电磁学原理及其应用

电磁学原理及其应用

摘要：本文简介了电磁学的发展史，通过阐述磁悬浮技术，微波炉，磁卡技术中的电磁学原理，进一步探讨其中的科学方法及给我们带来的启示，揭示电磁学在生产生活中的重要性。关键字：电磁波微波排斥吸引

电磁现象是一种极为普遍的自然现象，人类对电磁现象的认识、研究以至利用，经历了

相当长的时期。在春秋战国时期，我国人民已对天然磁石（Fe

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）有了认识，战国时期《韩

非子》中有“司南”和《吕氏春秋》中有“慈石召铁”的记载。对电磁的近代研究应该从18

世纪的库伦（C.A.de Coulomb）开始，建立了库仑定量定律，标志着电

磁学进入了严密科学的阶段。1820年，奥斯特发现的电流磁效应，揭示

了电现象和磁现象之间的联系。安培则根据当时的一系列实验，提出磁

现象的本质是电流，物质的磁性来源于分子电流的看法，得出了电流元

之间相互作用力的规律——安培定律。1831年，法拉第发现了电磁感应

现象，是第一次明确提出了场的概念，进一步揭示了电与磁的联系。19

世纪60年代麦克斯韦（J.C.Maxwell）总结了前人的研究结果，提出感

生电场和位移电流的假设，建立了以麦克斯韦方程组为基础的麦克斯韦像完整的、宏观的电磁场理论，以及1887年赫兹（H.R.Hertz）做了一系列电磁波实验，最终使电磁学成为一门统一的学科。

电磁学主要研究电荷产生电场和电流产生磁场的规律；电场、磁场对电荷、电流作用的

规律；电场和磁场的相互联系及其运动变化的规律；电路的导电规律；以及电磁场的各种效

应等等。由于电磁现象的普遍存在和广泛应用，电磁学已经成为科学技术的重要基础，电工学、电子学以及其他与电有关的科学往往都是以电磁学为基础建立和发展起来的。

下面将阐述电磁学几大重要基本原理及其应用。

一．同级相吸异极相斥——磁悬浮列车

磁悬浮列车利用“同名磁极相斥，异名磁极相吸”的原理，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。科学家将“磁性悬浮”这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全

脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮

列车”，亦称之为“磁垫车”。

由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10—15毫米的间隙，并使导轨钢板的排斥力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。

通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。由于它

与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。列车前进是因为列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个S极线圈，现在变为N极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。

二．电磁波的应用——微波炉的工作原理

微波炉是利用微波加热食物的。微波就是波长很短的电磁波，它是由交变的电场和磁场组成的，微波具有比通常的无线电波大得多的能量。微波的传播过程中遇到物体时，依物体材料的不同，会不同程度的被反射、透射或吸收。磁控管利用电能产生微波，微波由天线末端发射出去，经过中空的波导管传到微波炉上壁的微波山口处，在出口处有形如风扇叶片的搅拌器把微波分散开，射出的微波一部分直接射到食物上，一部分通过微波炉的内壁反射到食物上，使食物能从各个方面得到较为均匀的微波照射。

微波炉对食物的加热原理完全不同于其它的灶具，它不是靠热传递，而是靠食物本身的有极分子的振荡产生热量。一般食物中总是含有水分的。从电介质的角度来说，分子可分为两类：一类是无极分子，其分于的正负电荷中心重合，如H2，O2，CO2等；另一类是有极分子，其分子的正负电荷中心不重合，如H2O， H2S等。由于水

分子是有极分子，我们可形象的把水分子画成一头带正电，一

头带负电的分子模型。在没有电场作用时，食物中的水分子的

排列是杂乱无章的，极性的取向也是各向均等的。在有电场作

用时，食物中的水分子形成有序排列，若电场方向改变，其正、负电荷分别受到大小相等、方向相反的电场力作用，使有极分子摆动，有极分子的有序排列方向也随之改变（如图所示）。由于微波是一种每秒振荡百亿次的电磁场，食物放在这样的电磁场中，水分子的排列方向就要每种钟随之改变上百亿次，与相邻分子摩擦而快速发热。根据量子理论，物质对光和微波的吸收是一份一份地吸收它们粒子的能量。微波炉用的微波粒子能量小于光子能量的万分之一，加热时微波能迅速转换为热能。这样，大量水分子吸收了微波的能量而高频率的剧烈的转动，使食物的温度升高。

