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1、 閩江學(xué)院 本科畢業(yè)論文(設(shè)計) 題 目 電磁學(xué)現(xiàn)象及規(guī)律探究的概述 學(xué)生姓名 學(xué) 號 120071001137 系 別 物理學(xué)與電子信息工程系 年 級 2007級 專 業(yè) 物理學(xué) 指導(dǎo)教師

2、職 稱 講 師 完成日期 2010.11.01－2011.5.20 摘要 隨著科技日新月異的發(fā)展，電磁學(xué)走上歷史舞臺扮演著不可或缺的角色，它的應(yīng)用已如舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家。本文基于向讀者描述傳統(tǒng)電磁學(xué)的基本內(nèi)容，致力于對基本概念和基本規(guī)律的闡述。本文順著從電現(xiàn)象引出電磁學(xué)規(guī)律的主線，從庫倫定律發(fā)現(xiàn)后為研究方便引入電場和磁場概念講到電磁波，著重概述電磁學(xué)的基礎(chǔ)現(xiàn)象和規(guī)律，并根據(jù)本人的理解向讀者講述電磁學(xué)的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：電磁學(xué) 電場 磁場 電磁

3、波 目錄 引言 ……………………………………………… 6 一、靜電場 1.庫倫定律 ……………………………………………… 7 2.電場 …………………………………………………… 7 二、磁場 1.奧斯特實驗 ………………………………………… 9 2.安培環(huán)路定理………………………………………… 10 3.通電螺線管上的磁場………………………………… 11 4.載流線圈的磁場……………………………………… 12 5.電磁感應(yīng)現(xiàn)象……………………………………

4、…… 12 6.楞次定律……………………………………………… 14 三、塞曼效應(yīng) 1.正常塞曼效應(yīng)………………………………………… 15 2.反常塞曼效應(yīng)………………………………………… 16 四、電磁波 1.麥克斯韋方程組……………………………………… 17 2.平面電磁波…………………………………………… 19 3.可見光（光波）……………………………………… 19 電磁學(xué)的應(yīng)用 總結(jié) 注釋 ……………………………………………………… 22 參考文獻(xiàn)……………………………………………………

5、… 23 致謝 ………………………………………………………… 24 引言 研究物質(zhì)規(guī)律的物理在生活中扮演著一個及其重要的角色，清晨當(dāng)邁出你的第一步時你是否考慮到物理已經(jīng)和你接觸了呢？物理伴隨著生活的每一步，深入生活的每一個角落。物理中每一個規(guī)律的發(fā)現(xiàn)都是歷史·輝煌的見證，它們指引著人類認(rèn)識自然認(rèn)識世界的步伐，將我們引向那充滿幻想的世界。而眾多物理規(guī)律中有一類規(guī)律把我們的距離拉近了，曾今的一封信讓我心急如焚，可如今即使天涯海角，思時也無非咫尺，這就是電磁學(xué)規(guī)律的一個重要應(yīng)用，應(yīng)用于廣泛的通信！ 電磁學(xué)規(guī)律的應(yīng)用

6、還不僅限于通信，它有這更廣闊的應(yīng)用范圍，它給生活帶來了福音，給世界帶來了交響曲，然而在尋找這些電磁學(xué)規(guī)律中物理學(xué)家們卻是歷盡千辛萬苦。今天讓我們暢游在漫漫的反思中。 電磁學(xué)是研究電、磁和電磁的相互左右的現(xiàn)象，及其規(guī)律和應(yīng)用的物理學(xué)分支的學(xué)科。它是物理學(xué)的一個分支。廣義的電磁學(xué)可以說是包含電學(xué)和磁學(xué)，但狹義來說是一門研究電性和磁性交互關(guān)系的學(xué)科，本文也將重點從電與磁之間的關(guān)系找出電磁學(xué)規(guī)律。 從狹義的觀點上看，電、磁兩種現(xiàn)象本是認(rèn)為是獨立無關(guān)的兩門學(xué)科，當(dāng)然很多因素也關(guān)于磁學(xué)本身的發(fā)展和應(yīng)用，正如近代磁性材料和磁學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種此現(xiàn)象和磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用等等，使得磁學(xué)的范圍不段的擴張，這樣

7、到目前磁學(xué)的范圍就已經(jīng)足夠另立門戶，成為一門獨立的學(xué)科也是理所當(dāng)然，所以實際中已經(jīng)將電磁學(xué)作為一門與電學(xué)平起平坐的學(xué)科來研究了。 從廣義上認(rèn)識，根據(jù)近代物理學(xué)的觀點，磁的現(xiàn)象是由運動電荷（電流）所產(chǎn)生的，因而在電學(xué)的范圍內(nèi)必然不同程度地包含磁學(xué)的內(nèi)容，所以電磁學(xué)和電學(xué)的內(nèi)容很難截然區(qū)分開來，二者并沒有太明顯的界限，甚至有時也將電磁學(xué)簡稱為電學(xué)。磁學(xué)主要研究電磁波、電磁場以及有關(guān)電荷、帶電物體的電力學(xué)等等。這樣電磁學(xué)的規(guī)律的電學(xué)的發(fā)展，同時我認(rèn)為又電學(xué)引出電磁學(xué)的分水嶺在于法拉第的電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，讓我們來了解一下如何從簡單的電現(xiàn)象引出電磁學(xué)的規(guī)律。

