论文: 初中物理电学计算解题探讨 初中物理电学计算是整个初中物理知识的一个重难点学好电学计算对学生的逻辑思维,审题等都有提升培养了学生的创造和创新能力,对以后更高层次的电学学习打下坚实的基础。 [关键词] 计算 串并联电路 公式 解题思路 初中物理电学计算是整个初中物理知识的一个重难点,也是中考考查的重点内容。学生拿到这类题目后往往觉得无从下手,其实学生只要具备相关知识,做好足够的准备工作,而后理清思路,则可解决该题。那么如何才能顺理成章的确解决问题和攻破这个重难点呢?下面将谈一点我不成熟的解题思路和大家一起分享。 一、 认真审题 首先要在脑海里清晰的呈现U、I、R这三者在串、并联电路中各自的特点在串联电路中:I=I1=I2=I3、U=U1+U2+U3、R=R1+R2+R3,在并联电路中:I=I1+I2+I3、U=U1=U2=U3、1/R=1/R1+1/R2+1/R3。要掌握电功、电功率和焦耳定律的基本计算公式和导出公式,并且要知道导出公式的使用范围,即导出公式使用于纯电阻电路中(在纯电阻电路中Q=W)。 其次要认真阅读并分析题目,找出题目中所述电路的各种状态。没有电路图的要画出相应的电路图。根据开关的闭合及断开情况或滑动变阻器滑片的位置情况得出题目中电路共有几种状态,画出每种状态下的等效电路图。在分析电路时如果电路有电压表,则先认为电压表处于断路状态,再分析电路的串并联,然后看电压表和谁并联则测谁的电压。 二、 解答计算 1、 找电源及电源的正极。 2、 看电流的流向。要注意以下几个问题:(1)电路中的电流表和开关要视为导线,电压表视为断路(开路);(2)要注意各个电键当前是处于那种状态;(3)如果电流有分支,要注意电流是在什么地方开始分支,又是在什么地方汇聚。 3、 判断电路的联接方式。一般分为串联和并联,但有些电路是串并、联的混联电路。若不是串联的,一定要理清是哪几个用电器并联,如果还是混联的,还要分清是以串联为主体的混联电路,还是以并联为主体的混联电路。 4、 若电路中连有电压表和电流表,判断它们分别是测什么地方的电压和电流强度。 5、 找出已知量和未知量,利用电学中各物理量之间的关系:即我们平时所说的电路特点;欧姆定律;电功和电功率相关表达式;焦耳定律。然后利用这些关系和已知条件相结合的的方法求解。 在求解的过程中,用不着把每一个物理量都求出来,要根据所给的已知物理量找一种最简单的解题方法。很明显可以看出: 我们要熟练解答电学问题就必须熟练掌握相关的物理知识。 最后需要说明的是,有些问题在每一种状态下并不能直接求出计算结果,这时要把两种或更多种状态结合起来,找出各个关系图中相等的物理量,列方程或列方程组去计算。 以下对某些题型的解法做详细的说明和解答: 例1、如下图所示,电源电压保持不变,R1=8Ω,R2=7Ω,当闭合开关S时,电压表的示数为4V,则电源电压为多少? 一、审题 看题目后,本电路是串联电路,闭合开关,电路只有一种状态,电压表测R1两端的电压。 二、联想相关公式及结论 根据题意用到串联电路中I=I1=I2=I3,U=U1+U2+U3的特点和欧姆定律公式(I=U/R)去计算。 三,解答计算 已知:R1=8Ω,R2=7Ω,U1=4V 求:电源电压U = ? 解:当开关闭合时:夹在R1两端的电压U1=4V。则: 根据欧姆定律可知: I1=U1/R1=4V/8Ω=5A 又因为在串联电路中: I=I1=I2 则: U2=I1R2=5A×7Ω=5V 根据串联电路中电压的关系 : U=U1+U2=4V+5V=5V 例2,如下图所示,当S1闭合,S2、S3断开时,电压表示数为3伏,电流表示数为5安;当S1断开,S2、S3闭合时,电压表示数为5伏,求此时电流表的示数及R1、R2的阻值。 一、审题 看题目后,S1闭合时,S2、S3断开时,电路为一种状态;S1断开,S2、S3闭合时,电路为一种状态。因此,本题必须在电路的两种状态下分别解答。 二、联想相关公式及结论 用到串联和并联电路中U、I、R三者的特点及欧姆定律公式去计算。 三,解答计算 解:S1闭合时,S2、S3断开时,R1、R2是串联。则: R2=U2/I=3V/5A=6Ω S1断开,S2、S3闭合时,R1、R2是并联。则: 可知电源电压 U=5V 则夹在R1两端的电压: U1=U?—U2=5V—3V=5V R1=U1/I=5V/5A=3Ω 则并联的总电阻: R=R1R2/R1+R2=3Ω6Ω/3Ω+6Ω=2Ω 并联干路中的电流: I=U/R=5V/2Ω=25A 例3,如右图所示,当开关S闭合后,滑动变阻器滑片P在B点时,电压表示数为5V,电流表示数为15A;滑片P在中点C时电压表的示数为3V。求: (1) 滑动变阻器R1的最大阻值; (2)电源的电压; (3)电路的最大功率。 一、审题 看题目后,本电路是串联电路,闭合开关,电路只有一种状态,电压表测滑动变阻器R1两端的电压,滑动变阻器的左右滑动改变它接入电路中电阻的大小,进而影响电路中电流的大小变化。 