《中国大百科全书（第2版）》读书笔记9069-电磁学

电磁学 electromagnetism

研究电荷静止或运动时产生的电磁现象以及物质电磁性质的学科。属于经典物理。电与磁的研究涉及广泛的领域，随着科学技术的发展，某些带有专门知识和技术的内容逐渐分出去，形成专门的学科，如电子学、电工学、电机学、电化学、等离子体物理学、计算机科学、通信技术等。电磁学本身则仅限于电磁现象中较为基本的内容。

1.发展简史

人类对电和磁的认识可追溯到公元前600年，已有磁石吸铁、磁石指南北和琥珀经摩擦起电能吸引轻小物体的记载。

16世纪W.吉伯对前人有关磁的研究进行了总结：他发明了第一个验电器，发现更多的物质摩擦后可带电；注意到带电与磁的区别，把它们看成两种无关的独立现象。

17世纪O.von盖利克发明了摩擦起电机，18世纪电的研究才迅速发展起来，发现了导体与绝缘体的区别，认识到电有两种，发明了可储存电的莱顿瓶。

1747年B.富兰克林提出电荷守恒，并用正负号表示两种电荷。

1767年J.普里斯特利猜测电力与万有引力有相似的规律，都与距离平方成反比，后来分别被C.-A.de库仑和H.卡文迪什用实验证实，从此电的研究开始进入科学的行列。

后来，通过S.-D.泊松等人的工作，发展了静电学的解析理论。

18世纪末电学研究的重要进展是A.伏打在L.伽伐尼青蛙实验的基础上认清了产生持续电流的原因而发明了电池，为动电的研究提供了条件。

进入19世纪，先后发明了一系列动电的应用，如电解、电弧照明、电镀等。最为重要的成就是，1820年H.C.奥斯特发现了电流的磁效应，电流引起导线近旁的磁针偏转，结束了电与磁相互割裂开来研究的历史，开拓了电磁学研究的新纪元。

紧接着A.-M.安培提出磁的本源是电流，他和J.-B.毕奥、F.萨伐尔等进而研究稳恒电流与恒磁场相互作用的定律。

1826年G.S.g.欧姆发现物质导电定律，到1848年G.R.基尔霍夫澄清了电势差、电动势和电场强度等概念，使欧姆理论与静电概念协调起来，解决了分支电路问题。

1831年M.法拉第发现了电磁感应现象，可供实用的自激发电机和电能的远距离输送相继发明和实现，为能源的开发和利用开创了崭新前景。

电动机的广泛使用，极大地改变了工业生产的面貌。法拉第在对于电磁现象的研究中，逐渐形成了他特有的场观念，这一不朽的思想对物理学的发展起着重大的推动作用。场是物质存在的基本形式。

1864年J.C.麦克斯韦建立一组电磁场的普遍方程组来体现法拉第的场思想，这一组简洁的数学方程（即麦克斯韦方程组）不仅可推论出电磁波，而且把电磁学和光学综合为一体。

麦克斯韦电磁理论通过1888年H.R.赫兹电磁波实验的证实，开辟了一个全新的电磁波的应用和研究的领域。以后电子管和晶体管的发明、通信技术的发展、电子计算机的出现，极大地改变了科学技术、工业生产、人类生活以及社会交往的各个方面。

1896年H.A.洛伦兹提出“电子论”，将麦克斯韦理论应用到微观领域，并把物质的电磁性质归结为原子中电子的效应，这样可具体说明物质的极化、磁化、导电等现象，物质对光的吸收、散射和色散现象以及光在运动介质中的传播等，把麦克斯韦理论向前推了一大步。

电磁学的进一步发展导致1905年A.爱因斯坦建立狭义相对论，它否定了绝对静止惯性系，确认相对性原理是物理学的基本原理。狭义相对论不仅发展了电磁理论，而且对整个物理学的发展具有划时代的推动作用。

