浅谈对大学物理电磁学的认识

浅谈对大学物理电磁学的认识

电磁学是物理学的一个分支，是物理学中非常重要的内容。电学与磁学领域有著紧密关系，广义的电磁学可以说是包含电学和磁学，但狭义来说是一门探讨电性与磁性交互关系的学科。主要研究电磁波，电磁场以及有关电荷，带电物体的动力学等等。

电磁学的基本理论由19世纪的许多物理学家发展起来，电磁理论已经渗透到物理学的各个领域，是近代物理的重要来源及物理研究必不可少的基础理论之一；电磁规律和理论有着广泛的应用，是研究化学生物等学科必不可少的基础；电磁理论的发展促进了现代科技的发展，如电力工程、信息技术、通讯、传感技术、机电一体化、计算机技术等。

在对电磁学的学习过程中，我深刻体会到它与力学等其他内容的研究和学习方式的不同，而电学和磁学又具有相似之处。下面，我将从几个方面来谈谈我对电磁学学习的认识。

首先我们会接触到“场”这个概念，场的概念具有抽象性，其处理方式也相对较复杂。电磁场是一种由带电物体产生的一种物理场，是物质存在的一种形态，是具有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。处于电磁场的带电物体会感受到电磁场的作用力。电磁场与带电物体之间的相互作用可以用麦克斯韦方程和洛伦兹力定律来描述。电可以生成磁，磁也能带来电，法拉第提出的电磁感应定律表明，磁场的变化要产生电场。之后，麦克斯韦又提出了著名的麦克斯韦方程组，描述了电磁场的分布变化规律。表明了不仅磁场的变化要产生电场，而且电场的变化也要产生磁场。时变场在这种相互作用下，产生电磁辐射，即为电磁波。由此，电与磁在自然界中便有了能量的表现形式。

人们对电磁现象的认识范围，是从静电、静磁、稳恒电流等特殊方面逐步扩大，直到一般的运动变化的过程。《大学物理》的电磁学包括静电场和稳恒磁场以及电与磁的联系三部分的内容.而对于静电场和稳恒磁场的研究方式，运用了类比的方法：

一、知识结构类比

例如: 静电场的基本实验定律——库仑定律；描述静电场的基本物理量——电场强度；反应电场性质的基本定理——电场的高斯定理和环路定理；以及电介质等。静磁场的基本实验定律——毕奥-萨伐尔定律；描述稳恒磁场的基本物理量——磁场强度；反应磁场性质的基本定理——磁场的高斯定理和环路定理；以及磁介质等。

二、概念理解类比

例如：电场和磁场都是矢量场, 电和磁本身是统一的。先了解静电场, 后学习稳恒磁场。在讲解稳恒磁场时就可以类比静电场引入新物理量:从电场线到磁场

线, 从电场强度到磁感应强度, 从电通量到磁通量, 从电偶极矩到分子磁矩, 从电介质到磁介质, 从电极化强度到磁化强度, 从电位移到磁场强度, 从电场能量密度到磁场能量密度等。在概念类比的同时应指出其不同点, 不同点往往是两者根本性质的区别所在。例如: 在进行电场与磁场教学时, 可将电场线与磁感应线进行类比。

三、定理推导类比

因为磁场和电场都属矢量场, 所以研究手段是相同的。而对于矢量场主要把握两个方面: 一是场矢量对任意闭合面的通量( 高斯定理) ；另一个是场矢量对任意闭合回路的环流( 环路定理) 。在讲解静电场中的高斯定理时, 先形象地引入电力线和电通量概念，得出闭合曲面的电通量，再结合熟知的静止点电荷电场强度公式的导出电通量与激发电场的场源电荷的特殊关系( 静电场高斯定理) ，然后利用电场的叠加原理将这一关系推广到对于静电场的还路定理, 是从静电力做功的特点出发, 表明静电力是保守力: 保守力做功与路径无关, 即有 ( 静电场的环路定理) , 其中定义为电场强度的环流。通过类比，可推导出稳恒磁场中的高斯定理和环路定理。从高斯定理和环路定理可以看出静电场和稳恒磁场性质不同: 静电场是保守场( 有源场) , 磁场是非保守场( 涡旋场) ，两者性质的不同。

四、解题方法类比

求解静电场和稳恒磁场的方法是相通的。求静电场的方法: ( 1) 点电荷的电场强度公式+ 叠加原理, 求当已知电荷和场分布具有对称性时, 可直接利用高斯定理； ( 2) 当场分布具有对称性时, 可直接利用环路定理。

这些都是类比法在电场和磁场中的运用，而从以上也不难发现，研究电磁场，对称性原则的运用也是十分经典的。利用对称性可以使许多复杂的电磁学问题简化。例如，已知长度和线密度，要求一段带电细棒在中心轴线处所产生的场强；计算无限大平面所产生的磁场等，利用对称性原理在不知道库仑定律的情况下，可以判断出均匀带电圆环主线上任意点电场的方向；在不知道比奥--萨法尔定律的情况下可以判断出无限长载流导线外任一点的磁感应强度方向；还可以利用对称性判断一些受力或转动等问题。结合高斯定理求电场分布，安培环路定理求磁场分布都体现了运用对称性原则的精妙之处。

虽然电场和磁场是两种完全不同的场，但是自从奥斯特发现电流的磁效应后，人们对电与磁有了全新的认识，知道了电场与磁场有着密切的联系。随着人们对电与磁的认识不断加深，相关电磁理论也逐渐应用到现实生活的方方面面。我们学习了电与磁之间联系的方式与本质，如电磁感应现象、感生电场和位移电流等。电流的磁效应和变化磁场的电效应，以及麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术。