8、 一、靜電場 （一） 庫倫定律 欲從電學(xué)中找到電磁學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，首先我們得先從電現(xiàn)象入手，找到電學(xué)中動力學(xué)關(guān)系和磁動力關(guān)系就不難知道電與磁之間存在著怎么的關(guān)系。讓我們認(rèn)識一下庫倫定律，了解兩點電荷之間的關(guān)系，庫侖定律： （圖1-1） 是電磁場理論的基本定律之一。真空中兩個靜止的點電荷之間的作用力與這兩個電荷所帶電量的乘積成正比，和它們距離的平方成反比，作用力的方向沿著這兩個點電荷的連線,同名電荷相斥，異名電荷相吸。公式： F=k*(q1*q2)/r^2 （式1-1） 其中F是兩

9、點電荷之間所受的庫倫力，k是比例常數(shù)，q1、q2分別代表兩點電荷所帶的電荷量，r是兩點電荷的距離。[4][8] （二）電場 在很多沒有直接接觸的力現(xiàn)象中力的相互作用需要有介質(zhì)的存在，例如馬拉車，馬能拉動車肯定少不了繩子的存在，只有將馬和馬車栓在一起才能使馬在奔跑中帶動馬車。再如聲音的傳播，我們聊天時雖然對方并沒有將聲帶直接貼在我們的耳朵上，但我們能聽到對方的聲音，這是因為有空氣介質(zhì)的存在。加入我們生活的空間沒有空氣的存在，那么所謂的聊天只能看到對方嘴唇的動作，并不能聽到聲音……但剛才說過的例子中q1、q2明顯沒有直接接觸，又似乎沒有介質(zhì)的存在，那么q1、q2之間存在的庫倫力又是怎樣傳遞的呢

10、？歷史上對這個問題有很多爭論，一類人認(rèn)為這種力并不需要介質(zhì)的存在就可以之間傳遞，甚至更不需要時間，不受時間的限制，力的作用就能從一個物體直接傳遞到另一個物體上。另一種觀點認(rèn)為空間中存在著科學(xué)家還未發(fā)現(xiàn)的彈性物質(zhì)——“以太”，電場力就是通過“以太”來傳遞的。這些觀點都被近代物理學(xué)家所否認(rèn)并引入電場。而且還將點電荷在電場中受到的力F與電荷量q0的比值稱為電場強度，用字母E來表示： E=F/q0 以下是幾種電荷模型的電場分布： 正點電荷

11、 負(fù)點電荷 等量異種電荷 （圖1-2） 更多的電磁分布這里就不再多舉。[4] 二、磁場 我們現(xiàn)在先來看看以下實驗現(xiàn)象： （圖2-1） 本實驗的原理圖如上圖所示，其中深黑色的直導(dǎo)線是原來的導(dǎo)線，就是還沒通電時的導(dǎo)線，灰色的導(dǎo)線是通有電流后導(dǎo)線原導(dǎo)線移動的位置。如上圖，在導(dǎo)線中通有電流大小為I的電流，這樣導(dǎo)線的位置就會發(fā)生改變，當(dāng)電流的方向時導(dǎo)線互相吸引，電流方向

12、相反時導(dǎo)線互相排斥，牛頓第二定律告訴我們，當(dāng)物體狀態(tài)發(fā)生改變時肯定要受到外力的作用，導(dǎo)線從原來的靜止?fàn)顟B(tài)開始運動，使得導(dǎo)線的形狀發(fā)生改變，這說明導(dǎo)線受到力的作用，問題就產(chǎn)生了，導(dǎo)線明顯受到了力的作用，那通電導(dǎo)線中相互間的作用力從何而來？以下將對這個問題進(jìn)行簡易的解釋。 （一）奧斯特實驗 庫倫定律說明了兩點電荷之間存在著相互作用，在這基礎(chǔ)上物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)帶電物體接觸磁場時也能產(chǎn)生力的作用，說到這就少不了說奧斯特實驗了，奧斯特實驗說明了通電導(dǎo)線與磁性物質(zhì)之間存在著力的作用，奧斯特是丹麥的科學(xué)家，他在1820年4月的一節(jié)課中，他講授了電與磁的課程，他做了一個實驗中無意發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象：通電鉑

