电磁学的基本内容

电磁学的基本内容

电磁学研究的内容主要包括静电、静磁、电磁场、电路、电磁效应和电磁测量。

静电学是研究静止电荷产生电场及电场对电荷作用规律的学科。电荷只有两种，称为正电和负电。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。电荷遵从电荷守恒定律。电荷可以从一个物体转移到另一个物体，任何物理过程中电荷的代数和保持不变。所谓带电，不过是正负电荷的分离或转移；所谓电荷消失，不过是正负电荷的中和。

静止电荷之间相互作用力符合库仑定律：在真空中两个静止点电荷之间作用力的大小与它们的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比；作用力的方向沿着它们之间的联线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。

电荷之间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（简称场强）来描述。空间某一点的电场强度用正的单位试探电荷在该点所受的电场力来定义，电场强度遵从场强叠加原理。

通常的物质，按其导电性能的不同可分两种情况：导体和绝缘体。导体体内存在可运动的自由电荷；绝缘体又称为电介质，体内只有束缚电荷。

在电场的作用下，导体内的自由电荷将产生移动。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强度处处等于零。根据这一条件，可导出导体静电平衡的若干性质。

静磁学是研究电流稳恒时产生磁场以及磁场对电流作用力的学科。

电荷的定向流动形成电流。电流之间存在磁的相互作用，这种磁相互作用是通过磁场传递的，即电流在其周围的空间产生磁场，磁场对放置其中的电流施以作用力。电流产生的磁场用磁感应强度描述。

电磁场是研究随时间变化下的电磁现象和规律的学科。

当穿过闭台导体线圈的磁通量发生变化时，线圈上产生感应电流。感应电流的方向可由楞茨定律确定。闭合线圈中的感应电流是感应电动势推动的结果，感应电动势遵从法拉第定律：闭台线圈上的感应电动势的大小总是与穿过线圈的磁通量的时间变化率成正比。

麦克斯韦方程组描述了电磁场普遍遵从的规律。它同物质的介质方程、洛仑兹力公式以及电荷守恒定律结合起来，原则上可以解决各种宏观电动力学问题。

根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是存在电磁波，变化的电磁场以电磁波的形式传播，电磁波在真空中的传播速度等于光速。这也说明光也是电磁波的一种，因此光的波动理论纳入了电磁理论的范畴。

电路包括直流电路和交流电路的研究，是电学的组成部分。直流电路研究电流稳恒条件下的电路定律和性质；交流电路研究电流周期性变化条件下的电路定律和性质。

直流电路由导体（或导线）连结而成，导体有一定的电阻。稳恒条件下电流不随时间变化，电场亦不随时间变化。

根据稳恒时电场的性质、导电基本规律和电动势概念，可导出直流电路的各个实用定律：欧姆定律、基尔霍夫电路定律，以及一些解决复杂电路的有效而简便的定理：等效电源定理、叠加定理、倒易定理、对偶定理等，这些实用定律和定理构成电路计算的理论基础。

交流电路比直流电路复杂得多，电流随时间的变化引起空间电场和磁场的变化，因此存在电磁感应和位移电流，存在电磁波。

物质中的电效应是电学与其他物理学科（甚至非物理的学科）之间联系的纽带。物质中的电效应种类繁多，有许多已成为或正逐渐发展为专门的研究领域。比如：

电致伸缩、压电效应（机械压力在电介质晶体上产生的电性和电极性）和逆压电效应、塞贝克效应、珀耳帖效应（两种不同金属或半导体接头处，当电流沿某个方向通过时放出热量，而电流反向时则吸收热量）、汤姆孙效应（一金属导体或半导体中维持温度梯度，当电流沿某方向通过时放出热量，而电流反向时则吸收热量）、热敏电阻（半导体材料中电阻随温度灵敏变化）、光敏电阻（半导体材料中电阻随光照灵敏变化）、光生伏打效应（半导体材料因光照产生电位差），等等。

对于各种电效应的研究有助于了解物质的结构以及物质中发生的基本过程，此外在技术上，它们也是实现能量转换和非电量电测法的基础。

电磁测量也是电学的组成部分。测量技术的发展与学科的理论发展有着密切的联系，理论的发展推动了测量技术的改进；测量技术的改善在新的基础上验证理论，并促成新理论的发现。

电磁测量包括所有电磁学量的测量，以及有关的其他量（交流电的频率、相角等）的测量。利用电磁学原理已经设计制作出各种专用仪表（安培计、伏特计、欧姆计、磁场计等）和测量电路，它们可满足对各种电磁学量的测量。

电磁测量的另一个重要的方面是非电量（长度、速度、形变、力、温度、光强、成分等）的电测量。它的主要原理是利用电磁量与非电量相互联系的某种效应，将非电量的测量转换为电磁量的测量。由于电测量有一系列优点：准确度高、量程宽、惯量小、操作简便，并可远距离遥测和实现测量技术自动化，非电量的电测量正在不断发展。

电学作为经典物理学的一个分支，就其基本原理而言，已发展得相当完善，它可用来说明宏观领域内的各种电磁现象。

20世纪，随着原子物理学、原子核物理学和粒子物理学的发展，人类的认识深入到微观领域，在带电粒子与电磁场的相互作用问题上，经典电磁理论遇到困难。虽然经典理论曾给出一些有用的结果，但是许多现象都是经典理论不能说明的。经典理论的局限性在于对带电粒子的描述忽略了其波动性方面，而对于电磁波的描述又忽略了其粒子性方面。

按照量子物理的观点，无论是物质粒子或电磁场都既有粒子性，又具有波动性。在微观物理研究的推动下，经典电磁理论发展为量子电磁理论。