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1、 閩江學(xué)院 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 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(hào) 120071001137 系 別 物理學(xué)與電子信息工程系 年 級(jí) 2007級(jí) 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(tái)扮演著不可或缺的角色，它的應(yīng)用已如舊時(shí)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(duì)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(kù)倫定律發(fā)現(xiàn)后為研究方便引入電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng) 磁場(chǎng) 電磁

3、波 目錄 引言 ……………………………………………… 6 一、靜電場(chǎng) 1.庫(kù)倫定律 ……………………………………………… 7 2.電場(chǎng) …………………………………………………… 7 二、磁場(chǎng) 1.奧斯特實(shí)驗(yàn) ………………………………………… 9 2.安培環(huán)路定理………………………………………… 10 3.通電螺線管上的磁場(chǎng)………………………………… 11 4.載流線圈的磁場(chǎng)……………………………………… 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(gè)及其重要的角色，清晨當(dāng)邁出你的第一步時(shí)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(gè)角落。物理中每一個(gè)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(shí)自然認(rèn)識(shí)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(shí)也無(wú)非咫尺，這就是電磁學(xué)規(guī)律的一個(gè)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(lái)了福音，給世界帶來(lái)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(wàn)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(gè)分支。廣義的電磁學(xué)可以說(shuō)是包含電學(xué)和磁學(xué)，但狹義來(lái)說(shuō)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(diǎn)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(diǎn)上看，電、磁兩種現(xiàn)象本是認(rèn)為是獨(dú)立無(wú)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(kuò)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(dú)立的學(xué)科也是理所當(dāng)然，所以實(shí)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(lái)研究了。 從廣義上認(rèn)識(shí)，根據(jù)近代物理學(xué)的觀點(diǎn)，磁的現(xiàn)象是由運(yùn)動(dòng)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(lái)，二者并沒有太明顯的界限，甚至有時(shí)也將電磁學(xué)簡(jiǎn)稱為電學(xué)。磁學(xué)主要研究電磁波、電磁場(chǎng)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(shí)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(lái)了解一下如何從簡(jiǎn)單的電現(xiàn)象引出電磁學(xué)的規(guī)律。

8、 一、靜電場(chǎng) （一） 庫(kù)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(dòng)力學(xué)關(guān)系和磁動(dòng)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(shí)一下庫(kù)倫定律，了解兩點(diǎn)電荷之間的關(guān)系，庫(kù)侖定律： （圖1-1） 是電磁場(chǎng)理論的基本定律之一。真空中兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷之間的作用力與這兩個(gè)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(gè)點(diǎn)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(diǎn)電荷之間所受的庫(kù)倫力，k是比例常數(shù)，q1、q2分別代表兩點(diǎn)電荷所帶的電荷量，r是兩點(diǎn)電荷的距離。[4][8] （二）電場(chǎng) 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(dòng)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(dòng)馬車。再如聲音的傳播，我們聊天時(shí)雖然對(duì)方并沒有將聲帶直接貼在我們的耳朵上，但我們能聽到對(duì)方的聲音，這是因?yàn)橛锌諝饨橘|(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(duì)方嘴唇的動(dòng)作，并不能聽到聲音……但剛才說(shuō)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(kù)倫力又是怎樣傳遞的呢

10、？歷史上對(duì)這個(gè)問題有很多爭(zhēng)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(shí)間，不受時(shí)間的限制，力的作用就能從一個(gè)物體直接傳遞到另一個(gè)物體上。另一種觀點(diǎn)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(chǎng)力就是通過“以太”來(lái)傳遞的。這些觀點(diǎn)都被近代物理學(xué)家所否認(rèn)并引入電場(chǎng)。而且還將點(diǎn)電荷在電場(chǎng)中受到的力F與電荷量q0的比值稱為電場(chǎng)強(qiáng)度，用字母E來(lái)表示： E=F/q0 以下是幾種電荷模型的電場(chǎng)分布： 正點(diǎn)電荷

11、 負(fù)點(diǎn)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(chǎng) 我們現(xiàn)在先來(lái)看看以下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： （圖2-1） 本實(shí)驗(yàn)的原理圖如上圖所示，其中深黑色的直導(dǎo)線是原來(lái)的導(dǎo)線，就是還沒通電時(shí)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(dòng)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(huì)發(fā)生改變，當(dāng)電流的方向時(shí)導(dǎo)線互相吸引，電流方向

