这两种现象共同构成了电磁学的基础
一个简单的电磁体展示了电和磁是如何连接的。
电和磁是与电磁力相关的独立而又相互关联的现象。它们共同构成了电磁学这一重要物理学科的基础。可以有电场而没有磁场,反之亦然。但是,移动的电荷总是具有相关的磁场,而永磁体具有磁场而没有电流。
- 电和磁是由电磁力产生的两种相关现象。它们一起形成电磁力。
- 移动的电荷产生磁场。
- 磁场感应电荷运动,产生电流。
- 在电磁波中,电场和磁场彼此垂直。
除了重力引起的行为外,日常生活中几乎所有发生的事情都源于电磁力。它负责原子之间的相互作用以及物质和能量之间的流动。其他基本力是弱核力和强核力,它们控制放射性衰变和原子核的形成。
由于电和磁非常重要,因此最好从基本了解它们是什么以及它们如何工作开始。
电是与静止或移动电荷相关的现象。电荷源可以是基本粒子、电子(带负电荷)、质子(带正电荷)、离子或任何正负电荷不平衡的较大物体。正电荷和负电荷相互吸引(例如,质子被电子吸引),而同种电荷相互排斥(例如,质子排斥其他质子,电子排斥其他电子)。
常见的电示例包括闪电、来自插座或电池的电流以及静电。常见的电的SI 单位包括电流的安培 (A)、电荷的库仑 (C)、电势差的伏特 (V)、电阻的欧姆 (Ω) 和功率的瓦特 (W)。静止的点电荷具有电场,但如果电荷运动,它也会产生磁场。
磁性被定义为移动电荷产生的物理现象。此外,磁场可以感应带电粒子移动,产生电流。电磁波(例如光)同时具有电和磁成分。波的两个分量沿相同方向传播,但彼此成直角(90 度)。
与电一样,磁力在物体之间产生吸引力和排斥力。虽然电基于正电荷和负电荷,但不存在已知的磁单极子。任何磁性粒子或物体都有“北极”和“南极”,其方向基于地球磁场的方向。磁铁的同极相互排斥(例如,北极排斥北极),而异极相互吸引(北极和南极相互吸引)。
常见的磁性示例包括指南针对地球磁场的反应、条形磁铁的吸引和排斥以及电磁体周围的磁场。然而,每个移动的电荷都有一个磁场,因此原子的轨道电子会产生一个磁场;存在与电源线相关的磁场;硬盘和扬声器依靠磁场来发挥作用。磁性的关键 SI 单位包括表示磁通密度的特斯拉 (T)、表示磁通量的韦伯 (Wb)、表示磁场强度的安培每米 (A/m) 和表示电感的亨利 (H)。
电磁学一词来自希腊语elektron(意思是“琥珀”)和Magnesis lithos(意思是“镁石”,这是一种磁性铁矿石)的组合。古希腊人熟悉电和磁,但认为它们是两种不同的现象。
直到詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 于 1873 年发表《电与磁论》时,人们才对电磁学 关系进行了描述。麦克斯韦的著作包括 20 个著名的方程,这些方程后来被简化为四个偏微分方程。方程所表示的基本概念如下:
- 同电荷相斥,异电荷相吸。吸引力或排斥力与它们之间的距离的平方成反比。
- 磁极总是以南北对的形式存在。同类相斥,异类相吸。
- 电线中的电流会在电线周围产生磁场。磁场方向(顺时针或逆时针)取决于电流方向。这就是“右手定则”,如果您的拇指指向当前方向,则磁场的方向将遵循您右手的手指。
- 将线圈移向或远离磁场会在导线中感应出电流。电流的方向取决于运动的方向。
麦克斯韦的理论与牛顿力学相矛盾,但实验证明了麦克斯韦方程组。这场冲突最终由爱因斯坦的狭义相对论解决。