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电磁学论文

闽江学院

本科毕业论文（设计）

题目电磁学现象及规律探究的概述

学生姓名江贤晶

学号120071001137

系别物理学与电子信息工程系

年级2007级

专业物理学

指导教师李雪梅

职称讲师

完成日期2010.11.01－2011.5.20

闽江学院本科毕业论文（设计）诚信声明书

本人郑重声明：

兹提交的毕业论文（设计）《电磁学现象及物理规律探究的概述》，是本人在指导老师苏启录的指导下独立研究、撰写的成果；论文（设计）未剽窃、抄袭他人学术观点、思想和成果，未篡改研究数据，论文（设计）中所引用的文字、研究成果均已在论文（设计）中以明确的方式标明；在毕业论文（设计）工作过程中，本人恪守学术规范，遵守学校的有关规定，依法享有和承担由此论文（设计）产生的权利和责任。

声明人（签名）：

江贤晶

2011年5月7日

摘要

随着科技日新月异的发展，电磁学走上历史舞台扮演着不可或缺的角色，它的应用已如旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家。

本文基于向读者描述传统电磁学的基本内容，致力于对基本概念和基本规律的阐述。

本文顺着从电现象引出电磁学规律的主线，从库伦定律发现后为研究方便引入电场和磁场概念讲到电磁波，着重概述电磁学的基础现象和规律，并根据本人的理解向读者讲述电磁学的应用。

关键词：

电磁学电场磁场电磁波

Abstract

Keywords:

引言………………………………………………6

一、静电场

1.库伦定律………………………………………………7

2.电场……………………………………………………7

二、磁场

1.奥斯特实验…………………………………………9

2.安培环路定理…………………………………………10

3.通电螺线管上的磁场…………………………………11

4.载流线圈的磁场………………………………………12

5.电磁感应现象…………………………………………12

6.楞次定律………………………………………………14

三、塞曼效应

1.正常塞曼效应…………………………………………15

2.反常塞曼效应…………………………………………16

四、电磁波

1.麦克斯韦方程组………………………………………17

2.平面电磁波……………………………………………19

3.可见光（光波）………………………………………19

电磁学的应用

总结

注释………………………………………………………22

参考文献………………………………………………………23

致谢…………………………………………………………24

引言

研究物质规律的物理在生活中扮演着一个及其重要的角色，清晨当迈出你的第一步时你是否考虑到物理已经和你接触了呢？

物理伴随着生活的每一步，深入生活的每一个角落。

物理中每一个规律的发现都是历史·辉煌的见证，它们指引着人类认识自然认识世界的步伐，将我们引向那充满幻想的世界。

而众多物理规律中有一类规律把我们的距离拉近了，曾今的一封信让我心急如焚，可如今即使天涯海角，思时也无非咫尺，这就是电磁学规律的一个重要应用，应用于广泛的通信！

电磁学规律的应用还不仅限于通信，它有这更广阔的应用范围，它给生活带来了福音，给世界带来了交响曲，然而在寻找这些电磁学规律中物理学家们却是历尽千辛万苦。

今天让我们畅游在漫漫的反思中。

电磁学是研究电、磁和电磁的相互左右的现象，及其规律和应用的物理学分支的学科。

它是物理学的一个分支。

广义的电磁学可以说是包含电学和磁学，但狭义来说是一门研究电性和磁性交互关系的学科，本文也将重点从电与磁之间的关系找出电磁学规律。

从狭义的观点上看，电、磁两种现象本是认为是独立无关的两门学科，当然很多因素也关于磁学本身的发展和应用，正如近代磁性材料和磁学技术的发展，各种此现象和磁效应的发现和应用等等，使得磁学的范围不段的扩张，这样到目前磁学的范围就已经足够另立门户，成为一门独立的学科也是理所当然，所以实际中已经将电磁学作为一门与电学平起平坐的学科来研究了。

从广义上认识，根据近代物理学的观点，磁的现象是由运动电荷（电流）所产生的，因而在电学的范围内必然不同程度地包含磁学的内容，所以电磁学和电学的内容很难截然区分开来，二者并没有太明显的界限，甚至有时也将电磁学简称为电学。

