浅析电磁学在日常生活中的应用

汪祖荫

摘 要：日前，拥有中国自主知识产权的磁悬浮列车正式下线使用，载客量与速度进一步提升。众所周知，磁悬浮列车能够平稳运行的技术关键就是电磁学相关技术。从人类历史的发展来看，电磁学产生和研究极大地推动了人类科技的发展，对人类具有重要意义。本文从电磁学的发展史与基本原理说起，对电磁学在家电、交通工具、指南针以及手机中的应用进行了分析，并对电磁学未来的发展进行了大胆预测。

关键词：电磁学;电磁感应现象;生活;应用

中图分类号：R31 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0223-02

0 引言

2018年6月13日上午，恰逢商用磁悬浮列车1.0版本的长沙磁浮快线安全运行两周年之际，拥有中国自主知识产权的磁悬浮列车2.0版本在中车株洲电力机车有限公司正式下线，这也是我国首辆商用2.0版本的磁悬浮列车。据悉，该版本磁悬浮列车将时速从100公里提升到160公里，最大载客量提升至500人。下线现场，吸引了众多慕名前来试乘体验的车迷。2.0版本的磁悬浮列车，从技术研究到生产制造，从试验验证最后到商业运营整个过程中，每一步都拥有中国自主知识产权，每一步都是“中国制造”。

我们都知道磁悬浮列车运行的主要原理是电磁学中的电磁感应现象。电磁感应现象揭示了电与磁的相互作用关系，从被发现开始就为人类的社会生活发展提供了巨大的源动力，使今天所见到的、所使用的一切都成为可能。电磁学带来了技术上的重大变革，未来也将持续发挥重要作用。接下来我们将共同认识电磁学，一起回到生活中看一看那些基于电磁学所产生的应用产品。

1 电磁学简介

1.1 电磁学发展史

电磁学的发展对人类发展来说具有不可磨灭的贡献。这一项伟大的科学发展要从1650年说起，这一年德国物理学家格里凯在研究静电的过程中发明了摩擦起电机，使得人类获得了取得静电的方法。70年后的1720年，英国牧师格雷发现了导体和绝缘体之间的差别以及静电感应现象。1933年，正电荷和负电荷被杜菲发现，同时发现的还有静电的相互作用特点，即同性相斥，异性相吸。1745年，储电机被创造出来，为人类后续针对电的研究提供了一个非常重要储存工具。人类历史的进步，是很多前人冒着生命危险进行探索的成果，就像1752年富兰克林为了研究放电现象进行的著名的风筝实验，他冒着生命危险为人类带来了避雷针。接着，1777年，库伦通过对毛发和金属丝扭转弹性的研究发明了扭秤，随后的幾年间，就通过扭秤测量出了一种微小的作用力——库仑力，发现了库伦定律，也即真空中静止的两个电荷之间的相互作用力与距离的平方成反比，与电荷量的乘积成正比。

历史继续发展，每一次偶然都可能会成为人类历史发展的落脚点。1820年，奥斯特在上课做实验的时候，偶然发现当导线中通电后，它旁边的小磁针发生了偏转，进一步研究就发现了电与磁之间的作用力。这个发现传到巴黎后引发了物理学家安培的思考，他想既然电流与磁场之间有作用力，磁场与磁场之间也有作用力，那么电流与电流之间会是怎样影响的呢？经过安培实验论证，他发现两个通电线圈之间也存在相互作用力，并验证了电流方向与磁针转动方向之间的关系，也就是大家都知道的右手定则。同时，他于1822年用数学形式描述了电流产生磁力的现象，也就是安培定律，一并提出的还有著名的安培分子电流假说。这之后，电与磁之间的关系一直在被研究，但直到十多年后才有了重要进展，这一年法拉第发现了电磁感应现象，提出了著名的法拉第电磁感应定律。这一发现为现在能够大规模用电打下了坚实的基础，即使到了现在，依然在使用这种发电方式进行发电。更重要的是，这一现象的发现促进了人类社会从蒸汽机时代到电气时代跃迁。1831年，法拉第又利用铁粉证明了磁力线的存在，并把充满磁力线的空间叫作场，但法拉第的数学能力并没支撑他用严密的数学将其表示出来，直到1837年麦克斯韦完成了这项工作，他用数学语言简洁地概括了所有的电磁现象，那就是著名的麦克斯韦方程组。1883年，一项意义重大的现象被赫兹发现，那就是电磁波。

1.2 电磁学基本原理

电磁学主要研究电磁现象的规律和应用，也可以说是电学与磁学的交互关系，电磁学的研究基于两个重要的实验现象，那就是变化的磁场产生电流以及电流的磁效应。

奥斯特在实验中发现了电流的磁效应，也即通电的导线周围会产生磁场。再此基础上，安倍也进行了进一步的研究，发现两条平行放置的导线，如果电流方向一致，则发生相互吸引的现象;反过来如果电流方向相反，则发生相互排斥的现象，由此提出了安培定律。法拉第也在奥斯特的研究基础上进一步进行研究，结果通过实验证明了磁也能够产生电，即当闭合回路中的磁通量发生变化时回路中就会产生电流，这就是著名的法拉第电磁感应定律。

2 电磁学在日常生活中的应用

变化的磁场能够产生电场，运动的电荷也能产生磁场，这一奇妙的现象为我们揭开了电与磁之间神秘的面纱。电磁学的发展为人类社会发展奠定了坚实的基础，也为我们生活中的衣食住行提供了便利的工具，生产生活中处处都能够看到基于电磁学设计的用品。

