电与磁（电与磁的发展史）

电与磁的关系是什么？

电与磁场的发现

1.奥斯特的实验

电磁感应是人类最激动人心的伟大发现之一，它的发现推动了发电机及电动机的发明，从而使人类进入了电气时代，极大地推进了人类社会文明的进程。

早在两千多年前，人们就已经发现了电和磁。人们曾设想宇宙间的各种现象之间，其中也包括电与磁之间，是有某种内在联系的。但是，有相当长的一段时间，人们未能认识到电与磁之间的内在联系。

电和磁有联系吗？这曾经是大科学家安培和毕奥等否定过的问题。奥斯特偏要试一试，因为他相信电、磁、光、热等现象相互存在内在的联系，尤其是富兰克林发现莱顿瓶放电能使钢针磁化现象，这更使他坚定了信念。

直到1807年，丹麦物理学家奥斯特做了一个著名的实验，他发现，如果将一个小磁针移近一根通有电流的导体，小磁针就会发生偏转。这个实验第一次科学地揭示了电与磁首档之间的关系。当他将电流通入一根沿南北方向放置的导线时，靠近导线的小磁针便发生偏转，其N极转向西，而S极转向东。这说明，在有电流通过的导线周围会产生磁场，小磁针受到磁场力的作用，磁针发生了偏转。

实验还进一步发现，通过导线的电流越大，或者磁针离通电导线越近，这种偏转作用就越强。如果改变导线中电流的方向，磁针的偏转方向也会随着改变，与原来的方向相反。

另外，电流通过导线时，能在导线周围产生磁场。如果用一根铜导线将干电池短路，导线中就有数安培的电流通过，再把此导线放在铁粉中，这时，如果迅速提起干电池和导线，就可以发现导线上吸附了许多铁粉。一旦将电路断开，铁粉就会落下来。这就表明，吸引铁粉的磁力确实是由电流引起的。

2.围绕通电导线的磁场

在奥斯特发现通电导体周围存在磁场之后的1882年，法国物理学家安培确定了通电导线周围磁场的形状。他把一根粗铜导线垂直地穿过一块硬纸板的中部，又在硬纸板上均匀地撒上一层细铁粉。当铜导线的两端接到电池的正、负极上时，用手轻轻地敲击纸板，撒在硬纸板上的铁粉就围绕导线排列成一个个同心圆。而且，离导线穿过的点越近，铁粉排列得就越密。这就表明，离导线越近的地方，磁场就越强。又如在纸面上放上许多小磁针，可以看到磁针总是静止在和圆周相切的位置上。当电流从上往下流过导线时，从正面看去，小磁针的N极总是向右“拐弯”的。如果改变电流的方向，使它自下而上地流过垂直导线，此时，磁针虽然仍静止在与圆周相切的位置上，但它的N极所指的方向却刚好和上述的方向相反。根据这个规律，安培提出了一个确定通电直导线周围的磁力线方向的规则，这就是著名的安培定则。

磁能生电

电流能够产生磁场，反过来磁场对电流有作用力，电和磁不是两个孤立的现象，电流和磁场之间有着不可分割的联系。在这个基础上。科学家通过试验发现，导体处在变化的磁场里，将会产生电动势，也就是人们晌键常说的“磁生电”的现象，叫做电磁感应现象。

产生电流首先要有“导体”，在这个导体的附近，如果使磁场急剧变化者谨乱，导体内就能产生出电来。也就是说，当磁场变化时，也可以认为导体内的自由电子发生了移动。

只要导线和磁场发生相对运动，不论是导线运动，还是磁铁运动都可以产生电流。但是，如果运动太慢，这个电流就小得几乎让人察觉不了，必须快速运动（使磁力线急剧变化），才能生电。

导线在磁场中运动的情况，叫做“切割磁力线生电”，也就是“由磁生电”。它产生电压的方向（电动势的方向），可以用右手的三个手指来判断：伸出你的右手，使大拇指、食指和中指互为直角。如果拇指代表导线的运动方向，食指代表磁力线由N极到S极的方向，那么，中指就代表电动势的方向。