13、絲擾動玻璃罩內(nèi)的指南針，雖然效應(yīng)很弱，看上去也很不規(guī)則，但奧斯特卻對這種無意間發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象產(chǎn)生濃厚的興趣，在課后他進(jìn)行了大量的電池反復(fù)做了同樣的實驗對自己的假設(shè)進(jìn)行驗證。奧斯特在做實驗時還在磁針與導(dǎo)線間放入玻璃、金屬、木頭等物質(zhì)，然而磁針的偏轉(zhuǎn)并不因此減弱或者消失[8]，他的實驗可以如下概述： (圖2-2） 上圖是奧斯特實驗的簡易實驗圖，導(dǎo)線中通有大小為I的電流，在導(dǎo)線旁放一個小磁針，眾所周知磁針在地磁場的作用下沿南北取向，但磁針在電流的作用下會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，說明磁針與導(dǎo)線間存在著力的作用。當(dāng)斷開電源時磁針重新南北指向，這個實驗中的單一變量是導(dǎo)體是否通電，這樣我們就能很

14、明確的得到一個結(jié)論：通電導(dǎo)體對磁性物質(zhì)有力的作用。這樣就能說明通電導(dǎo)體不僅能產(chǎn)生電場，它也能產(chǎn)磁性質(zhì)，并又此產(chǎn)生的磁場使奧斯特實驗中的磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。[5] 也像電荷一樣奧斯特實驗中通電導(dǎo)線和磁針之間并沒有直接的接觸，他們之間又是以什么形式傳遞力的作用呢？與電荷之間的作用力一樣，磁性物質(zhì)周圍也存在場的性質(zhì)，所以物理學(xué)家引入的磁場的概念，并以字母B代表磁場強度。這樣就不難解釋圖二所示實驗中產(chǎn)生的現(xiàn)象，通電導(dǎo)線能產(chǎn)生磁場，實驗中兩導(dǎo)線所通電流方向相同時產(chǎn)生的磁場使得兩導(dǎo)線互相吸引，相反當(dāng)電流的方向相反時產(chǎn)生的磁場使得兩導(dǎo)線互相排斥，圖二中的第一個實驗就是因為導(dǎo)線通的電流相同導(dǎo)線互相吸引，最后

15、出現(xiàn)的現(xiàn)象必然是兩導(dǎo)線同時向內(nèi)彎曲，第二個實驗磁場間的相互作用使得導(dǎo)向向外彎曲！ （二）安培環(huán)路定理 由奧斯特實驗得到了驚人的結(jié)論，那么通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場又是怎樣的呢？這個問題我們讓安培我們解答：安培知道奧斯特的發(fā)現(xiàn)時非常驚訝，他注意到了這個發(fā)現(xiàn)的重要性，立刻對電流間的作用進(jìn)行了精密的研究，他發(fā)現(xiàn)圖2-3所示實驗現(xiàn)象，他便由此猜想到所有的磁性都能用電流置換[5]。 隨后安培便花了大量的時間研究導(dǎo)體中電流所產(chǎn)生磁場的性質(zhì)。這里我們?nèi)『唵蔚囊粋€種模型（通電直導(dǎo)線）為例，許多實驗證實了通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場如圖。 （圖2-3）

16、 以上就是安培環(huán)路定理，磁場的方向應(yīng)服從右手螺旋定則[4]：手握導(dǎo)線，大拇指指向電流方向，那么其余四個手指的環(huán)繞方向就是磁場的方向，而且在這種簡單的模型中產(chǎn)生磁場的強度還滿足公式： （式2-1） 注：② （三）通電螺線管上的磁場 現(xiàn)在我們來討論一下通電螺線管，我記得初中我們學(xué)到電磁感應(yīng)現(xiàn)象的時候就是通過通電螺線管來說明的，下圖就是一個通電螺線管： （圖2-4） 根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的原理，我們不難理解通電螺線管周圍會有磁場的存在，如上圖在軟鐵上

17、繞有導(dǎo)線，并在導(dǎo)線中通有電流大小為I的電流，在螺線管中磁場的方向同樣服從右手定則，將右手的四個手指彎曲并指向電流環(huán)繞的方向，那樣大拇指所指向的方向就是磁場的方向。當(dāng)然在這種情況中如果要求場強的大小還需知道軟鐵的性質(zhì)，本文不在這里做解釋[4]。 （四）載流線圈的磁場 下面我們來看看通電線圈中磁場的方向是如何的，下面是通電導(dǎo)線圈的模型： （圖2-5） 如上圖，導(dǎo)線圈中通有電流的大小為I，這種模型服從右手螺旋定則，將右手的四只手指指向電流方向沿線圈環(huán)繞，右手大拇指伸直，大拇指指向的方向就是磁場的方向，上圖模型的磁

