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高中物理电磁学

作者: 2022-06-08 11:17 来源:南宁编辑
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电磁学(electromagnetism)是研究电磁力(电荷粒子之间的一种物理性相互作用) 的物理学的一个分支。电磁力通常表现为电磁场,如电场、磁场和光。电磁力是自然界中四种基本相互作用之一。其它三种基本相互作用是强相互作用、弱相互作用、引力。电学与磁学领域密切相关。电磁学可以广义地包含电学和磁学,但狭义来说是探讨电与磁彼此之间相互关系的一门学科。

电磁力在决定日常生活中大多数物体的内部性质中发挥着主要作用。常见物体的电磁力表现在物体中单个分子之间的分子间作用力中。电子被电磁力束缚在原子核周围形成原子,而原子之间则因电磁力形成化学键,进而构成分子。化学反应是由分子之间临近原子的电子之间发生的相互作用而产生,这也可由电磁力来解释。

电磁场有很多种数学描述。在经典电磁学中,电场用欧姆定律中的电势与电流描述,磁场与电磁感应和磁化强度相关,而麦克斯韦方程组描述了由电场和磁场自身以及电荷和电流引起的电场和磁场的产生和交替。电磁学理论意义,特别是基于“媒介”中的传播的性质(磁导率和电容率)确立的光速,推动了1905年阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论的发展。

虽然电磁力被认为是四大基本作用力之一,在高能量中弱力和电磁力是统一的。在宇宙的历史中的夸克时期,电弱力分割成电磁力和弱力。

历史背景

静电和静磁现象很早就被人类发现,由于摩擦起电现象,英文中“电”的语源来自希腊文“琥珀”一词。

远在公元前2750年,古埃及人就已经知道发电鱼(electric fish)会发出电击。这些鱼被称为“尼罗河的雷使者”,是所有其它鱼的保护者。大约两千五百年之后,希腊人、罗马人,阿拉伯自然学者和阿拉伯医学者,才又出现关于发电鱼的记载。古代罗马医生Scribonius Largus也在他的大作《Compositiones Medicae》中,建议患有像痛风或头疼一类病痛的病人,去触摸电鳐,也许强力的电击会治愈他们的疾病。阿拉伯人可能是最先了解闪电本质的族群。他们也可能比其它族群都先认出电的其它来源。早于15世纪以前,阿拉伯人就创建了“闪电”的阿拉伯字“raad”,并将这字用来称呼电鳐。

在古希腊及地中海区域的古老文化里,很早就有文字记载,将琥珀棒与猫毛摩擦后,会吸引羽毛一类的物质。公元前600年左右,古希腊的哲学家泰勒斯(Thales, 640-546B.C.)做了一系列关于静电的观察。从这些观察中,他认为摩擦使琥珀变得磁性化。这与矿石像磁铁矿的性质迥然不同;磁铁矿天然地具有磁性。泰勒斯的见解并不正确。但后来,科学会证实磁与电之间的密切关系。

近代研究

1600年英国医生威廉·吉尔伯特发表了《论磁、磁饱和地球作为一个巨大的磁体》(Demagnete,magneticisque corporibus et de magnomagnete tellure)。他总结了前人对磁的研究,周密地讨论了地磁的性质,记载了大量实验,使磁学从经验转变为科学。书中他也记载了电学方面的研究。然而真正对电磁现象的系统研究则要等到十七世纪以后,并且静电学的研究要晚于静磁学,这是由于难以找到一个能产生稳定静电场的方法,这种情况一直到1660年摩擦起电机发明后才开始改变。十八世纪以前,人们一直采用这类摩擦起电机来产生研究静电场,代表人物如本杰明·富兰克林,人们在这一时期主要了解到了静电力的同性相斥、异性相吸的特性、静电感应现象以及电荷守恒原理。

静电学和库仑定律

库仑定律是静电学中的基本定律,其主要描述了静电力与电荷电量成正比,与距离的平方反比关系。人们曾将静电力与在当时已享有盛誉的万有引力定律做类比,发现彼此在理论和实验上都有很多相似之处,包括实验观测到带电球壳内部的球体不会带电,这和有质量的球壳内部物体不会受到引力作用(由牛顿在理论上证明,是平方反比力的一个特征)的情形类似。其间苏格兰物理学家约翰·罗比逊(1759年)和英国物理学家亨利·卡文迪什(1773年)等人都进行过实验验证了静电力的平方反比律,然而他们的实验却迟迟不为人知。

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