生活中的电磁学.doc

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生活中的电磁学

学　　校：

　东南大学

院系：

　物理系

专　　业：

　——

作　　者：

　石明轩

教　　师：

　王雷

学　　号：

　10008310

班　　级：

　三

2009年6月3日星期三

序言：

3

电磁学的发展进程 3

1、古代的电磁观察与应用 3

2、电之捕捉与库伦定律 3

3、从伏特电池、安培定律到电报、电话：

5

4、法拉第定律与发电机：

7

5、麦克斯威与无线电 8

电磁学在生活中的具体应用及实例 9

1.观察日光灯的闪烁 9

2.移动电话 9

3.磁与生物 10

4.磁性材料 10

电磁学在生活中的负面影响 11

材料引用 11

序言：

现代人的生活似乎已经离不开电，与此同时，电磁也充斥着我们生活的各个角落。

随着电磁学，电磁技术的发展，我们已经离不开它了，在越来越多的领域，越来越多的角落，电磁学都在发挥着它的作用。

电磁学的发展进程

对古人来说，我们无疑生活在一个充满奇迹与魔幻的世界。

1、古代的电磁观察与应用

1936年，考古学家在巴格达附近挖出了一些铜罐，罐中铺了沥青，沥青上插着铁条。

在大约同一地点，还发掘出了一些镀金物品。

有研究者便认为这些铜罐就是巴比伦人发明的电池，而镀金物（如果是电镀）是这些东西确是电池之证据。

而这些东西，其年代有早到公元前2000年以上的。

如果这是真的，巴比伦人领先了近代电池（伏特，1793）与电镀（1800-35），将近四千年。

别的文明在电磁方面就没有这样可惊的成绩了。

古希腊人发现了琥珀、毛皮等摩擦可以生电，至今英文Electricity的字根，尚是希腊文的琥珀。

但对他们说来，天上的雷电，仍然是宙斯大神的脱手武器。

中国人很早就知道天然磁石会吸铁，带电物会吸小物体（东汉王充27-97「论衡」电磁力之记述：

「顿牟拾介，慈石引针」），以及利用磁针导航，甚至对磁偏角有所记述（方以智，~1600）。

「磁针导航」这技术，传到西方，促成了西方的「大探险时代」（15-16世纪。

1492哥伦布发现美洲，1498达伽马绕过好望角到达印度，1519-22麦哲伦环绕世界一周，称为「三大航海」。

他们都用磁针罗盘。

）也引起了十八世纪以后的殖民主义。

这些电磁的观察与应用，可以使我们感叹古人之智能，特别是巴比伦电池。

但巴比伦电池即使是事实，对日后电磁学发展，却没有什么影响。

摩擦生电与磁性现象却在停滞千余年之后，在十八世纪的西欧，成为电磁学发展的出发点。

2、电之捕捉与库伦定律

十七世纪末（1684年），牛顿出版其「自然哲学之数学原理」。

从此，研究自然界之力之种种，成为物理学之中心课题，一直到今天。

但这本书太成功了，力学的现象，从天上行星之运转，到地面苹果落地，似乎它都能精准描述。

然而，牛顿此书中只有一种力：

万有引力。

牛顿也知道自然界绝不止这一种力，例如，杯子打破了，碎片不可能凑起来就合而为一，可见原来把杯子各部份连合成一块的力不是万有引力；万有引力太微弱，不足以使物体聚合成形。

故牛顿以后，要做有挑战性的研究，莫过于研究万有引力之外的力。

电与磁都会产生力，而且比万有引力大很多。

（如果两块磁铁，吸在一起，使其相聚之力是磁力，就可以分分合合。

）因此，十八世纪的欧洲，很多人在研究电与磁。

特别是电，更富挑战性。

因为电这个东西，虽然摩擦两个适当的物体，就能产生。

带电物体会吸小纸片，有时还会在黑暗处冒火花，好玩得很。

（当时，还有人发明了摩电器。

）但是，却不容易驾驭，一不小心就被它溜掉。

1734年，法国人杜菲（Charles-FrancoisduFay，1696-1739），玩来玩去，玩出心得。

他发觉不管是用什么东西摩出来的，电只有两种。

他命名之为「玻璃电」与「树脂电」。

只有不同类的电，相互靠近时才会相吸或冒火花，同类的不但不冒火花，还会相斥。

他又发明了一个器具：

密封的玻璃瓶中，插入一根金属棒，瓶内的一端，挂上两片金箔；瓶外的一端，做成一个小球。

带电的物体靠近小球时，金箔就会张开。

──这些，今日看来都没有什么了不起，但在电还是「神出鬼没」的时候，这是不简单的成就。

然而，每次玩电，都要从头摩起，相当烦人。

1745年，荷兰莱顿大学教授穆森布洛克（PetrusvanMusschenbrock，1692-1761），根据克莱斯特（E.G.Kleist,1700-48）发明的储电器，发表了「莱顿瓶」。