磁学主要研究电磁波、电磁场以及有关电荷、带电物体的电力学等等。

这样电磁学的规律的电学的发展，同时我认为又电学引出电磁学的分水岭在于法拉第的电磁感应现象的发现，让我们来了解一下如何从简单的电现象引出电磁学的规律。

一、静电场

（一）库伦定律

欲从电学中找到电磁学规律的发现，首先我们得先从电现象入手，找到电学中动力学关系和磁动力关系就不难知道电与磁之间存在着怎么的关系。

让我们认识一下库伦定律，了解两点电荷之间的关系，库仑定律：

（图1-1）

是电磁场理论的基本定律之一。

真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，和它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线,同名电荷相斥，异名电荷相吸。

公式：

F=k*（q1*q2）/r^2（式1-1）

其中F是两点电荷之间所受的库伦力，k是比例常数，q1、q2分别代表两点电荷所带的电荷量，r是两点电荷的距离。

[4][8]

（二）电场

在很多没有直接接触的力现象中力的相互作用需要有介质的存在，例如马拉车，马能拉动车肯定少不了绳子的存在，只有将马和马车栓在一起才能使马在奔跑中带动马车。

再如声音的传播，我们聊天时虽然对方并没有将声带直接贴在我们的耳朵上，但我们能听到对方的声音，这是因为有空气介质的存在。

加入我们生活的空间没有空气的存在，那么所谓的聊天只能看到对方嘴唇的动作，并不能听到声音……但刚才说过的例子中q1、q2明显没有直接接触，又似乎没有介质的存在，那么q1、q2之间存在的库伦力又是怎样传递的呢？

历史上对这个问题有很多争论，一类人认为这种力并不需要介质的存在就可以之间传递，甚至更不需要时间，不受时间的限制，力的作用就能从一个物体直接传递到另一个物体上。

另一种观点认为空间中存在着科学家还未发现的弹性物质——“以太”，电场力就是通过“以太”来传递的。

这些观点都被近代物理学家所否认并引入电场。

而且还将点电荷在电场中受到的力F与电荷量q0的比值称为电场强度，用字母E来表示：

E=F/q0

以下是几种电荷模型的电场分布：

正点电荷负点电荷

等量异种电荷

（图1-2）

更多的电磁分布这里就不再多举。

[4]

二、磁场

我们现在先来看看以下实验现象：

（图2-1）

本实验的原理图如上图所示，其中深黑色的直导线是原来的导线，就是还没通电时的导线，灰色的导线是通有电流后导线原导线移动的位置。

如上图，在导线中通有电流大小为I的电流，这样导线的位置就会发生改变，当电流的方向时导线互相吸引，电流方向相反时导线互相排斥，牛顿第二定律告诉我们，当物体状态发生改变时肯定要受到外力的作用，导线从原来的静止状态开始运动，使得导线的形状发生改变，这说明导线受到力的作用，问题就产生了，导线明显受到了力的作用，那通电导线中相互间的作用力从何而来？

以下将对这个问题进行简易的解释。

（一）奥斯特实验

库伦定律说明了两点电荷之间存在着相互作用，在这基础上物理学家们发现带电物体接触磁场时也能产生力的作用，说到这就少不了说奥斯特实验了，奥斯特实验说明了通电导线与磁性物质之间存在着力的作用，奥斯特是丹麦的科学家，他在1820年4月的一节课中，他讲授了电与磁的课程，他做了一个实验中无意发现了这个现象：

通电铂丝扰动玻璃罩内的指南针，虽然效应很弱，看上去也很不规则，但奥斯特却对这种无意间发现的现象产生浓厚的兴趣，在课后他进行了大量的电池反复做了同样的实验对自己的假设进行验证。