12、相反時(shí)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(shí)肯定要受到外力的作用，導(dǎo)線從原來(lái)的靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)動(dòng)，使得導(dǎo)線的形狀發(fā)生改變，這說(shuō)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(lái)？以下將對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行簡(jiǎn)易的解釋。 （一）奧斯特實(shí)驗(yàn) 庫(kù)倫定律說(shuō)明了兩點(diǎn)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(chǎng)時(shí)也能產(chǎn)生力的作用，說(shuō)到這就少不了說(shuō)奧斯特實(shí)驗(yàn)了，奧斯特實(shí)驗(yàn)說(shuō)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(gè)實(shí)驗(yàn)中無(wú)意發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象：通電鉑

13、絲擾動(dòng)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(duì)這種無(wú)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(shí)驗(yàn)對(duì)自己的假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證。奧斯特在做實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)可以如下概述： (圖2-2） 上圖是奧斯特實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)圖，導(dǎo)線中通有大小為I的電流，在導(dǎo)線旁放一個(gè)小磁針，眾所周知磁針在地磁場(chǎng)的作用下沿南北取向，但磁針在電流的作用下會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明磁針與導(dǎo)線間存在著力的作用。當(dāng)斷開電源時(shí)磁針重新南北指向，這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)結(jié)論：通電導(dǎo)體對(duì)磁性物質(zhì)有力的作用。這樣就能說(shuō)明通電導(dǎo)體不僅能產(chǎn)生電場(chǎng)，它也能產(chǎn)磁性質(zhì)，并又此產(chǎn)生的磁場(chǎng)使奧斯特實(shí)驗(yàn)中的磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。[5] 也像電荷一樣奧斯特實(shí)驗(yàn)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(chǎng)的性質(zhì)，所以物理學(xué)家引入的磁場(chǎng)的概念，并以字母B代表磁場(chǎng)強(qiáng)度。這樣就不難解釋圖二所示實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的現(xiàn)象，通電導(dǎo)線能產(chǎn)生磁場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)中兩導(dǎo)線所通電流方向相同時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)使得兩導(dǎo)線互相吸引，相反當(dāng)電流的方向相反時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)使得兩導(dǎo)線互相排斥，圖二中的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)就是因?yàn)閷?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(shí)向內(nèi)彎曲，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)得到了驚人的結(jié)論，那么通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)又是怎樣的呢？這個(gè)問題我們讓安培我們解答：安培知道奧斯特的發(fā)現(xiàn)時(shí)非常驚訝，他注意到了這個(gè)發(fā)現(xiàn)的重要性，立刻對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)間研究導(dǎo)體中電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的性質(zhì)。這里我們?nèi)『?jiǎn)單的一個(gè)種模型（通電直導(dǎo)線）為例，許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)了通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖。 （圖2-3）

16、 以上就是安培環(huán)路定理，磁場(chǎng)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(gè)手指的環(huán)繞方向就是磁場(chǎng)的方向，而且在這種簡(jiǎn)單的模型中產(chǎn)生磁場(chǎng)的強(qiáng)度還滿足公式： （式2-1） 注：② （三）通電螺線管上的磁場(chǎng) 現(xiàn)在我們來(lái)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(shí)候就是通過通電螺線管來(lái)說(shuō)明的，下圖就是一個(gè)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(huì)有磁場(chǎng)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(chǎng)的方向同樣服從右手定則，將右手的四個(gè)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(chǎng)的方向。當(dāng)然在這種情況中如果要求場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng) 下面我們來(lái)看看通電線圈中磁場(chǎng)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(chǎng)的方向，上圖模型的磁

18、場(chǎng)方向如上圖所示。這種情可以當(dāng)做簡(jiǎn)單的通電螺線管來(lái)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(chǎng)，我們能不能根據(jù)以上結(jié)論做一個(gè)假設(shè)呢？我們假設(shè)磁場(chǎng)也可能產(chǎn)生電流或者電動(dòng)勢(shì)。帶著這個(gè)問題我們?cè)L問法拉第任何認(rèn)識(shí)這個(gè)問題的。 法拉第是英國(guó)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(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。此電動(dòng)勢(shì)稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或者感生電動(dòng)勢(shì)，若將此導(dǎo)體閉合成一回路，則該電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)使電子流動(dòng)，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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。以下為感生電動(dòng)勢(shì)的普適公式。 E＝nΔΦ/Δt (式2-2-1) 其中E代表的是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，n是螺線管的匝數(shù)，是磁通量的改變量，是時(shí)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(lái)： （圖2-6） 將右手握住螺線管并使得右手的大拇指向磁場(chǎng)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(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，坦若我們所選擇的導(dǎo)體是一個(gè)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(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(gè)靈敏電流表，CD是靈活邊，并以（可變化）的速度向右運(yùn)動(dòng)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向大小也如圖所示。當(dāng)=0的時(shí)候靈敏電流表沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)不等于0的時(shí)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(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流的方向也相反。大量的實(shí)驗(yàn)同樣驗(yàn)證著導(dǎo)線切割磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)方向，讓