这个规律通称右手法则，同样，它与我们前面说过的右手螺旋法则也是统一的，这个道理本身很容易证明，但是因为涉及一些比较复杂的数学概念，我们就不再深入讨论了。其实物理学里很多问题都是统一的，所以往往我们了解的知识越多，越会感觉到物理学的简单和精炼。

通过实验还可以知道，即使导体和磁场都不动，只要穿过闭合电路的磁力线数量发生变化，电路中就有电流产生。这种由于磁力线变化，而在导线内产生电的现象，叫做电磁感应，称电动势（电压）为感应电动势（感应电压），产生的电流叫做感应电流。

电磁感应现象是英国科学家法拉第于1831年发现的，至今已经成为了现代电工学的基础。现代一切的发电机都是根据电磁感应制成的。

导体在磁场中运动时可以产生电流，通电的导线放在磁场里也会导致运动。由牛顿的三条运动学定律可以知道，静止的物体决不会平白无故地运动，要从静止转为运动状态，必然要受力的作用。显然，这个力是由磁场产生的。对于通电的导线而言，这个力叫安培力，安培力与导线中的电流强度、磁场场强和磁场中导线的长度分别成正比。

感应电动势可以用下列方法产生：

（1）使导体在磁场中做切割磁力线的运动，使磁力线切割导体，如直流发电机。

（2）移动导线周围的磁场，如交流发电机。

（3）交变磁场穿过线圈产生感应电动势，如变压器等静止设备。

电磁感应现象无论在电工技术还是电子技术中，都有着十分广泛的应用。现实生活中会有五光十色、变化万端的电磁现象。例如，发电机为什么能发电？变压器为什么能变换电压？感应电动机为什么能转动？收音机的天线为什么能接收电磁波？日光灯为什么要装上一个镇流器？要想回答这一系列的问题，都需要了解电磁感应的有关知识才行。

不论是物理世界还是磁的世界，它们的内涵都是非常丰富的，它们的应用都是十分广阔的，它们的未来发展也都是充满着美好前景的。我们生活在物理世界和磁的世界里，既要努力认识它们，更要努力利用和改造它们，以促进科学的进步、社会的发展和人类文明的繁荣昌盛。

电磁波

电磁波，又称电磁辐射，是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380至780纳米之间，称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。

电和磁有何关系？

形影不离的电和磁

电磁，在许多人的印象里，电和磁就像是一对相生相成、形影不离的孪生兄弟，也像是一对亲密无间、夫唱妻随的美满佳偶。说到电，必然也会说到磁；提到磁，自然也离不开电。如充满宇宙中坦晌的电磁波，它们对于我们来说简直就是如雷贯耳，因为它们对宇宙天体和生命物则信冲质发挥着极为重要的作用，它们就是电性和磁性的统一体。

电和磁确实有许多相似之处：带电体周围有电场，磁体周围也有磁场；同种电荷相斥，同名磁极也相斥；异种电荷相吸，异名磁极也相吸；变化的电场能激发磁场，变化的磁场也能激发电场；用摩擦的方法能使物体带上电，如果用磁铁的一极在一根铁棒上沿同一方向摩擦几次，也能使铁棒磁化——物理学家法拉第和麦克斯韦为此创立了“电生磁、磁生电”的电磁场理论。

但在19世纪以前，人们始终认为两者是各不相关的。直到19世纪初，科学界仍普遍认为电和磁是两种独立的作用。法国物理学家库仑就曾经论证过，电和磁是物质的两种截然不同的性质，虽然它们的作用定律在数学上极为相似，但是电和磁是不会相互转化的。库仑的这个看法在当时成了一种权威的理论。

但后来，电与磁之间的联系被发现了，如奥斯特发现的电流磁效应和安培发现的电流与电流之间相互作用的规律。再后来，法拉第提出了电磁感应定律，这样电与磁就连成一体了。

现在我们认为，电和磁是不可分割的，它们始终交织在一起。简单地说，就是电生磁、磁生电。变化的磁场能激发电场，反之，变化的电场也能激发磁场，有电必有磁，有磁才有电。它们总是紧密联系而不可分割的。