奥斯特在做实验时还在磁针与导线间放入玻璃、金属、木头等物质，然而磁针的偏转并不因此减弱或者消失[8]，他的实验可以如下概述：

（图2-2）

上图是奥斯特实验的简易实验图，导线中通有大小为I的电流，在导线旁放一个小磁针，众所周知磁针在地磁场的作用下沿南北取向，但磁针在电流的作用下会产生偏转，说明磁针与导线间存在着力的作用。

当断开电源时磁针重新南北指向，这个实验中的单一变量是导体是否通电，这样我们就能很明确的得到一个结论：

通电导体对磁性物质有力的作用。

这样就能说明通电导体不仅能产生电场，它也能产磁性质，并又此产生的磁场使奥斯特实验中的磁针发生偏转。

[5]

也像电荷一样奥斯特实验中通电导线和磁针之间并没有直接的接触，他们之间又是以什么形式传递力的作用呢？

与电荷之间的作用力一样，磁性物质周围也存在场的性质，所以物理学家引入的磁场的概念，并以字母B代表磁场强度。

这样就不难解释图二所示实验中产生的现象，通电导线能产生磁场，实验中两导线所通电流方向相同时产生的磁场使得两导线互相吸引，相反当电流的方向相反时产生的磁场使得两导线互相排斥，图二中的第一个实验就是因为导线通的电流相同导线互相吸引，最后出现的现象必然是两导线同时向内弯曲，第二个实验磁场间的相互作用使得导向向外弯曲！

（二）安培环路定理

由奥斯特实验得到了惊人的结论，那么通电导体产生的磁场又是怎样的呢？

这个问题我们让安培我们解答：

安培知道奥斯特的发现时非常惊讶，他注意到了这个发现的重要性，立刻对电流间的作用进行了精密的研究，他发现图2-3所示实验现象，他便由此猜想到所有的磁性都能用电流置换[5]。

随后安培便花了大量的时间研究导体中电流所产生磁场的性质。

这里我们取简单的一个种模型（通电直导线）为例，许多实验证实了通电直导线产生的磁场如图。

（图2-3）

以上就是安培环路定理，磁场的方向应服从右手螺旋定则[4]：

手握导线，大拇指指向电流方向，那么其余四个手指的环绕方向就是磁场的方向，而且在这种简单的模型中产生磁场的强度还满足公式：

（式2-1）

注：

②

（三）通电螺线管上的磁场

现在我们来讨论一下通电螺线管，我记得初中我们学到电磁感应现象的时候就是通过通电螺线管来说明的，下图就是一个通电螺线管：

（图2-4）

根据电磁感应现象的原理，我们不难理解通电螺线管周围会有磁场的存在，如上图在软铁上绕有导线，并在导线中通有电流大小为I的电流，在螺线管中磁场的方向同样服从右手定则，将右手的四个手指弯曲并指向电流环绕的方向，那样大拇指所指向的方向就是磁场的方向。

当然在这种情况中如果要求场强的大小还需知道软铁的性质，本文不在这里做解释[4]。

（四）载流线圈的磁场

下面我们来看看通电线圈中磁场的方向是如何的，下面是通电导线圈的模型：

（图2-5）

如上图，导线圈中通有电流的大小为I，这种模型服从右手螺旋定则，将右手的四只手指指向电流方向沿线圈环绕，右手大拇指伸直，大拇指指向的方向就是磁场的方向，上图模型的磁场方向如上图所示。

