闽江学院本科毕业论文(设计)题目电磁学现象及规律探究的概述学生姓名江贤晶学号 ************系别物理学与电子信息工程系年级 2007级专业物理学指导教师李雪梅职称讲师完成日期 2010.11.01－2011.5.20闽江学院本科毕业论文（设计）诚信声明书本人郑重声明：兹提交的毕业论文（设计）《电磁学现象及物理规律探究的概述》，是本人在指导老师苏启录的指导下独立研究、撰写的成果；论文（设计）未剽窃、抄袭他人学术观点、思想和成果，未篡改研究数据，论文（设计）中所引用的文字、研究成果均已在论文（设计）中以明确的方式标明；在毕业论文（设计）工作过程中，本人恪守学术规范，遵守学校的有关规定，依法享有和承担由此论文（设计）产生的权利和责任。

声明人（签名）：江贤晶2011年5月7日摘要随着科技日新月异的发展，电磁学走上历史舞台扮演着不可或缺的角色，它的应用已如旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家。

本文基于向读者描述传统电磁学的基本内容，致力于对基本概念和基本规律的阐述。

本文顺着从电现象引出电磁学规律的主线，从库伦定律发现后为研究方便引入电场和磁场概念讲到电磁波，着重概述电磁学的基础现象和规律，并根据本人的理解向读者讲述电磁学的应用。

关键词：电磁学电场磁场电磁波Abstract Keywords:目录引言 (6)一、静电场1.库伦定律 (7)2.电场 (7)二、磁场1.奥斯特实验 (9)2.安培环路定理 (10)3.通电螺线管上的磁场 (11)4.载流线圈的磁场 (12)5.电磁感应现象 (12)6.楞次定律 (14)三、塞曼效应1.正常塞曼效应 (15)2.反常塞曼效应 (16)四、电磁波1.麦克斯韦方程组 (17)2.平面电磁波 (19)3.可见光（光波） (19)电磁学的应用总结注释 (22)参考文献 (23)致谢 (24)引言研究物质规律的物理在生活中扮演着一个及其重要的角色，清晨当迈出你的第一步时你是否考虑到物理已经和你接触了呢？物理伴随着生活的每一步，深入生活的每一个角落。

物理中每一个规律的发现都是历史·辉煌的见证，它们指引着人类认识自然认识世界的步伐，将我们引向那充满幻想的世界。

而众多物理规律中有一类规律把我们的距离拉近了，曾今的一封信让我心急如焚，可如今即使天涯海角，思时也无非咫尺，这就是电磁学规律的一个重要应用，应用于广泛的通信！电磁学规律的应用还不仅限于通信，它有这更广阔的应用范围，它给生活带来了福音，给世界带来了交响曲，然而在寻找这些电磁学规律中物理学家们却是历尽千辛万苦。

今天让我们畅游在漫漫的反思中。

电磁学是研究电、磁和电磁的相互左右的现象，及其规律和应用的物理学分支的学科。

它是物理学的一个分支。

广义的电磁学可以说是包含电学和磁学，但狭义来说是一门研究电性和磁性交互关系的学科，本文也将重点从电与磁之间的关系找出电磁学规律。

从狭义的观点上看，电、磁两种现象本是认为是独立无关的两门学科，当然很多因素也关于磁学本身的发展和应用，正如近代磁性材料和磁学技术的发展，各种此现象和磁效应的发现和应用等等，使得磁学的范围不段的扩张，这样到目前磁学的范围就已经足够另立门户，成为一门独立的学科也是理所当然，所以实际中已经将电磁学作为一门与电学平起平坐的学科来研究了。

从广义上认识，根据近代物理学的观点，磁的现象是由运动电荷（电流）所产生的，因而在电学的范围内必然不同程度地包含磁学的内容，所以电磁学和电学的内容很难截然区分开来，二者并没有太明显的界限，甚至有时也将电磁学简称为电学。