三．电磁感应现象——磁卡的工作原理

3.1磁卡信息的写入

记录磁头由内有空隙的环形铁芯和绕在铁芯上的线图构成。磁卡是由一定材料的片基和均匀地涂布在片基上面的微粒磁性材料制成的。在记录时，磁卡的磁性面以一定的速度移动，或记录磁头以一定的速度移动，并分别和记录磁头的空隙或磁性面相接触。磁头的线圈一旦通上电流，空隙处就产生与电流成比例的磁场，于是磁卡与空隙接触部分的磁性体就被磁化。如果记录信号电流随时间而变化，则当磁卡上的磁性体通过空隙时（因为磁卡或磁头是移动的），便随着电流的变化而不同程度地被磁化。磁卡被磁化之后，离开空隙的磁卡磁性层就留下相应于电流变化的剩磁。

如果电流信号（或者说磁场强度）按正弦规律变化，那么磁卡上的剩余磁通也同样按正弦规律变化。当电流为正时，就引起一个从左到右（从 N 到 S）的磁极性；当电流反向时，磁极

性也跟着反向。其最后结果可以看作磁卡上从 N 到 S 再返回到 N 的一个波长，也可以看作是同极性相接的两块磁棒。这是在某种程度上简化的结果，然而，必须记住的是，剩磁 Br 是按正弦变化的。当信号电流最大时，纵向磁通密度也达到最大。记录信号就以正弦变化的剩磁形式记录，贮存在磁卡上。

3.2磁卡信息的读出

用磁头读取数据，是数据写入的逆过程．读取过程首先是将磁条上的磁信息(磁极变化)变成电信号，之后按所用的编码方式译码成二进制信号，再将二进制信号转变成源信号(如十进制的某组数据等)便完成了读过程．实际操作时，首先将磁轨贴近读磁头间隙，并以一定的速度通过磁头，带有磁信息的工科物理1998年第8卷第2期磁感应定律，磁头线圈便有感应电势产生，即磁卡磁轨上的磁信息被转化成为电信号．磁头线圈两端就感应出相应的电压信号，

e=-nvdφ/dt，其中φ为经过磁头铁芯的磁通，为磁头线圈匝数，为磁轨相对于磁头的移动速度．通过译码．磁卡上的磁信息即被读出．若磁头与磁卡间无相对运动的话，即使磁轨紧贴磁头，磁头磁路的磁通也不会变化，磁头线圈中将不会有感应电动势产生，即磁卡磁轨上的磁信息无法读出．正是由于这个原因，我们在使用信用卡、记帐卡等磁卡时，均被要求以一平稳速度将磁卡划过磁头．若磁卡速度不平稳或速度过低或是蛇行运动，则读出的数据就会失真．甚至错误．

总结和体会：

通观电磁学发展的历史可以看出，问题是科学进步和思维的起点，并贯穿于科学探索和思维的全过程．问题无一不是在具体的情境中根据人们研究的需要提出的．反思电磁学发展史中得到的这种认识，我们应该培养发现问题的能力。

首先，了解“是什么”，弄清“为什么”。1731年一名英国商人的诉述：闪电过后，他的一箱新刀叉竟带上了磁性．1751年富兰克林发现在莱顿瓶放电后，缝纫针磁化了．一系列事例引发出思考：电真的会产生磁吗?这个疑问促使1774年德国一家研究机构悬赏征解：“电力和磁力是否存在实际和物理的相似性”?这一问题的提出，最终导致了奥斯特发现电流的磁效应．因此，观察现象往往是容易的，但想要进一步了解现象背后的本质，需要我们抱着严谨的科学态度，去寻找和发现其中的原理。

其次，进行对称性思考。自然界的一切规律都是简单的，一般都具有一定的对称性，如同人的身体一样。在电磁学的发展中，当奥斯特发现电生磁的现象后，认为这里缺乏一种对称：既然电能生磁，那么磁是否能生电呢?在这种对称观的指引下，法拉第发现了电磁感应现象。在我们的学习和探索问题的过程中，应当充分利用这一原理，开阔我们的视野，培养创造性的自主思考问题的能力。

最后，运用联想的方法。库伦在万有引力定律的启发下，发现力与距离的平方成反比，并将此运用到微观的电荷上，总结出了库伦定律。一切事物都有其内在的联系，我们需要留心观察，寻找其与其他事物的联系，从中抽象总结出新的规律。

参考文献：

[1]金仲辉梁德余.大学基础物理学（第二版）[M]科学出版社,2005

[2]电磁学_百度百科[Z]

[3]陈丽等.磁卡原理及其应用[J], 工程物理,1998,第八卷第二期

[4]孙煜明.微波炉原理与应用[J],信息时代导刊

[5]宋福赵仁.电磁学发展史上科学方法——兼谈对学生进行科学教育[N].雁北师范学院学报

[6]金向阳.电磁学发展史上的四次“统一”[N].海南广播电视大学学报. 2002年第1期