这种情可以当做简单的通电螺线管来理解，通电螺线管中线圈的匝数较多，而本模型中可以认为是线圈匝数为一的通电螺线管[4]。

（五）电磁感应现象

上述内容能很清楚的知道通电导体能产生磁场，我们能不能根据以上结论做一个假设呢？

我们假设磁场也可能产生电流或者电动势。

带着这个问题我们访问法拉第任何认识这个问题的。

法拉第是英国著名的物理学家和化学家。

他发现了电磁感应现象，这在物理学上起着很重要的作用。

电磁感应现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。

此电动势称为感应电动势或者感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。

电磁感应现象不止揭示了电与磁的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础。

以下为感生电动势的普适公式。

E＝nΔΦ/Δt（式2-2-1）

其中E代表的是感应电动势，n是螺线管的匝数，

是磁通量的改变量，

是时间的改变量。

其中螺线管中的电流方向我们可以根据右手螺旋定则将其判断出来：

（图2-6）

将右手握住螺线管并使得右手的大拇指向磁场的方向，那么四肢手指环绕的方向就是电流的流向。

电磁感应现象告诉我们变化磁场中产生的感应电动势，坦若我们所选择的导体是一个闭合回路，所产生的感应电流的方向又该是如何呢？

让我们做一下这个简单的实验，实验原理图如下图所示：

（图2-7）

其中ABCD是闭合回路，AB间接有一个灵敏电流表，CD是灵活边，并以

（

可变化）的速度向右运动，匀强磁场的方向大小也如图所示。

当

=0的时候灵敏电流表没有发生偏转，当

不等于0的时候电流表发生偏转，即在闭合线圈ABCD中产生感应电流。

CD边滑动得越快，灵敏电流表的偏转角度也越大，即感应电流越大。

当CD边朝反向运动时，感应电流的方向也相反。

大量的实验同样验证着导线切割磁场产生的感应电流的方向必服从左手定则，将左手摊开大拇指指着导线的运动方向，让磁感线穿过手心，四个手指所指的方向就是感应电流的方向。

（注：

⑤）

前面我们所接触到的式2-2-1是在特殊情况下才能适用，但在一般情况下必须使用普适方程[9]：

（式2-2-2）

（六）楞次定律

说到感应电流的方向就少不了介绍楞次定律的介绍，

（图2-8）

上图是把磁棒的N极插入线圈和从线圈中拔出的实现，实验中所产生的感应电流的方向也标在图中。

作图所示是将磁棒插入线圈的情况，磁棒的感应线方向朝下，很明显的当磁棒插入过程中的向下的磁通量增加。

根据右手定则可知，这时感应电流所激发的磁场方向朝上，其作用相当于阻碍磁通量的增加。

在右图所示的N极拔出的情况中，穿过线圈向下的磁通量明显减少，而这时感应电流所激发的磁场的方向是向下的，其作用相当于阻碍磁通量的减少，在其他实验中也可以发现这样的规律，所以我们可以得到这样的结论：

闭合回路中的感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

这个结论叫做楞次定律。

在以上导体切割磁感线的实验中，我们也能用楞次定律来判断出感应电流的方向。

（图2-9）

当CD的速度

=0时，由于磁场是一定的，所以这种情况下没有磁通量的变化，这样灵敏电流表自然不会发生偏转，因为没有感应电流的产生，

不等于0却CD向右运动时，闭合回路中垂直纸面向上的磁通量不断增加，根据楞次定律闭合回路ABCD所产生的感应电流必然要激发垂直纸面向里的磁通量来阻碍磁通量的变化，这与左手定则相吻合。

同样，当CD向左运动时，垂直纸面向外的磁通量不断减少，由此产生的感应电流也激发垂直纸面向里的磁通量来阻碍磁通量的变化。

三、塞曼效应

（一）正常塞曼效应

电子的发现，使电磁学和原子与物质结构的理论结合了起来，洛伦慈的电子论把物质的宏观电磁性质归结为原子中电子的效应，统一地解释了电、磁、光现象。

洛伦兹认为电具有“原子性”，电的本身是由微小的实体组成的，后来这些微小的实体被称为电子，他以电子的概念为基础来解释物质的电性质，从电子论推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用，既洛伦兹力。

他把物体的发光解释成原子内部电子的震动产生的，所以当光源放在磁场中时，光源的原子内电子的震动将发生改变，使得电子的震动频率增大或者减小，导致光谱线的增宽或分裂，之后洛伦兹的学生塞曼发现了塞曼效应，证实了洛伦兹的预言，塞曼与洛伦兹共同获得1902年的诺贝尔物理学奖。

塞曼效应是指磁场中的光源发出的光谱线分裂成几条谱线的现象。

这种现象就是光源中的电子与磁场发生相互作用而产生的现象，塞曼效应可分为正常与非正常塞曼效应，本文简单介绍一下正常塞曼效应，它指的是光源中一条谱线在外磁场的作用下一分为三，彼此间隔相等。