21、磁感線穿過手心，四個(gè)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(shuō)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(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場(chǎng)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(shí)感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)來(lái)阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。這個(gè)結(jié)論叫做楞次定律。 在以上導(dǎo)體切割磁感線的實(shí)驗(yàn)中，我們也能用楞次定律來(lái)判斷出感應(yīng)電流的方向。 （圖2-9） 當(dāng)CD的速度=0時(shí)，由于磁場(chǎng)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(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因?yàn)闆]有感應(yīng)電流的產(chǎn)生，不等于0卻CD向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(lái)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(yùn)動(dòng)時(shí)，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(lái)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(lái)，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(shí)體組成的，后來(lái)這些微小的實(shí)體被稱為電子，他以電子的概念為基礎(chǔ)來(lái)解釋物質(zhì)的電性質(zhì)，從電子論推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)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(dòng)產(chǎn)生的，所以當(dāng)光源放在磁場(chǎng)中時(shí)，光源的原子內(nèi)電子的震動(dòng)將發(fā)生改變，使得電子的震動(dòng)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(shí)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(jiǎng)。 塞曼效應(yīng)是指磁場(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)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(dú)態(tài)的原子時(shí)，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(gè)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(chǎng)的作用下分裂成三條譜線，譜線間的間隔相等，而已這個(gè)間隔等于時(shí)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(bào)告說(shuō)，在很多實(shí)驗(yàn)實(shí)例中，塞曼分裂的數(shù)目可以不是三個(gè)，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(lái)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(lái)分析一下鈉主線的塞曼分裂，鈉是單電子體系，所以對(duì)原子磁矩產(chǎn)生主要貢獻(xiàn)的是單個(gè)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(chǎng)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(lái)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(duì)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(lái)的兩門相互獨(dú)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(gè)完整的分支學(xué)科，主要是基于兩個(gè)重要的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即電流的磁效應(yīng)和變化磁場(chǎng)的電效應(yīng)。這兩個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象加上麥克斯韋關(guān)

28、于變化電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的假設(shè)，奠定了電磁學(xué)的整個(gè)理論體系，發(fā)展了對(duì)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(shuō)道麥克斯韋公式的時(shí)候也簡(jiǎn)單的提到了電磁波，以下將對(duì)電磁波進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明。 （一）麥克斯韋方程組 同時(shí)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(shuō)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(chǎng)和位移電流假說(shuō)的核心思想是：變化的電場(chǎng)可以激發(fā)渦旋磁場(chǎng)；電場(chǎng)和磁場(chǎng)不是彼此孤立的，他們相互聯(lián)系相互激發(fā)組成一個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。麥克斯韋進(jìn)一步將電場(chǎng)和磁場(chǎng)的所有規(guī)律綜合起來(lái)，建立了完整的電磁場(chǎng)理論體系。這個(gè)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(lái)。 麥克斯韋電磁理論的重大意義，不僅在與這個(gè)理論支配著一切宏觀電磁現(xiàn)象（包括靜電、穩(wěn)恒磁場(chǎng)、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(gè)論論框架之內(nèi)，深刻地影響著人們認(rèn)識(shí)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(yùn)動(dòng)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(gè)物理學(xué)樹立了這樣的一個(gè)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(gè)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?yàn)檫@個(gè)方程組完美統(tǒng)一了電磁場(chǎng)，讓愛因斯坦始終想以同樣的方式統(tǒng)一引力場(chǎng)，并把宏觀與微觀兩種力整理在同一個(gè)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(diǎn)也沒有完成這個(gè)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(chǎng)與磁場(chǎng)的四個(gè)基本方程。該方程組完整的概括了電磁場(chǎng)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(gè)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(shí)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(chǎng)和磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)，且傳播方向總是垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成的平面，有效的傳遞能量和動(dòng)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(chǎng)的一種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)（即電流產(chǎn)生磁場(chǎng)），變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)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(chǎng)和變化的電場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)不可分離的電磁場(chǎng)，變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播形成了電磁波，也稱為電波。 電磁場(chǎng)是電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(shí)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(shí)，頻率越大折射率也越大，而且速度越小[7]。由于機(jī)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(jī)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(wú)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(zhǎng)大約在380到780nm之間，稱為可見光（將在下一節(jié)簡(jiǎn)單介紹可見光）。只要是本身溫度大于絕對(duì)零度的物體，都可以發(fā)射電磁輻射（紅外線），所以這個(gè)世界上不存在溫度等于或者小于絕對(duì)零度的物體。 （三）可見光(光波) 我們所見到的陽(yáng)光其實(shí)是不同頻率光波的組合體，通常又按頻率將白光分成七個(gè)范圍，毛澤東詩(shī)詞中有這么一句話“赤橙黃綠青藍(lán)紫，誰(shuí)持彩練當(dāng)空舞”其中的七種顏色說(shuō)的就是白光中的七個(gè)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(gè)范圍內(nèi)的光波讓人大腦反應(yīng)出來(lái)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)如下表