磁学主要研究电磁波、电磁场以及有关电荷、带电物体的电力学等等。

这样电磁学的规律的电学的发展，同时我认为又电学引出电磁学的分水岭在于法拉第的电磁感应现象的发现，让我们来了解一下如何从简单的电现象引出电磁学的规律。

一、静电场（一）库伦定律欲从电学中找到电磁学规律的发现，首先我们得先从电现象入手，找到电学中动力学关系和磁动力关系就不难知道电与磁之间存在着怎么的关系。

让我们认识一下库伦定律，了解两点电荷之间的关系，库仑定律：（图1-1）是电磁场理论的基本定律之一。

真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，和它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线,同名电荷相斥，异名电荷相吸。

公式：F=k*(q1*q2)/r^2 （式1-1）其中F是两点电荷之间所受的库伦力，k是比例常数，q1、q2分别代表两点电荷所带的电荷量，r是两点电荷的距离。

[4][8]（二）电场在很多没有直接接触的力现象中力的相互作用需要有介质的存在，例如马拉车，马能拉动车肯定少不了绳子的存在，只有将马和马车栓在一起才能使马在奔跑中带动马车。

再如声音的传播，我们聊天时虽然对方并没有将声带直接贴在我们的耳朵上，但我们能听到对方的声音，这是因为有空气介质的存在。

加入我们生活的空间没有空气的存在，那么所谓的聊天只能看到对方嘴唇的动作，并不能听到声音……但刚才说过的例子中q1、q2明显没有直接接触，又似乎没有介质的存在，那么q1、q2之间存在的库伦力又是怎样传递的呢？历史上对这个问题有很多争论，一类人认为这种力并不需要介质的存在就可以之间传递，甚至更不需要时间，不受时间的限制，力的作用就能从一个物体直接传递到另一个物体上。

另一种观点认为空间中存在着科学家还未发现的弹性物质——“以太”，电场力就是通过“以太”来传递的。

这些观点都被近代物理学家所否认并引入电场。

而且还将点电荷在电场中受到的力F与电荷量q0的比值称为电场强度，用字母E 来表示：E=F/q以下是几种电荷模型的电场分布：正点电荷负点电荷等量异种电荷（图1-2）更多的电磁分布这里就不再多举。

[4]二、磁场我们现在先来看看以下实验现象：（图2-1）本实验的原理图如上图所示，其中深黑色的直导线是原来的导线，就是还没通电时的导线，灰色的导线是通有电流后导线原导线移动的位置。

如上图，在导线中通有电流大小为I的电流，这样导线的位置就会发生改变，当电流的方向时导线互相吸引，电流方向相反时导线互相排斥，牛顿第二定律告诉我们，当物体状态发生改变时肯定要受到外力的作用，导线从原来的静止状态开始运动，使得导线的形状发生改变，这说明导线受到力的作用，问题就产生了，导线明显受到了力的作用，那通电导线中相互间的作用力从何而来？以下将对这个问题进行简易的解释。

（一）奥斯特实验库伦定律说明了两点电荷之间存在着相互作用，在这基础上物理学家们发现带电物体接触磁场时也能产生力的作用，说到这就少不了说奥斯特实验了，奥斯特实验说明了通电导线与磁性物质之间存在着力的作用，奥斯特是丹麦的科学家，他在1820年4月的一节课中，他讲授了电与磁的课程，他做了一个实验中无意发现了这个现象：通电铂丝扰动玻璃罩内的指南针，虽然效应很弱，看上去也很不规则，但奥斯特却对这种无意间发现的现象产生浓厚的兴趣，在课后他进行了大量的电池反复做了同样的实验对自己的假设进行验证。