而这种现象只能再原子中电子数目为偶数并形成独态的原子时，才能有正常的塞曼效应。

在这里本文用镉原子为例，镉的643.847nm谱线是

跃迁的结果，这里共有九个跃迁，镉原子正常塞曼效应的原子中的电子跃迁如下图：

（图3-1）塞曼效应

根据以上电子跃迁图，塞曼得到了镉原子的三条正常塞曼效应的谱线。

（式3-1）

这比表明了当一条谱线在磁场的作用下分裂成三条谱线，谱线间的间隔相等，而已这个间隔等于

时的现象称为塞曼效应[2]。

（二）反常塞曼效应

1897年12月，普雷斯顿报告说，在很多实验实例中，塞曼分裂的数目可以不是三个，数目也不尽相同。

在以后近三十年内，虽经许多人的尝试但一直未能得到很合理的解释，从而被称为反常塞曼效应。

后来这些疑问在电子自旋假设的提出后迎刃而解。

我们现在来分析一下钠主线的塞曼分裂，钠是单电子体系，所以对原子磁矩产生主要贡献的是单个电子，黄色双线是2P1/2，3/22S1/2之间跃迁的结果,这就是一种反常塞曼效应的结果。

（图3-2）钠原子的反常塞曼效应

上图为钠原子在磁场中的反常塞曼效应的谱线分裂图，分裂谱线相应的频率为[2]

（式3-2）

（式3-3）

注：

①

我们可以从图3-2中看出：

钠D线中的589.6nm谱线分裂成四条而不是三条，而且两相临谱线的间距是不一样的。

589.0那条谱线分列成六条，这六条谱线的间距倒是一样的。

这两种分裂在原来谱线的位置上不再出现谱线，这些情况不像正常塞曼效应所描述的。

[2]

四、电磁波

电与磁的关系已经在上述文章中得到了充分的确立，扑嗍迷离的电磁学使得众多物理学家对电与磁之间的关系产生了极大的兴趣，他们也为物理学做出了杰出的贡献。

电磁学从原来的两门相互独立的两门科学（电学和磁学）发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要是基于两个重要的试验发现，即电流的磁效应和变化磁场的电效应。

这两个试验现象加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明气重大影响的电工和电子技术。

但是电磁学的规律并非到这里就结束了，本节说道麦克斯韦公式的时候也简单的提到了电磁波，以下将对电磁波进行简单的说明。

（一）麦克斯韦方程组

同时磁现象和电现象的这种紧密紧密联系在一起关系不止以上想象在说明着，这种关系也可以从麦克斯韦方程中就能看出：

麦克斯韦的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是：

变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，他们相互联系相互激发组成一个统一的电磁场。

麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系。

这个理论体系就是所谓的麦克斯韦方程组。

这样电磁现象和磁现象的关系变得更难区分开来。

麦克斯韦电磁理论的重大意义，不仅在与这个理论支配着一切宏观电磁现象（包括静电、稳恒磁场、电磁感应、电路、电磁波等等），而且在与它将光学现象统一在这个论论框架之内，深刻地影响着人们认识物质世界的思想。

麦克斯韦方程组在电磁学中的地位如同牛顿运动定律在经典力学中的地位一样。

以麦克斯韦方程组为核心的电磁学理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一，它揭示了电磁相互作用的完美统一，给整个物理学树立了这样的一个信念：

物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的。

这样，这个理论就可以广泛的应用到技术领域。

麦克斯韦方程组的完美是令人震惊的，它融合了高斯定律和安培定律，也就因为这个方程组完美统一了电磁场，让爱因斯坦始终想以同样的方式统一引力场，并把宏观与微观两种力整理在同一个方程组中：