电流产生磁场

在“电和磁相互独立”的观点风行欧洲时，丹麦的科学家奥斯特却坚信电与磁之间有着某种联系。经过多年的研究，他终于在1820年发现了电流的磁效应：在一根直导线的附近放一枚小磁针，使磁针和导线平行，当导线中有足够强的电流通过时，磁针突然偏转，并与导线垂直，证明了电流周围存在着磁场。

如果一条直的金属导线通过电流，那么在导线周围的空间将产生圆形磁场。导线中流过的电流越大，产生的磁场越强。磁场成圆形，围绕导线周围。磁场的方向可以根据“右手定则”来确定：将右手拇指伸出，其余四指并拢弯向掌心。这时，拇指的方向为电流方向，而其余四指的方向是磁场的方向。实际上，这种直导线产生的磁场类似于在导线周围放置了一圈N、S极首尾相接的小磁铁的效果。

如果将一条长长的金属导线在一个空心筒上沿一个方向缠绕起来，形成的物体我们称为螺线管。如果使这个螺线管通电，那么会怎样？通电以后，螺线管的每一匝都会产生磁场，磁场的方向如图中的圆形箭头所示。那么，在相邻的两匝之间的位置，由于磁场方向相反，总的磁场相抵消；而在螺线管内部和外部，每一匝线圈产生的磁场互相叠加起来，最终形成了如图所示的磁场形状。也可以看出，在螺线管外部的磁场形状和一块磁铁产生的磁场形状是相同的。而螺线管内部的磁场刚好与外部的磁场组成闭合的磁力线。在图中，螺线管表示成了上下两排圆，好像是把螺线管从中间切开来。上面的一排中有叉，表示电流从荧光屏里面流出；下面的一排中有一个黑点，表示电流从外面向荧光屏内部流进。

电生磁的一个应用实例是实验室常用的电磁铁孙歼。为了进行某些科学实验，经常用到较强的恒定磁场，但只有普通的螺线管是不够的。为此，除了尽可能多地绕制线圈以外，还采用两个相对的螺线管靠近放置，使得它们的N、S极相对，这样两个线包直接就产生了一个较强的磁场。另外，还在线包中间放置纯铁（称为磁轭），以聚集磁力线，增强线包中间的磁场。

对于一个很长的螺线管，其内部的磁场大小用下面的公式计算：H=nI。在这个公式中，I是流过螺线管的电流，n是单位长度内的螺线管圈数。

如果有两条通电的直导线相互靠近，会发生什么现象？我们首先假设两条导线的通电电流方向相反。那么，根据上面的说明，两条导线周围都产生圆形磁场，而且磁场的走向相反。在两条导线之间的位置会是说明情况呢？不难想象，在两条导线之间，磁场方向相同。这就好像在两条导线中间放置了两块磁铁，它们的N极和N极相对，S极和S极相对。由于同性相斥，这两条导线会产生排斥的力量。类似地，如果两条导线通过的电流方向相同，它们会互相吸引。

如果一条通电导线处于一个磁场中，由于导线也产生磁场，那么导线产生的磁场和原有磁场就会发生相互作用，使得导线受力。这就是电动机和喇叭的基本原理。

电磁感应

1820年奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁能否产生电，磁能否对电作用的问题。1822年阿喇戈和洪堡在测量地磁强度时，偶然发现金属对附近磁针的振荡有阻尼作用。1824年，阿喇戈根据这个现象做了铜盘实验，发现转动的铜盘会带动上方自由悬挂的磁针旋转，但磁针的旋转与铜盘不同步，稍滞后。电磁阻尼和电磁驱动是最早发现的电磁感应现象，但由于没有直接表现为感应电流，当时未能予以说明。

1831年8月，法拉第在软铁环两侧分别绕2个线圈 ，其一为闭合回路，在导线下端附近平行放置一磁针；另一与电池组相连，接开关，形成有电源的闭合回路。实验发现，合上开关，磁针偏转；切断开关，磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第立即意识到，这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他做了几十个实验，把产生感应电流的情形概括为5类：变化的电流， 变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体。并把这些现象正式定名为电磁感应。

