Question

电与磁的关系是什么？

Answer 1

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，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。