34、所示[7]： 顏 色 中心頻率/Hz 中心波長(zhǎng)/nm 波長(zhǎng)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(dòng)現(xiàn)象的性質(zhì)，本文將對(duì)光的反射和折射進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)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(shí)，在分界面上改變傳播方向又返回原來(lái)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(shí)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(shí)，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(shí)，只要入射光線不是垂直于水面，即∠00時(shí)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(shí)，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(dòng) 已經(jīng)普及， 可以移動(dòng)是在固定 上的一大跨越。原始固定 的基本原理：將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過導(dǎo)線（ 線、電纜等）輸送給對(duì)方，對(duì)方的機(jī)子再分析電信號(hào)，再把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，最后傳入人的耳朵。在這個(gè)過程中影響 的方便性的關(guān)鍵就在于電信號(hào)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(shí)現(xiàn)通話。電磁學(xué)實(shí)現(xiàn)了這種難以實(shí)現(xiàn)，它將通話過程中的電信號(hào)用電磁波代替，這樣 就可以隨身帶，只要信號(hào)覆蓋得到地方就能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地通話！ 系懸浮列車：本文在講到磁場(chǎng)時(shí)我們就知道，在電磁學(xué)中當(dāng)通給兩個(gè)相互平行的線圈相互平行的電流時(shí)就相互吸引，電流方向

38、相反時(shí)就互相排斥，系懸浮列車就是將通有方向相反的線圈來(lái)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(huì)懸浮起來(lái)，同樣，在列車和軌道的適當(dāng)位置分別安裝許多對(duì)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(gè)簡(jiǎn)單的電磁學(xué)原理設(shè)計(jì)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(shí)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(yùn)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(wú)輪軌接觸，震動(dòng)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(shí)，才會(huì)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(duì)不可能出軌。列車運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)自固定在路軌兩則的電磁流，同一區(qū)域內(nèi)的電磁流強(qiáng)度相同，不可能出現(xiàn)幾輛列車速度不同或相向而動(dòng)的現(xiàn)象，從而排除了列車追尾或相撞的可能。列車的整個(gè)安全系統(tǒng)可以相互檢測(cè)，自動(dòng)替補(bǔ)，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(diǎn)，但仍然存在一些不足：特別是斷電后的安全保障和制動(dòng)問題。其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)。 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(lái)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(shí)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(jī)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(wàn)苦的，當(dāng)我們回首這些歷史時(shí)該有多少感嘆多少心酸？當(dāng)庫(kù)

41、倫發(fā)現(xiàn)庫(kù)倫定律后電與磁慢慢走到了一塊，稱為互補(bǔ)互成的一個(gè)整體，隨著奧斯特在實(shí)驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)度，為常數(shù)，為距離。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)必須滿足導(dǎo)線無(wú)限長(zhǎng)，即使是這樣在足夠長(zhǎng)的導(dǎo)線中同樣可以應(yīng)用以上公式，只要導(dǎo)線的長(zhǎng)度對(duì)磁場(chǎng)的分布的影響可以忽略不計(jì)。 麥克斯韋方程組各式的意義： ③第一式描述的是電場(chǎng)的性質(zhì)。在一般情況下，電場(chǎng)可以是庫(kù)倫電場(chǎng)也可以是變化磁場(chǎng)的感應(yīng)電場(chǎng)，而感應(yīng)電場(chǎng)是渦旋場(chǎng)

42、，它的電位移是閉合的，這對(duì)封閉曲面的磁通量并沒有貢獻(xiàn)。 ④第二式描述的是磁場(chǎng)的性質(zhì)。磁場(chǎng)可以由傳導(dǎo)電流激發(fā)，也可以由變化電場(chǎng)的位移電流所激發(fā)，他們的磁場(chǎng)都是渦旋場(chǎng)，磁感應(yīng)線都是閉合線，同樣對(duì)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(chǎng)激發(fā)電場(chǎng)的規(guī)律。 第四式描述了變化的電場(chǎng)激發(fā)磁場(chǎng)的規(guī)律。[3] 波動(dòng)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(qǐng)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(dòng)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(guó).電磁場(chǎng)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(jì)階段給我耐心的指導(dǎo)。 回首大學(xué)生活，這四年來(lái)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(wú)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(gè)圓滿的句號(hào)，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