这也是一个玻璃瓶，内外壁上各贴一圈锡箔纸。

内壁可以「充电」（把摩擦来的电碰触而输进去），这些电很久都不会跑掉。

如果用两根金属线，把内外相连，两金属线的缝隙中就可以产生火花。

今日来看，「莱顿瓶」不过是个简单的电容器，但当时极受欢迎。

瓶子越做越大，火花也更壮观。

可是，电到一下可不是好玩的（也有人特意去尝一下被电的滋味）。

这可以说这是人类驯服电的开始（姑且不算巴比伦），但也开始领教了电的威力。

十八世纪初，美国还是欧洲的化外之地，文化落后，更无所谓科学。

波士顿的一个做肥皂与蜡烛的工匠，十七个子女中的第十个，自学有成，文采斐然。

与欧洲，特别是英国的科学家，保持通信。

他从英国进口仪器开始，研究电学而成名，到后来被英国皇家学院选为院士。

在美国的独立革命中，他以著名科学家的身份，出使法国，立下大功。

也在独立宣言（1776）上签名，成为美国的开国元勋之一。

他就是鼎鼎大名的富兰克林（BenjaminFranklin，1709-1790）。

1752年，他在大雷雨中放风筝，把天上的电，收到莱顿瓶中。

从此证明了天上的电，与摩擦出来的电是一样的；一般人所怕的雷，声势吓人，其实并不可怕，伤人破屋的是电。

进一步，他就发明了避雷针：

建筑物上装一根金属针，通到地下，屋中的人就不怕雷了，因为电就会被导入地下。

（新英格兰有一教堂中的牧师，认为避雷针保护好人，也保护坏人，有碍上帝的意旨，故在讲道中大加谴责。

不料没几天，教堂受到雷击，塌了一角，只好也装上避雷针。

）此外，他注意到了两种电有相互扺消的现象，所以他建议把「玻璃电」与「树脂电」改名为「正电」与「负电」（模拟于正数与负数之相互扺消）。

富兰克林的正负电命名，沿用至今，但是却有些不幸。

因为常用的金属导线中流动的都是电子，而电子上所带的电，却被命名为负电。

以致电线中的电流若是向左，其中电子其实是向右跑。

「正数与负数之相互扺消」这事中，含有量的关系（3,-3可以相消，3,-2就消不干净。

）「电荷量」之测定，却要归功于法国人库伦（CharlesAugustinCoulomb,1736-1806）。

（也有人得到类似的结果，但以他的发表最早，影响也最大。

）

库伦出身兵工军官，早年在中美洲驻扎时，把身体搞坏，回国做研究。

法国大革命（1789）后退隐家园。

他发现了用细长绳索吊挂一根细棍，细棍两端对称以维持水平。

两端若受水平方向之微力，则以的绳索之扭曲以平衡之。

这「扭称」（torsionbalance）可以做很精准的力的测量（至今尚是的测量微小力的最精准工具，但这种实验都是很难做的）。

在1785-91年间，他用这工具，反复测量，终于发现了库伦定律:

电荷与电荷之间，同性相斥，异性相吸。

其力之方向在两电荷间之联机上。

其大小与电荷间之距离之平方成反比，而与两电荷量之大小成正比。

这是电学以数学来描述的第一步。

请注意：

（1）此定律用到了牛顿之力之观念。

（若无牛顿对力之阐述，很难想象此定律是何形式）。

这成了牛顿力学中一种新的力。

其与牛顿万有引力有相同之处，如：

与距离之平方成反比；亦有不同，如：

可以相吸，亦可以相斥。

（2）这定律成了「静电学」（即电荷静止时之各种现象）之基础。

如今所有电磁学，第一个课题必然是它。

（3）这也是电荷单位的来源。

例如：

两个相同之电荷，相距一公尺，若其相斥之力为「若干」时，称之为一单位。

原理上，这「若干」可以任意选定，所以电荷单位有好几种。

但今日「公制」（MKSA）的做法，却是先决定电流单位「安培」（理由见后），再以一安培之电流一秒中的累计量为一「库伦」，再间接决定这「若干」=9×109牛顿。

（4）这9×109牛顿，相当于九十万公吨的重力──静电力强大的可怕。

虽然也可以说一库伦的电荷太大，但无论如何，正负电相消的趋势是很强的。

日常的物体中，虽然电荷很多，但几乎都抵消的干干净净，呈现电中性的状态。

必须花功夫（如摩擦）才能使其呈现带电状。

而且，一不小必就又跑去中和掉，所以难以驾驭。

因此，虽然库伦定律描述电荷静止时的状能十分精准，单独的库伦定律的应用却不容易。

以静电效应为主的复印机，静电除尘、静电喇叭等，发明年代也在1960以后，距库伦定律之发现几乎近两百年。

我们现在用的电器，绝大部份都靠电流，而没有电荷（甚至接地以免产生多余电荷）。

也就是说，正负电仍是抵消，但相互移动。

──河中没水，不可能有水流；但电线中电荷为零，却仍然可以有电流！

3、从伏特电池、安培定律到电报、电话：

雷雨时的闪电，或莱顿瓶的火花放电，都是瞬间的事。

电虽然在动，但是太快了，很难去研究电流的效果。

电池可以供应长时间的电流（直流电）。

因此，电池的发明是电磁学上的大事。

──这也就是为什么巴比伦电池这样令人惊讶。

十八世纪欧洲人到处掠夺殖民地。

当时也没有什么保护生态观念，殖民地出产的珍禽异兽，一股脑捉回家去。

亚马逊河出产一种电鱼，能发出瞬间强电，电晕小动物。

当然，电鱼也被捉回了欧洲。

这引起了不少人研究「动物电」的兴趣，也就是动物的身体如何发电。

1780年，意大利波隆大学教授加凡尼（LuigiGalvani,1737-1789）发现了用电击死蛙之腿，可引起抽动。

而蛙腿夹在不同金属（如铜、锌）间则可发出电来。

与他认为这是「动物电」效果。

1793年，加凡尼的朋友，比萨大学教授伏特（AlexandroG.A.A.Volta,1745-1827）把一块锌板，一块铜板放到舌头上下，而用铜丝将两板连结，他发觉舌头会感到咸味，而铜丝中有电流现象（如:

可使蛙腿抽动）。

但不久他发觉这与「动物电」无干，因为若不用舌头，而用一片浸过碱水的纸板夹在铜、锌之间，也可生电流。

而且，如果用多重的锌、纸、铜、锌、纸、铜、…，会得到更明显的电流（蛙腿抽动不止）。

──这就是最早（如果不算巴比伦）的电池（碱性电池）。

有了稳定的电源，电流的研究与应用才能展开。

电压单位伏特（volt）就是因纪念他的功劳而命名的。

这种「伏特堆」（Voltaicpile），很快被人仿效，越做越大（可以表演连续火花），以后又有人加以改良，越做越精致。

──直到现在，改良电池还是一门专业的学问。

在伏特电池发明后没多久，就有人发现电流可以从溶液中通过。

1800年，英国WilliamNicholson（1753-1815）与AnthonyCarlisle（1768-1840），发现了电解现象，例如水可以被通过的电流被分解为氢与氧。

此为电在化合中作用之线索，亦为电解、电镀之原理。

但是把电镀技术改善到可以应用，则要到1835年的德国人西门子（ErnstW.Siemens，1816-1892，其弟William,后来成为英国爵士，兄弟创办「西门子」公司，至今尚存。

）──巴比伦的镀金物如果真是四千年前的电镀做成的，实在令人惊叹。

然而，怎样「定量」（测定电流的大小），还是不容易，当时有人想了各种方法（如利用电线之发热），又难又不准。

电与磁之间，很早便被认为有些关连。

记载中，有一间铁铺被雷电击中，铺中铁器都生了磁性。

十八世纪以后，很多人在研究放电现象时，都注意到附近的磁针会动。

1820年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯特（H.C.Oersted,1777-1851）在演讲时表演电流生热，发现一根导线中的电流，会使附近的磁针偏向垂直方向，也就是电流可以产生「磁力」；越大的电流