既著名的“大统一理论”。

然而爱因斯坦走到人生的终点也没有完成这个历史使命。

麦克斯韦方程组是麦克斯韦在十九世纪的描述电场与磁场的四个基本方程。

该方程组完整的概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。

以下方程组为麦克斯韦方程组的微分形式。

（式4-1）

以下方程组是麦克斯韦方程组的积分形式。

（式4-2）

注：

③

电与磁之间的相互感应的发现，使得科学走向了一个新的境界。

在麦克斯韦方程组的带领下科学走上了新高潮，科学开拓了新领域，带着我们不断认识自然认知自我[3]。

（二）平面电磁波

电磁波有同相振荡且相互垂直的电场和磁场在空间中以波的形式移动，且传播方向总是垂直于电场和磁场构成的平面，有效的传递能量和动量，其模型可见下图。

[6]

（图4-1）电磁波

结合上图和麦克斯韦方程组我们可以很清楚的看出，电磁波是电磁场的一种运动形态，变化的电场会产生磁场（即电流产生磁场），变化的磁场产生电场，电场与磁场的能量交替转换使得电磁波以一定速度向外传播，而且在真空中的传播速度为光速c（3.0*108米/秒）。

变化的磁场和变化的电场构成了一个不可分离的电磁场，变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，也称为电波。

电磁场是电场和磁场的相互结合体，顾名思义电磁波的传播并不需要介质的存在，但在介质中传播时同种频率的电磁波，在不同的介质中的传播速度不一样，而不同频率的电磁波，在同一介质中传播时，频率越大折射率也越大，而且速度越小[7]。

由于机械波与电磁波一样都具有波粒二象性（注：

④），所以电磁波也具有机械波的性质，例如：

折射、反射、散射等等。

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。

人眼所能接受到电磁波的频段，波长大约在380到780nm之间，称为可见光（将在下一节简单介绍可见光）。

只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射（红外线），所以这个世界上不存在温度等于或者小于绝对零度的物体。

（三）可见光（光波）

我们所见到的阳光其实是不同频率光波的组合体，通常又按频率将白光分成七个范围，毛泽东诗词中有这么一句话“赤橙黄绿青蓝紫，谁持彩练当空舞”其中的七种颜色说的就是白光中的七个范围，不同频率的光波给人眼的神经的刺激是不同的，所以引起的颜色视觉也不同，这七个范围内的光波让人大脑反应出来的视觉是：

红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

各种单色光的中心频率和颜色对应的波长如下表所示[7]：

颜色

中心频率/Hz

中心波长/nm

波长范围/nm

红

4.5

660

760-622

橙

4.9

610

622-597

黄

5.3

570

597-577

绿

5.5

550

577-492

青

6.5

460

492-450

蓝

6.8

440

450-435

紫

7.3

410

435-390

表4-1

可见光具有一般波动现象的性质，本文将对光的反射和折射进行简单的阐述。

光的反射和折射现象渗透在我们的生活中，我们每天早晨起床后需要梳妆和整理着装，这就需要镜子，而这个过程就是利用到了光的反射原理。

（1）反射：

是指光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向又返回原来介质中的现象。

如下图所示：

（图4-2）光的反射

如图，垂直于分界面虚线叫做法线，法线是实际不存在但为了研究方便画入研究图的，它与入射光线以及反射光线在同一平面内。

在图中法线与入射光线的夹角称为入射角，如∠

所示。

则法线与反射光线的夹角称为反射角，如∠

所示。

光的反射现象中存在反射角等于入射角[10]，即：

∠

=∠

（式4-3）

（2）折射：

是指光在传播到不同介质时，在分界面上光的传播方向发生偏折的现象。

我们就以光从空气中传播到水中为例，现象如下图所示：

（图4-3）光的折射

与反射现象一样∠

称为入射角，但折射光线与法线的夹角∠

称为折射角，当光线从空气射入水时，只要入射光线不是垂直于水面，即∠

00时就有入射角大于折射角[10]，即：

∠

∠

（式4-4）

当入射光线垂直射入水面时，则有反射角等于入射角，即：

∠

=∠

（式4-5）

电磁学的应用

电磁学在生活中的应用及其广泛，在引言中本文