如果把一个螺线管两端接上检测电流的检流计，在螺线管内部放置一根磁铁。当把磁铁很快地抽出螺线管时，可以看到检流计指针发生了偏转，而且磁铁抽出的速度越快，检流计指针偏转的程度越大。同样，如果把磁铁插入螺线管，检流计也会偏转，但是偏转方向和抽出时相反。

为什么会发生这种现象呢？我们已经知道，磁铁会向周围的空间发出磁力线。如果把磁铁放在螺线管中，那么磁力线就会穿过螺线管。这时，如果把磁铁抽出，磁铁远离了螺线管，将造成穿过螺线管的磁力线数目减少（或者说线圈内部的磁通量减少）。正是这种穿过螺线管的磁力线数目（也就是磁通量）的变化使得螺线管中产生了感生电动势。如果线圈闭合，就产生电流，称为感生电流。如果磁铁是插入螺线管内部，这时穿过螺线管的磁力线增多，产生的感生电流和磁铁抽出时相反。

那么，如何决定线圈中感生电动势的大小和方向呢？从上面的实验我们知道，磁铁抽出的快慢决定检流计指针的偏转程度，这实际上是说，线圈中的感生电动势的大小与线圈内部磁通量的变化率成正比。这称为法拉第定律。

通过实验我们可以证实，如果磁铁抽出，导致线圈中的磁通量减少，那么在线圈中产生的感生电流的方向是：它所产生的磁通量能够补偿由于磁铁抽出引起的磁通量降低，也就是说，感生电流所产生的磁通量总是阻碍线圈中磁通量的变化。这称为楞次定律。如果磁铁从线圈中向上抽出，将使得线圈中的磁通量减少，这时如果线圈是闭合的，线圈中产生感生电流，该感生电流的方向是：它产生的磁力线的方向也指向下方，以补偿由于磁铁抽出导致的磁通量减少。

变化的磁场可以在线圈中感应出电流，这就是发电机和麦克风的基本原理。

电磁感应现象的发现，乃是电磁学领域中最伟大的成就之一。它不仅揭示了电与磁之间的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础，为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，在实用上有重大意义。电磁感应现象的发现，标志着一场重大的工业和技术革命的到来。事实证明，电磁感应在电工、电子技术、电气化、自动化方面的广泛应用对推动社会生产力的发展和科学技术的进步都发挥了重要的作用。

直流电

直流电，又称恒流电，恒定电流是直流电的一种，是大小和方向都不变的直流电。直流电所通过的电路称直流电路，是由直流电源和用电器构成的闭合导电回路。在该直流电路中，形成恒定的电场。在电源外，正电荷经电阻从高电势处流向低电势处，在电源内，靠电源的非静电力的作用，克服静电力，再从低电势处到达高电势处，如此循环，构成闭合的电流线。所以，在直流电路中，电源的作用是提供不随时间变化的恒定电动势，为在电阻上消耗的焦耳热补充能量。

什么是电和磁?

电与磁的本质

一、电性

依据物质均有电性，而电性有正负之分，且“同电相斥，异电相吸”，可得此结论：

1、任何物质，均可对外释放特定的能量—培让含—否则配笑，其无法对其它蕴含能量的物质，产生影响。

2、此特定的能量，所蕴含的能量大小，远小于释放其的物质（可认为前者较后者，低一个能量级别）——否则，在短时间内，物质便会因释放滑宽特定的能量（简称为低释），而出现明显的质量损失。