2.1 家电中的应用

现在的家庭生活中，厨房里电磁炉和微波炉几乎是必不可少的，它能够在短时间内完成对食物的烹饪或者加热，极大地便捷了我们的生活，节省了时间。电磁炉可以说是这几年新兴的厨具，与传统使用明火加热的的方式不同的是，它是利用磁场产生的感应电流进行加热的。电磁炉内部盘着一圈圈的导线，打开开关后导线接入交流电，导线周围会产生磁场。当锅具放置在电磁炉表面后，不断变换方向的磁场穿过锅具产生电流进而使得锅具发热，完成烹饪食物的效果。微波炉也是利用电磁学相关原理进行工作的。从微波炉的外观可以看出，微波炉的装置非常简单，能见的主体结构只有一个烹调箱，把食物放置在烹调箱中，打开电源后，电源会向磁控管提供4000伏左右的高压，磁控管将电压转换为超短电磁波，并发射到箱内各处，被食物吸收后引起食物内分子的高速运动，大量的运动产生大量的热，食物便因此被加热。

2.2 交通工具中的应用

除了厨具以外，人们日常出行中的电磁学应用也十分广泛，如开篇曾提到过的磁悬浮列车就是最典型的应用。磁悬浮列车的运行原理有两个，一种利用的是磁场之间同性相斥的性质，另一种是利用了磁场之间的异性相吸原理。利用同性相斥原理运行的列车，轨道上的线圈产生的磁场与车上超导体磁铁的磁场为同性磁场，两个磁场产生排斥现象，帮助列车抵抗地心引力悬浮在空中，使列车能够平稳运行。利用异性相吸原理运行的列车，会在车底部和两侧安置磁铁，并在轨道中设置能够控制电流的反作用板和感应钢板，使得电磁铁与轨道间保持10～15毫米的间隙，在牵引力的作用下使得列车能够通畅运行。

磁悬浮列车的研究最早始于德国，随着技术的发展，日本、美国、中国、加拿大、法国等国家都开始了磁悬浮列车相关技术的研究，并于2009年6月1日我国首列自主研发的磁悬浮列车下线运行。如果没机会试乘磁悬浮列车，那么另一个常见的电磁学应用你绝对见过，即汽车车速表。我们知道，在汽车行驶的过程中，汽车真实速度与车速表的指针角度成正比，这里应用了电磁感应现象。法拉第电磁感应定律告诉我们，闭合电路中的导体在做切割磁感线运动时，导体中会产生感应电流。车速越快驱动轴转速越快，驱动转轴内置的磁铁随之转动。磁铁的磁力線在导体中产生电流，电流产生的磁场又与磁铁的磁场产生相互吸引的力，使得指针发生偏转，完成指示动作。

2.3 指南针中的应用

中国的四大发明之一——指南针，是较早利用电磁学相关原理发明出来的工具。早在战国时期人们就开始利用指南之辨别方向。指南针的原理比较简单，在地球这个大磁场中，一个小磁针会永远指向磁场方向，所以能够帮助我们指引方向。即使现在科技已经十分发达，但是依然还有很多领域在依靠指南针指引方向，比如地质勘探、野外生存、旅行等。

2.4 手机中的应用

电磁学除了帮助我们创造了很多的产品之外，还在通讯方式上我们带来了巨大的变革。我们经历了漫长的书信沟通时代，直到电磁波开始被应用后，人类的通信方式开始改变为方便的手机通讯。每台手机其实就是一个电台，通过接收和发射电磁波信号完成信息的发送和接收。但随着通讯技术的逐渐精进，电磁屏蔽技术也开始被需要，电磁屏蔽同样使用的电磁学技术。使用一个能导电、不能够直接穿透的屏蔽体，对电磁波进行反射、吸收和引导，起到对电磁波的屏蔽作用。

3 电磁学的发展趋势

电磁学是一门研究电与磁之间关系的科学，从产生到发展经历了一个漫长的历程。电磁学的产生对人类自身发展具有重要意义，更是为人类带来了更多的发展动力，未来我们将在电磁学领域继续深入研究，以期将电磁学的作用发挥至最大。

3.1 与其他学科的多维融合

通过前文分析我们不难发现，电磁学的应用中很多都是基于单一的电磁学所涉及的原理设计制造的，虽然已经为我们的生活提供很多的便利，但根据多年来研究人员的研究发现，如果能够将电磁学与其他学科进行多学科融合，产生的作用将不可小觑，比如自旋电子学与半导体物理的交叉融合，实现磁调控与电调控的有机结合，便于探索自旋运动规律。比如与信息物理技术的交叉，实现固态量子计算和量子通讯，引领新一代信息技术等。

3.2 新结构、新效应的探索

法拉第电磁感应定律是电磁学的基本理论，一直以来都是围绕着这一理论进行研究。传统磁学与磁矩之间的相互作用都是基于集体的行为产生的，而这种形式在研究中往往容易忽略了个体的特性。未来，电磁学将更加注重自旋个体的研究，以发挥自旋个体的量子特性。同时，更加注重对自旋自由度的有效操控，通过更多新的思路实现自旋态的控制。

4 结语

经过分析我们知道，在前人的不懈努力下，电磁学的发展经历了很多波折与困难，这一漫长的过程中电与磁的关系由分到合，从无到有不断被研究者一点一点补充完整。这个过程是科学发展的过程也是每一学科的必经之路，这一过程中，越来越多的电磁应用渗透至我们的生活中，为我们的便捷生活做出了很大的贡献。电磁炉、微波炉、磁悬浮列车、汽车车速表、手机信号等等各种各样的应用在生活中扮演着自己的角色，发挥着自己的作用。相信在未来，一定会有更多惊人的产品出现，为人类社会发展做出更大贡献。

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