18、場方向如上圖所示。這種情可以當(dāng)做簡單的通電螺線管來理解，通電螺線管中線圈的匝數(shù)較多，而本模型中可以認(rèn)為是線圈匝數(shù)為一的通電螺線管[4]。 （五）電磁感應(yīng)現(xiàn)象 上述內(nèi)容能很清楚的知道通電導(dǎo)體能產(chǎn)生磁場，我們能不能根據(jù)以上結(jié)論做一個假設(shè)呢？我們假設(shè)磁場也可能產(chǎn)生電流或者電動勢。帶著這個問題我們訪問法拉第任何認(rèn)識這個問題的。 法拉第是英國著名的物理學(xué)家和化學(xué)家。他發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，這在物理學(xué)上起著很重要的作用。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指放在變化磁通量中的導(dǎo)體，會產(chǎn)生電動勢。此電動勢稱為感應(yīng)電動勢或者感生電動勢，若將此導(dǎo)體閉合成一回路，則該電動勢會驅(qū)使電子流動，形成感應(yīng)電流（感生電流）。電磁感應(yīng)現(xiàn)象

19、不止揭示了電與磁的內(nèi)在聯(lián)系，而且為電與磁之間的相互轉(zhuǎn)化奠定了實驗基礎(chǔ)。以下為感生電動勢的普適公式。 E＝nΔΦ/Δt (式2-2-1) 其中E代表的是感應(yīng)電動勢，n是螺線管的匝數(shù)，是磁通量的改變量，是時間的改變量。其中螺線管中的電流方向我們可以根據(jù)右手螺旋定則將其判斷出來： （圖2-6） 將右手握住螺線管并使得右手的大拇指向磁場的方向，那么四肢手指環(huán)繞的方向就是電流的流向。 電磁感應(yīng)現(xiàn)象告訴我們變化磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，坦若我們所選擇的導(dǎo)體是一個閉合回路，所產(chǎn)生的感應(yīng)電流

20、的方向又該是如何呢？讓我們做一下這個簡單的實驗，實驗原理圖如下圖所示： （圖2-7） 其中ABCD是閉合回路，AB間接有一個靈敏電流表，CD是靈活邊，并以（可變化）的速度向右運動，勻強磁場的方向大小也如圖所示。當(dāng)=0的時候靈敏電流表沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)不等于0的時候電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即在閉合線圈ABCD中產(chǎn)生感應(yīng)電流。CD邊滑動得越快，靈敏電流表的偏轉(zhuǎn)角度也越大，即感應(yīng)電流越大。當(dāng)CD邊朝反向運動時，感應(yīng)電流的方向也相反。大量的實驗同樣驗證著導(dǎo)線切割磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向必服從左手定則，將左手?jǐn)傞_大拇指指著導(dǎo)線的運動方向，讓

21、磁感線穿過手心，四個手指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向。（注：⑤） 前面我們所接觸到的式2-2-1是在特殊情況下才能適用，但在一般情況下必須使用普適方程[9]： （式2-2-2） （六）楞次定律 說到感應(yīng)電流的方向就少不了介紹楞次定律的介紹， （圖2-8） 上圖是把磁棒的N極插入線圈和從線圈中拔出的實現(xiàn)，實驗中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向也標(biāo)在圖中。作圖所示是將磁棒插入線圈的情況，磁棒的感應(yīng)線方向朝下，很明顯的當(dāng)磁棒插入過程中的向下的磁通量增加。根據(jù)右手定則可知，這時感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場方向朝上，其作用相當(dāng)于阻礙磁通量的增加。

22、在右圖所示的N極拔出的情況中，穿過線圈向下的磁通量明顯減少，而這時感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場的方向是向下的，其作用相當(dāng)于阻礙磁通量的減少，在其他實驗中也可以發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律，所以我們可以得到這樣的結(jié)論：閉合回路中的感應(yīng)電流的方向，總是使得它所激發(fā)的磁場來阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。這個結(jié)論叫做楞次定律。 在以上導(dǎo)體切割磁感線的實驗中，我們也能用楞次定律來判斷出感應(yīng)電流的方向。 （圖2-9） 當(dāng)CD的速度=0時，由于磁場是一定的，所以這種情況下沒有磁通量的變化，這樣靈敏電流表自然不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因為沒有感應(yīng)電流的產(chǎn)生，不等于0卻CD向右運動時，閉合回路中垂直紙面向上

23、的磁通量不斷增加，根據(jù)楞次定律閉合回路ABCD所產(chǎn)生的感應(yīng)電流必然要激發(fā)垂直紙面向里的磁通量來阻礙磁通量的變化，這與左手定則相吻合。同樣，當(dāng)CD向左運動時，垂直紙面向外的磁通量不斷減少，由此產(chǎn)生的感應(yīng)電流也激發(fā)垂直紙面向里的磁通量來阻礙磁通量的變化。 三、塞曼效應(yīng) （一）正常塞曼效應(yīng) 電子的發(fā)現(xiàn)，使電磁學(xué)和原子與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論結(jié)合了起來，洛倫慈的電子論把物質(zhì)的宏觀電磁性質(zhì)歸結(jié)為原子中電子的效應(yīng)，統(tǒng)一地解釋了電、磁、光現(xiàn)象。洛倫茲認(rèn)為電具有“原子性”，電的本身是由微小的實體組成的，后來這些微小的實體被稱為電子，他以電子的概念為基礎(chǔ)來解釋物質(zhì)的電性質(zhì)，從電子論推導(dǎo)出運動電荷在磁場中要