奥斯特在做实验时还在磁针与导线间放入玻璃、金属、木头等物质，然而磁针的偏转并不因此减弱或者消失[8]，他的实验可以如下概述：(图2-2）上图是奥斯特实验的简易实验图，导线中通有大小为I的电流，在导线旁放一个小磁针，众所周知磁针在地磁场的作用下沿南北取向，但磁针在电流的作用下会产生偏转，说明磁针与导线间存在着力的作用。

当断开电源时磁针重新南北指向，这个实验中的单一变量是导体是否通电，这样我们就能很明确的得到一个结论：通电导体对磁性物质有力的作用。

这样就能说明通电导体不仅能产生电场，它也能产磁性质，并又此产生的磁场使奥斯特实验中的磁针发生偏转。

[5]也像电荷一样奥斯特实验中通电导线和磁针之间并没有直接的接触，他们之间又是以什么形式传递力的作用呢？与电荷之间的作用力一样，磁性物质周围也存在场的性质，所以物理学家引入的磁场的概念，并以字母B代表磁场强度。

这样就不难解释图二所示实验中产生的现象，通电导线能产生磁场，实验中两导线所通电流方向相同时产生的磁场使得两导线互相吸引，相反当电流的方向相反时产生的磁场使得两导线互相排斥，图二中的第一个实验就是因为导线通的电流相同导线互相吸引，最后出现的现象必然是两导线同时向内弯曲，第二个实验磁场间的相互作用使得导向向外弯曲！（二）安培环路定理由奥斯特实验得到了惊人的结论，那么通电导体产生的磁场又是怎样的呢？这个问题我们让安培我们解答：安培知道奥斯特的发现时非常惊讶，他注意到了这个发现的重要性，立刻对电流间的作用进行了精密的研究，他发现图2-3所示实验现象，他便由此猜想到所有的磁性都能用电流置换[5]。

随后安培便花了大量的时间研究导体中电流所产生磁场的性质。

这里我们取简单的一个种模型（通电直导线）为例，许多实验证实了通电直导线产生的磁场如图。

（图2-3） 以上就是安培环路定理，磁场的方向应服从右手螺旋定则[4]：手握导线，大拇指指向电流方向，那么其余四个手指的环绕方向就是磁场的方向，而且在这种简单的模型中产生磁场的强度还满足公式：02r I B πμ= （式2-1） 注：②（三）通电螺线管上的磁场现在我们来讨论一下通电螺线管，我记得初中我们学到电磁感应现象的时候就是通过通电螺线管来说明的，下图就是一个通电螺线管：（图2-4）根据电磁感应现象的原理，我们不难理解通电螺线管周围会有磁场的存在，如上图在软铁上绕有导线，并在导线中通有电流大小为I的电流，在螺线管中磁场的方向同样服从右手定则，将右手的四个手指弯曲并指向电流环绕的方向，那样大拇指所指向的方向就是磁场的方向。

当然在这种情况中如果要求场强的大小还需知道软铁的性质，本文不在这里做解释[4]。

（四）载流线圈的磁场下面我们来看看通电线圈中磁场的方向是如何的，下面是通电导线圈的模型：（图2-5）如上图，导线圈中通有电流的大小为I，这种模型服从右手螺旋定则，将右手的四只手指指向电流方向沿线圈环绕，右手大拇指伸直，大拇指指向的方向就是磁场的方向，上图模型的磁场方向如上图所示。

这种情可以当做简单的通电螺线管来理解，通电螺线管中线圈的匝数较多，而本模型中可以认为是线圈匝数为一的通电螺线管[4]。

（五）电磁感应现象上述内容能很清楚的知道通电导体能产生磁场，我们能不能根据以上结论做一个假设呢？我们假设磁场也可能产生电流或者电动势。

带着这个问题我们访问法拉第任何认识这个问题的。

法拉第是英国著名的物理学家和化学家。

他发现了电磁感应现象，这在物理学上起着很重要的作用。

电磁感应现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。

此电动势称为感应电动势或者感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。

电磁感应现象不止揭示了电与磁的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础。