20世纪物理学的发展，在带电粒子与电磁场的相互作用上，使经典电磁理论遇到了困难。经典理论的局限性在于：对带电粒子的描述忽略了其波动；而对电磁波的描述又忽略了其粒子性。于是在波粒二象性的基础上发展了量子电动力学。

2.基本内容

主要包括静电场、恒磁场、电磁场、电路、物质的电磁性质和电磁效应。

2.1.静电场

研究静止电荷与静电场的相互作用，基本规律有三条：

①库仑定律。真空中两个静止点电荷和之间作用力的大小与与的乘积成正比，与它们之间的距离平方成反比，作用力的方向沿它们之间的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸，用公式表示为：

式中是施力电荷指向受力电荷的径矢，法/米，称为真空电容率。

②叠加原理。电荷系对某一电荷的作用力等于电荷系中各电荷单独存在时对它的作用力的矢量和。

③电荷守恒定律。任何物理过程中，体系的电荷代数和保持不变。

电荷之间的相互作用力是通过电荷产生的电场相互作用的，电荷产生的电场用电场强度E来描述。根据库仑定律和叠加原理可导出静电场基本性质的两个定理：

①高斯定理。通过任意闭合面的电通量等于闭合面所包围的电荷代数和除以，或电场的散度等于电荷密度除以，即。

②环路定理。电场对任意闭合曲线的线积分恒等于零，或电场的旋度恒等于零，即，静电场是非旋场，可引入电势概念。

点电荷在电场中所受的作用力为，点电荷在电场中由点移动到点，电场力所做的功为，，和分别是、两点的电势。由此可计算任意带电体在电场中受到的力和移动电荷电场力所做的功，从而得知带电体在电场中的运动。

2.2.恒磁场

研究稳恒电流与恒磁场的相互作用。电流之间的磁相互作用是通过磁场传递的。场用磁感应强度B描述。真空中稳恒电流产生的磁场遵从毕奥-萨伐尔定律：

式中为电流元，为电流元到场点的径矢，积分遍及整个电流回路，亨/米，称为真空磁导率。据此，可导出恒磁场基本性质的两个定理，磁的高斯定理和安培环路定理，j是电流密度。这表明恒磁场是有旋无源场。

电流元在磁场中所受的力满足安培力公式。速度为的带电粒子在磁场中所受的力满足洛伦兹力公式。同时存在电场和磁场时，运动电荷所受的洛伦兹力为。

2.3.物质的电性质和电磁效应

物质在电场和磁场中具有特殊的性质，并产生特殊的效应，它们在实际问题中具有广泛的应用价值。

物质按其导电性能的不同可分为两种极端情形：导体和绝缘体（电介质）。导体内存在可运动的自由电荷。当导体的成分和温度均匀时，达到静电平衡的条件是导体内部的电场恒等于零。由此可得导体静电平衡的一些性质，如导体是等势体，电荷只能分布在导体表面，接地导体空腔起静电屏蔽作用，两个导体板靠得很近的系统组成电容器并可容纳电荷等。电介质在电场中被极化，介质表面和体内将出现束缚的极化电荷，有介质存在时的电场规律为，式中为电位移，为自由电荷密度。对于各向同性线性介质，，为介质的相对电容率。在两种不同电介质界面上电场强度的切向分量连续，，电位移的法向分量连续，。

磁介质在磁场中被磁化，介质的表面和体内出现磁化电流。有介质存在时的磁场规律为，，式中为磁场强度，为传导电流密度。对于各向同性线性磁介质，，为介质的相对磁导率。在两种不同磁介质的分界面上，，。

物质中的电磁效应是电磁学与物理学其他分支之间联系的纽带，其种类繁多，有许多已成为或正在发展为专门研究领域。可列举一些如下：电致伸缩、压电效应，逆压电效应、塞贝克效应、珀耳帖效应、汤姆孙效应、热敏电阻、光敏电阻、光生伏打霍耳效应、磁致伸缩、磁声效应、磁热效应、磁光效应、克尔效应等。对于名种电磁效应的研究，有助于了解物质的结构及物质中发生的基本过程；在技术上，它们也是实现能量转换、非电量电测以及控制技术的基础。