24、受到力的作用，既洛倫茲力。他把物體的發(fā)光解釋成原子內(nèi)部電子的震動產(chǎn)生的，所以當(dāng)光源放在磁場中時，光源的原子內(nèi)電子的震動將發(fā)生改變，使得電子的震動頻率增大或者減小，導(dǎo)致光譜線的增寬或分裂，之后洛倫茲的學(xué)生塞曼發(fā)現(xiàn)了塞曼效應(yīng)，證實了洛倫茲的預(yù)言，塞曼與洛倫茲共同獲得1902年的諾貝爾物理學(xué)獎。 塞曼效應(yīng)是指磁場中的光源發(fā)出的光譜線分裂成幾條譜線的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就是光源中的電子與磁場發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象，塞曼效應(yīng)可分為正常與非正常塞曼效應(yīng)，本文簡單介紹一下正常塞曼效應(yīng)，它指的是光源中一條譜線在外磁場的作用下一分為三，彼此間隔相等。而這種現(xiàn)象只能再原子中電子數(shù)目為偶數(shù)并形成獨態(tài)的原子時，才能有正

25、常的塞曼效應(yīng)。在這里本文用鎘原子為例，鎘的643.847nm譜線是躍遷的結(jié)果，這里共有九個躍遷，鎘原子正常塞曼效應(yīng)的原子中的電子躍遷如下圖： （圖3-1）塞曼效應(yīng) 根據(jù)以上電子躍遷圖，塞曼得到了鎘原子的三條正常塞曼效應(yīng)的譜線。 (式3-1) 這比表明了當(dāng)一條譜線在磁場的作用下分裂成三條譜線，譜線間的間隔相等，而已這個間隔等于時的現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)[2]。 （二）反常塞曼效應(yīng) 1897年12月，普雷斯頓報告說，在很多實驗實例中，塞曼分裂的數(shù)目可以不是三個，數(shù)

26、目也不盡相同。在以后近三十年內(nèi)，雖經(jīng)許多人的嘗試但一直未能得到很合理的解釋，從而被稱為反常塞曼效應(yīng)。后來這些疑問在電子自旋假設(shè)的提出后迎刃而解。 我們現(xiàn)在來分析一下鈉主線的塞曼分裂，鈉是單電子體系，所以對原子磁矩產(chǎn)生主要貢獻(xiàn)的是單個電子，黃色雙線是2P1/2，3/2 2S1/2之間躍遷的結(jié)果,這就是一種反常塞曼效應(yīng)的結(jié)果。 （圖3-2）鈉原子的反常塞曼效應(yīng) 上圖為鈉原子在磁場中的反常塞曼效應(yīng)的譜線分裂圖，分裂譜線相應(yīng)的頻率為[2] （式3-2） （式3-3） 注： ① 我們可以從

27、圖3-2中看出：鈉D線中的589.6nm譜線分裂成四條而不是三條，而且兩相臨譜線的間距是不一樣的。589.0那條譜線分列成六條，這六條譜線的間距倒是一樣的。這兩種分裂在原來譜線的位置上不再出現(xiàn)譜線，這些情況不像正常塞曼效應(yīng)所描述的。[2] 四、電磁波 電與磁的關(guān)系已經(jīng)在上述文章中得到了充分的確立，撲嗍迷離的電磁學(xué)使得眾多物理學(xué)家對電與磁之間的關(guān)系產(chǎn)生了極大的興趣，他們也為物理學(xué)做出了杰出的貢獻(xiàn)。 電磁學(xué)從原來的兩門相互獨立的兩門科學(xué)（電學(xué)和磁學(xué)）發(fā)展成為物理學(xué)中一個完整的分支學(xué)科，主要是基于兩個重要的試驗發(fā)現(xiàn)，即電流的磁效應(yīng)和變化磁場的電效應(yīng)。這兩個試驗現(xiàn)象加上麥克斯韋關(guān)

28、于變化電場產(chǎn)生磁場的假設(shè)，奠定了電磁學(xué)的整個理論體系，發(fā)展了對現(xiàn)代文明氣重大影響的電工和電子技術(shù)。但是電磁學(xué)的規(guī)律并非到這里就結(jié)束了，本節(jié)說道麥克斯韋公式的時候也簡單的提到了電磁波，以下將對電磁波進(jìn)行簡單的說明。 （一）麥克斯韋方程組 同時磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象的這種緊密緊密聯(lián)系在一起關(guān)系不止以上想象在說明著，這種關(guān)系也可以從麥克斯韋方程中就能看出：麥克斯韋的渦旋電場和位移電流假說的核心思想是：變化的電場可以激發(fā)渦旋磁場；電場和磁場不是彼此孤立的，他們相互聯(lián)系相互激發(fā)組成一個統(tǒng)一的電磁場。麥克斯韋進(jìn)一步將電場和磁場的所有規(guī)律綜合起來，建立了完整的電磁場理論體系。這個理論體系就是所謂的麥克斯