3、任何物质，所低释的能量的种类，均相同，且必为2种——使物质显正性的能量，为阳能；使物质显负性的能量，为阴能。

4、若特定物质，所释放的阳能的强度，大于阴能，则其呈正性；所释放的阳能的强度，小于阴能，则其呈负性；若两者相当，则其呈中性（即既呈正性，又呈负性）。

5、电中性，是物质最稳定的状态；任何非电中性的物质，均有向电中性衍化的趋势。且物质的电性，越偏离电中性，则越不稳定；越接近电中性，则越稳定。

综上，物质因释能时，所低释的阳能与阴能的强度存在差异，而呈现出的性质，是为电性。

二、磁性（一）

如欲明白磁的本质，须先知晓低释与运动的关联：

1、任何物质，都必须低释且运动。

2、低释和运动，是物质进行能量消减、仅有的两种方式。

3、能量的消减，可使物质更为稳定。

4、在封闭的系统中，特定物质在特定时间内，所消减的能量的强度，必为定值。

5、若特定物质经低释所消减的能量增多，则其经运动所消减的能量将减少；反之，若经运动所消减的能量增多，则经低释所消减的能量将减少。

6、对于不具备体积的物质（可视为内部的能量绝对均匀分布的具备体积的物质）而言，其在对外的各方向上，所消减的能量的强度均相同。

三、磁性（二）

特定物质由于运动，使得其内同一能心线（指过特定物质的质心，两端终于其表面的虚拟线段）上，相反的两方向上，所低释的能量强度存在差异，而呈现出的性质，是为磁性。具备磁性的物质，是为带磁体。

磁性有磁阳性与磁阴性之分。

特定物质由于运动，在特定能心线的某方向上：所低释的能量强度高于反方向，而在此能心线的此方向上呈现出的性质，是为磁阳性；所低释能量强度低于反方向，而在此能心线的此方向上呈现出的性质，是为磁阴性；所低释的能量强度等于反方向，而在此能心线的此方向上不具备磁性，是为磁中性。

四、磁性（三）

在呈磁阳性的方向上，特定物质所低释的能量强度越大于反方向，则其在此能心线的此方向上，磁阳性越强；反之，则越弱。

同理，在呈磁阴性的方向上，特定物质所低释的能量强度越小于反方向，则其在此能心线的此方向上，磁阴性越强；反之，则越弱。

特定物质的同一能心线上，相反的两方向上，所低释的能量相抵消后，而剩余的能量，是为磁能。正是磁能的存在，使得特定物质在此能心线上，具备磁性。

所以，只要特定物质的同一能心线上的两相反反向上，所低释的能量的强度，存在差异——那么，此能心线上，便存在磁能。

显然，与运动方向的夹角（0~90°）越大的能心线上，特定物质的磁能的强度越小，磁性相应越弱；反之，与运动方向的夹角（0~90°）越小的能心线上，特定物质的磁能的强度越大，磁性相应越强。

五、磁极

过特定物质质心，且与其运动方向垂直的虚拟平面，是为磁对称面。

磁对称面将特定物质一分为二，其中：与运动方向同向的部分，整体呈磁阴性，称为磁阴极；与运动方向反向的部分，整体呈磁阳性，称为磁阳极。

磁阳极与磁阴极，合称磁极。可以确定，人们习惯使用的N极与S极，分别对应着磁阳极与磁阴极。

磁极具备明显磁性的物质，是为磁体；磁极不具备明显磁性的物质，是为磁中体。

须知特定物质的磁性越弱（即越接近磁中性），越为稳定；磁性越强，越不稳定。所以，同能级的不同磁体，将出现“同极相斥，异极相吸”的现象。

磁阳极或磁阴极总的磁性强度，便是相应磁体磁性的强度。与电性相同，磁性亦可叠加或抵消。对磁中体而言，磁极的磁性不明显，既可因运动速率低引起，亦可由内部物质的磁性相互抵消所致。

六、磁与电的转化

至此，想必各位对磁与电的转化原理，已有较为深入的认识。

未通电时，电子的运动方向并无规律可循；导线内，各电子的磁性基本相互抵消，故导线为磁中体。通电后，大量的电子沿导线定向运动，导线内移动的电子的磁性相互叠加，故导线成为磁体——此即电生磁的原理。

磁感线，实是人为虚拟出的磁性强度线。同一磁感线上，磁性的类型与强度相同——换而言之，同一磁感线上，任意两点间，并无磁能存在。

同理可知，均匀的磁场，实为磁中体——其内任意两点之间，所低释的能量强度，并不存在差异。所以，磁体在均匀的磁场中，并不会因磁性而运动。

而导线做切割磁感线的运动时，运动前后，两处的磁场强度不同，故两者之间存在磁能与磁性，从而诱发具备磁性的电子定向运动，进而产生电流——此即磁生电的原理。

电与磁之间的三个效应？

① 动电生磁。

③ 动磁生电(电磁感应)。

③ 磁场对电流有力的作用。