基本定律是欧姆定律,电压等于电流乘以电阻,微分形式是j=σE,σ是物质的电导率。直流电路定律是基尔霍夫方程组,本质上是电荷守恒定律和环路定理的重新表述。

  交流电路中除了电阻之外还有电感和电容。电源电动势和电路电流随时间变化,引起空间电场和磁场变化,存在电磁感应和位移电流引起的电磁波。当交流电频率远小于108赫时,电压概念仍然有效,电路的基本定律仍为基尔霍夫方程组。电路中电流与电压之间存在相位差,从而带来一系列直流电路所没有的电路特性,如谐振、滤波、相移、瞬态等,在实际中有广泛的应用。当频率高于108赫,电路中电磁波的传播效应不可忽略,原则上应该用麦克斯韦方程组处理。某些特殊情形下,尚可在限定范围内引入横向电压、分布电感和分布电容等概念,使处理简化。

地位和影响

  电磁学是经典物理中较为重要的分支,它可说明各种宏观电磁现象。由于电结构是物质的基本组成形式,电磁场是物质世界的重要组成部分,电磁作用是物质的基本相互作用之一,电过程是自然界的基本过程,因此电磁学已渗透到物理学的各个领域,成为研究物理过程必不可少的基础。此外,它也是研究化学和生物学基本过程的基础。另一方面,电与磁同其他运动形式之间的转化方便,传递迅速、准确,便于控制。电磁技术在能源开发输送和使用方面起着重要作用,它使人类可更广泛、更有效、更方便地利用一切可利用的能源。电磁技术还在机电控制和自动化,信息的传递和处理,利用各种电磁效应实现非电量的电测方面也具有重要意义。电磁学也是技术科学的重要基础,在科学技术的不断发展中显示其深远影响。