29、韋方程組。這樣電磁現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的關(guān)系變得更難區(qū)分開來。 麥克斯韋電磁理論的重大意義，不僅在與這個理論支配著一切宏觀電磁現(xiàn)象（包括靜電、穩(wěn)恒磁場、電磁感應(yīng)、電路、電磁波等等），而且在與它將光學(xué)現(xiàn)象統(tǒng)一在這個論論框架之內(nèi)，深刻地影響著人們認(rèn)識物質(zhì)世界的思想。麥克斯韋方程組在電磁學(xué)中的地位如同牛頓運動定律在經(jīng)典力學(xué)中的地位一樣。以麥克斯韋方程組為核心的電磁學(xué)理論，是經(jīng)典物理學(xué)最引以自豪的成就之一，它揭示了電磁相互作用的完美統(tǒng)一，給整個物理學(xué)樹立了這樣的一個信念：物質(zhì)的各種相互作用在更高層次上應(yīng)該是統(tǒng)一的。這樣，這個理論就可以廣泛的應(yīng)用到技術(shù)領(lǐng)域。 麥克斯韋方程組的完美是令人震驚的，它融合了高斯定

30、律和安培定律，也就因為這個方程組完美統(tǒng)一了電磁場，讓愛因斯坦始終想以同樣的方式統(tǒng)一引力場，并把宏觀與微觀兩種力整理在同一個方程組中：既著名的“大統(tǒng)一理論”。然而愛因斯坦走到人生的終點也沒有完成這個歷史使命。 麥克斯韋方程組是麥克斯韋在十九世紀(jì)的描述電場與磁場的四個基本方程。該方程組完整的概括了電磁場的基本規(guī)律，并預(yù)言了電磁波的存在。以下方程組為麥克斯韋方程組的微分形式。 （式4-1） 以下方程組是麥克斯韋方程組的積分形式。 （式4-2） 注：③ 電與磁之間的相互感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使得科學(xué)走

31、向了一個新的境界。在麥克斯韋方程組的帶領(lǐng)下科學(xué)走上了新高潮，科學(xué)開拓了新領(lǐng)域，帶著我們不斷認(rèn)識自然認(rèn)知自我[3]。 （二）平面電磁波 電磁波有同相振蕩且相互垂直的電場和磁場在空間中以波的形式移動，且傳播方向總是垂直于電場和磁場構(gòu)成的平面，有效的傳遞能量和動量，其模型可見下圖。[6] （圖4-1）電磁波 結(jié)合上圖和麥克斯韋方程組我們可以很清楚的看出，電磁波是電磁場的一種運動形態(tài)，變化的電場會產(chǎn)生磁場（即電流產(chǎn)生磁場），變化的磁場產(chǎn)生電場，電場與磁場的能量交替轉(zhuǎn)換使得電磁波以一定速度向外傳播，而且在真空中的傳播速度為光速c（3.0*108米/秒）。變

32、化的磁場和變化的電場構(gòu)成了一個不可分離的電磁場，變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，也稱為電波。 電磁場是電場和磁場的相互結(jié)合體，顧名思義電磁波的傳播并不需要介質(zhì)的存在，但在介質(zhì)中傳播時同種頻率的電磁波，在不同的介質(zhì)中的傳播速度不一樣，而不同頻率的電磁波，在同一介質(zhì)中傳播時，頻率越大折射率也越大，而且速度越小[7]。由于機械波與電磁波一樣都具有波粒二象性（注：④），所以電磁波也具有機械波的性質(zhì)，例如：折射、反射、散射等等。 電磁波可以按照頻段分類，從低頻率到高頻率，包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線（倫琴射線）和伽馬射線等等。人眼所能接

33、受到電磁波的頻段，波長大約在380到780nm之間，稱為可見光（將在下一節(jié)簡單介紹可見光）。只要是本身溫度大于絕對零度的物體，都可以發(fā)射電磁輻射（紅外線），所以這個世界上不存在溫度等于或者小于絕對零度的物體。 （三）可見光(光波) 我們所見到的陽光其實是不同頻率光波的組合體，通常又按頻率將白光分成七個范圍，毛澤東詩詞中有這么一句話“赤橙黃綠青藍(lán)紫，誰持彩練當(dāng)空舞”其中的七種顏色說的就是白光中的七個范圍，不同頻率的光波給人眼的神經(jīng)的刺激是不同的，所以引起的顏色視覺也不同，這七個范圍內(nèi)的光波讓人大腦反應(yīng)出來的視覺是：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。各種單色光的中心頻率和顏色對應(yīng)的波長如下表