2.4.电磁场

研究随时间变化的电磁场是电磁学的普遍情形。法拉第电磁感应定律表述为闭合线圈内产生的感应电动势的大小与穿过线圈的磁通量的变化率成正比，，式中负号反映感应电动势的方向。磁场变化时产生的感应电动势是由于变化的磁场在其周围产生有旋的感应电场，它与电荷激发的电场不同，满足。普遍情形下，总电场为两者的矢量和，总电场满足的方程为：

（1）

（2）

变化的电场在其周围也激发有旋的磁场，总磁场为电流激发的磁场与变化电场激发的磁场的矢量和，总磁场满足的方程为：

（3）

（4）

式中为位移电流密度，主要成分是变化的电场。(1)～（4）式是普遍情形下的麦克斯韦方程组。它同物质的介质方程（，，）、洛伦兹力公式以及电荷守恒定律结合起来，可解决各种动力学问题。

根据麦克斯韦方程组可解出变化的电磁场以波的形式传播，电波在真空中的波速为米/秒，与光在真空中的传播速度相同，说明光是电磁波，从而光学被纳入电磁学的范围。

电磁场具有能量，能量密度。电磁中存在能流，能流密度为。电磁过程遵从能量守恒定律。电磁场还具有动量和动量流，电磁过程还遵从动量守恒定律。

2.5.电路

包括直流电路和交流电路。直流电路研究电流稳恒条件下的电路定律和性质。直流电路中除了电源外只有电阻。物质导电的基本定是欧姆定律，电压等于电流乘以电阻，微分形式是，是物质的电导率。直流电路定律是基尔霍夫方程组，本质上是电荷守恒定律和环路定理的重新表述。

交流电路中除了电阻之外还有电感和电容。电源电动势和电路电流时间变化，引起空间电场和磁场变化，存在电磁感应和位移电流引起的电磁波。当交流电频率远小于赫时，电压概念仍然有效，电路的基本定律仍为基尔霍夫方程组。电路中电流与电压之间存在相位差，从而带来一系列直流电路所没有的电路特性，如谐振、滤波、相移、瞬态等，在实际中有广泛的应用。当频率高于赫，电路中电磁波的传播效应不可忽略，原则上应该用麦克斯韦方程组处理。某些特殊情形下，尚可在限定范围内引入横向电压、分布电感和分布电容等概念，使处理简化。

3.地位和影响

电磁学是经典物理中较为重要的分支，它可说明各种宏观电磁现象。由于电结构是物质的基本组成形式，电磁场是物质世界的重要组成部分，电磁作用是物质的基本相互作用之一，电过程是自然界的基本过程，因此电磁学已渗透到物理学的各个领域，成为研究物理过程必不可少的基础。此外，它也是研究化学和生物学基本过程的基础。

另一方面，电与磁同其他运动形式之间的转化方便，传递迅速、准确，便于控制电磁技术在能源开发输送和使用方面起着重要作用，它使人类可更广泛、更有效、更方便地利用一切可利用的能源。电磁技术还在机电控制和自动化，信息的传递和处理，利用各种电磁效应实现非电量的电测方面也具有重要意义。电磁学也是技术科学的重要基础，在科学技术的不断发展中显示其深远影响。

推荐书目

杰克逊 JD. 经典电动力学. 朱培豫，译. 北京：人民教育出版社，1978.

赵凯华，陈熙谋. 2版. 北京：高等教育出版社，1985.

俞允强. 电动力学简明教程. 北京：北京大学出版社，1999.

WHITTAKER E T. A History of the Theories of Aether and Electricity. London: Thomas Nelson and Sons, 1953.

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第5册，中国大百科全书出版社，2009年