34、所示[7]： 顏 色 中心頻率/Hz 中心波長/nm 波長范圍/nm 紅 4.5 660 760-622 橙 4.9 610 622-597 黃 5.3 570 597-577 綠 5.5 550 577-492 青 6.5 460 492-450 藍(lán) 6.8 440 450-435 紫 7.3 410 435-390 表4-1 可見光具有一般波動現(xiàn)象的性質(zhì)，本文將對光的反射和折射進(jìn)行簡單的闡述。光的反射和折射現(xiàn)象滲透在我們的生活中，我們每天早晨起床后需要梳妝和整理著裝，這就需要鏡子

35、，而這個過程就是利用到了光的反射原理。 （1）反射：是指光在傳播到不同物質(zhì)時，在分界面上改變傳播方向又返回原來介質(zhì)中的現(xiàn)象。如下圖所示： （圖4-2）光的反射 如圖，垂直于分界面虛線叫做法線，法線是實際不存在但為了研究方便畫入研究圖的，它與入射光線以及反射光線在同一平面內(nèi)。在圖中法線與入射光線的夾角稱為入射角，如∠所示。則法線與反射光線的夾角稱為反射角，如∠所示。光的反射現(xiàn)象中存在反射角等于入射角[10]，即： ∠=∠（式4-3） （2）折射：是指光在傳播到不同介質(zhì)時，在分界面上光的傳播方向發(fā)生偏折的現(xiàn)象。我們就以光從空氣中傳播到水中為例，現(xiàn)象如下圖所示

36、： （圖4-3）光的折射 與反射現(xiàn)象一樣∠稱為入射角，但折射光線與法線的夾角∠稱為折射角，當(dāng)光線從空氣射入水時，只要入射光線不是垂直于水面，即∠00時就有入射角大于折射角[10]，即： ∠∠ （式4-4） 當(dāng)入射光線垂直射入水面時，則有反射角等于入射角，即： ∠=∠ （式4-5） 電磁學(xué)的應(yīng)用 電磁學(xué)在生活中的應(yīng)用及其廣泛，在引言中本文就提到電磁學(xué)的通信應(yīng)用，僅是通信就已經(jīng)將我們的生活煥然一新，可想而知它將如何改變我們的生活！

37、 通信：如今移動 已經(jīng)普及， 可以移動是在固定 上的一大跨越。原始固定 的基本原理：將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過導(dǎo)線（ 線、電纜等）輸送給對方，對方的機子再分析電信號，再把電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，最后傳入人的耳朵。在這個過程中影響 的方便性的關(guān)鍵就在于電信號的傳送，我們都知道電流的傳輸需要導(dǎo)體，離開傳輸線就難以實現(xiàn)通話。電磁學(xué)實現(xiàn)了這種難以實現(xiàn)，它將通話過程中的電信號用電磁波代替，這樣 就可以隨身帶，只要信號覆蓋得到地方就能實現(xiàn)隨時隨地通話！ 系懸浮列車：本文在講到磁場時我們就知道，在電磁學(xué)中當(dāng)通給兩個相互平行的線圈相互平行的電流時就相互吸引，電流方向

38、相反時就互相排斥，系懸浮列車就是將通有方向相反的線圈來減小阻力達(dá)到提高速度效果的。將不同方向線圈裝在軌道和列車上，列車就會懸浮起來，同樣，在列車和軌道的適當(dāng)位置分別安裝許多對電流方向相同的線圈，由于互相吸引，就能使列車前進(jìn)。磁懸浮列車就是根據(jù)這樣一個簡單的電磁學(xué)原理設(shè)計而成的。下圖就是形式中的磁懸浮列車： （圖5-1）磁懸浮列車 磁懸浮列車是目前世界上技術(shù)最先進(jìn)并且己經(jīng)進(jìn)入實用階段的新型列車，與普通高速列車相比具有許多優(yōu)越性：第一，速度比普通列車高很多，度速可達(dá)500km/h以上，而且預(yù)想在真

39、空隧道中運行的磁懸浮列車速度可達(dá)到1600km/h。第二，消耗能量較低。原因主要就在于它是懸浮著，只存在與空氣間的摩擦。而且因無輪軌接觸，震動較小，舒適性好。第三，噪音很低，（只有當(dāng)速度達(dá)到200km／h以上時，才會產(chǎn)生與空氣摩擦的輕微噪音）。第四，安全系數(shù)高。它的車廂下端像伸出了兩排彎曲的胳膊，將路軌緊緊摟住，絕對不可能出軌。列車運行的動力來自固定在路軌兩則的電磁流，同一區(qū)域內(nèi)的電磁流強度相同，不可能出現(xiàn)幾輛列車速度不同或相向而動的現(xiàn)象，從而排除了列車追尾或相撞的可能。列車的整個安全系統(tǒng)可以相互檢測，自動替補，這在其它交通工具是不具備的，因而它是一種高安全度的交通工具。 盡管磁懸浮列車技術(shù)

40、有上述的許多優(yōu)點，但仍然存在一些不足：特別是斷電后的安全保障和制動問題。其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長時間的運行考驗。 磁記錄：是現(xiàn)在使用得非常廣泛的一種信息技術(shù)。它利用了鐵磁材料的特性和電磁感應(yīng)的規(guī)律。用來記錄信息（如聲音，圖象或特殊信息）的鐵磁材料常制成粉狀而用粘結(jié)劑涂敷在特制的帶，圓柱或圓盤的表面，我們所接觸到的磁帶以及電腦上的磁盤就是利用這一原理實現(xiàn)的。 電磁學(xué)的應(yīng)用還遠(yuǎn)不止文中所示，例如交通、機械方面等等。 總結(jié) 電磁學(xué)從最初分立的兩門學(xué)科—電學(xué)和磁學(xué)走到了今天是歷經(jīng)萬苦的，當(dāng)我們回首這些歷史時該有多少感嘆多少心酸？當(dāng)庫

41、倫發(fā)現(xiàn)庫倫定律后電與磁慢慢走到了一塊，稱為互補互成的一個整體，隨著奧斯特在實驗中驚奇的發(fā)現(xiàn)，使得電與磁正式聯(lián)系在一起。在這些基礎(chǔ)上法拉第、安培、麥克斯韋等人建立起了自己的電磁理論，完善了電磁學(xué)。 注釋 ①L稱為洛倫茲單位。其中 ②B為磁場強度，為常數(shù)，為距離。這個實驗是一個理想實驗，因為實驗必須滿足導(dǎo)線無限長，即使是這樣在足夠長的導(dǎo)線中同樣可以應(yīng)用以上公式，只要導(dǎo)線的長度對磁場的分布的影響可以忽略不計。 麥克斯韋方程組各式的意義： ③第一式描述的是電場的性質(zhì)。在一般情況下，電場可以是庫倫電場也可以是變化磁場的感應(yīng)電場，而感應(yīng)電場是渦旋場

42、，它的電位移是閉合的，這對封閉曲面的磁通量并沒有貢獻(xiàn)。 ④第二式描述的是磁場的性質(zhì)。磁場可以由傳導(dǎo)電流激發(fā)，也可以由變化電場的位移電流所激發(fā)，他們的磁場都是渦旋場，磁感應(yīng)線都是閉合線，同樣對封閉曲面的磁通量也沒有貢獻(xiàn)。 第三式描述了變化的磁場激發(fā)電場的規(guī)律。 第四式描述了變化的電場激發(fā)磁場的規(guī)律。[3] 波動性：具有干射、衍射等特性 粒子性：具有光電效應(yīng)[7] ⑤其他模型所產(chǎn)生的感應(yīng)電流這里就不用類似方法做解釋，請讀者自行讀閱材料 參考文獻(xiàn) [1]趙凱華,陳熙謀.電磁學(xué)（第二版），高等教育出版社，2006-1

43、2. [2]楊福家.原子物理（第四版），高等教育出版社，2008-4. [3]郭碩鴻.電動力學(xué)（第三版），高等教育出版社，2008-6. [4]賈起民，鄭永令，陳暨耀.電磁學(xué)（第二版），2003-4. [5]正田英介，高木正藏.電磁學(xué)，科學(xué)出版社，2001-7. [6]孫安國.電磁場和電磁波理論基礎(chǔ)，東南大學(xué)出版社，5001-5. [7]姚啟鈞.光學(xué)教程（第四版），高等教育出版社，2008-6. [8]陳秉乾，舒幼生，胡望雨.電磁學(xué)專題研究，高等教育出版社，2001-12. [9]盛新慶.電磁波述論，科學(xué)出版社，2007. [10] 趙凱華,鐘錫華.光學(xué).北京大學(xué)出版社，19

44、82 致 謝 論文的“鑄成”流露著筆者的興致，但其枯燥的描述不一定能讓所有閱讀者都產(chǎn)生共鳴，在此首先感謝耐心閱讀這篇論文的您，謝謝！ 其次感謝雪梅老師在大學(xué)生活的最后階段——畢業(yè)論文設(shè)計階段給我耐心的指導(dǎo)。 回首大學(xué)生活，這四年來在老師和同學(xué)的熏陶下度過，學(xué)習(xí)和思想上我有了很大的進(jìn)步，這些自我修養(yǎng)除了自身努力外更離不開老師的無私教養(yǎng)和同學(xué)的熱心幫助。但隨著論文的尾聲臨近，我們的大學(xué)生活也即將畫上一個圓滿的句號，我將其中的感嘆與不舍流露在這滴滿汗水的論文，感謝一直陪伴著我的同學(xué)和老師，謝謝你們陪我走過這四年。 電子系07物理學(xué)（1）班 2011-5-9