二、联想相关公式及结论 根据题意用到串联电路中I=I1=I2=I3,U=U1+U2+U3的特点和欧姆定律公式(I=U/R)以及电功率相关计算公式去计算。 三,解答计算 解:(1)滑片P在B点时,滑动变阻器全部接入电路,此时电阻最大。则: R1max=U1max/I=5V/15A=30Ω (2) 当滑片P在中点时,R1=15Ω 则此时电路中的电流是:I=U1中/R1=3V/15Ω=2A U=5+15R2 ○1 U=3+2R2 ○2 ○1○2解得: U=9V R2=30Ω (3) 要是电路中的电功率最大,则必须是电路中流过的电流最大,只有当滑动变阻器滑片滑到A点是电阻最小,电流最大。则: P=UImax=9V×(9V/30Ω)=7W 由于篇幅有限,在此便不再做详细说明,开动您的脑筋,自已分析总结。 以上是我一点不成熟的、浅薄的认识,有错误之处还望各位同仁批评指正。 回答人的补充 2009-07-18 15:23 写论文参考资料: 电学知识总结 一, 电路 电流的形成:电荷的定向移动形成电流(任何电荷的定向移动都会形成电流) 电流的方向:从电源正极流向负极 电源:能提供持续电流(或电压)的装置 电源是把其他形式的能转化为电能如干电池是把化学能转化为电能发电机则由机械能转化为电能 有持续电流的条件:必须有电源和电路闭合 导体:容易导电的物体叫导体如:金属,人体,大地,盐水溶液等 绝缘体:不容易导电的物体叫绝缘体如:玻璃,陶瓷,塑料,油,纯水等 电路组成:由电源,导线,开关和用电器组成 路有三种状态:(1)通路:接通的电路叫通路;(2)开路:断开的电路叫开路(有时也叫断路);(3)短路:直接把导线接在电源两极上的电路叫短路 电路图:用符号表示电路连接的图叫电路图 串联:把元件逐个顺序连接起来,叫串联(任意处断开,电流都会消失) 并联:把元件并列地连接起来,叫并联(各个支路是互不影响的) 二, 电流 国际单位:安培(A);常用:毫安(mA),微安( A),1安培=1000毫安=1000000微安 测量电流的仪表是:电流表,它的使用规则是:①电流表要串联在电路中;②电流要从"+"接线柱入,从"-"接线柱出;③被测电流不要超过电流表的量程;④绝对不允许不经过用电器而把电流表连到电源的两极上 实验室中常用的电流表有两个量程:①0~6安,每小格表示的电流值是02安;②0~3安,每小格表示的电流值是1安 三, 电压 电压(U):电压是使电路中形成电流的原因,电源是提供电压的装置 国际单位:伏特(V);常用:千伏(KV),毫伏(mV)1千伏=1000伏=1000000毫伏 测量电压的仪表是:电压表,使用规则:①电压表要并联在电路中;②电流要从"+"接线柱入,从"-"接线柱出;③被测电压不要超过电压表的量程; 实验室常用电压表有两个量程:①0~3伏,每小格表示的电压值是1伏; ②0~15伏,每小格表示的电压值是5伏 熟记的电压值:①1节干电池的电压5伏;②1节铅蓄电池电压是2伏;③家庭照明电压为220伏;④安全电压是:不高于36伏(有些教材中为24伏,但通常情况下指天气晴朗时不高于36伏,阴雨天时不高于12伏);⑤工业电压380伏 四, 电阻 电阻(R):表示导体对电流的阻碍作用(导体如果对电流的阻碍作用越大,那么电阻就越大,而通过导体的电流就越小) 国际单位:欧姆(Ω);常用:兆欧(MΩ),千欧(KΩ);1兆欧=1000千欧; 1千欧=1000欧 决定电阻大小的因素:材料,长度,横截面积和温度(R与它的U和I无关) 滑动变阻器: 原理:改变电阻线在电路中的长度来改变电阻的 作用:通过改变接入电路中的电阻来改变电路中的电流和电压 铭牌:如一个滑动变阻器标有"50Ω 2A"表示的意义是:最大阻值是50Ω,允许通过的最大电流是2A 正确使用:a,应串联在电路中使用;b,接线要"一上一下";c,通电前应把阻值调至最大的地方 五, 欧姆定律 欧姆定律:导体中的电流,跟导体两端的电压成正比,跟导体的电阻成反比 公式: 式中单位:I→安(A);U→伏(V);R→欧(Ω) 公式的理解:①公式中的I,U和R必须是在同一段电路中;②I,U和R中已知任意的两个量就可求另一个量;③计算时单位要统一 欧姆定律的应用: ①同一电阻的阻值不变,与电流和电压无关,其电流随电压增大而增大(R=U/I) ②当电压不变时,电阻越大,则通过的电流就越小(I=U/R) ③当电流一定时,电阻越大,则电阻两端的电压就越大(U=IR) 电阻的串联有以下几个特点:(指R1,R2串联,串得越多,电阻越大) ①电流:I=I1=I2(串联电路中各处的电流相等) ②电压:U=U1+U2(总电压等于各处电压之和) ③电阻:R=R1+R2(总电阻等于各电阻之和)如果n个等值电阻串联,则有R总=nR ④ 分压作用:=;计算U1,U2,可用:; ⑤ 比例关系:电流:I1:I2=1:1 (Q是热量) 电阻的并联有以下几个特点:(指R1,R2并联,并得越多,电阻越小) ①电流:I=I1+I2(干路电流等于各支路电流之和) ②电压:U=U1=U2(干路电压等于各支路电压) ③电阻:(总电阻的倒数等于各电阻的倒数和)如果n个等值电阻并联,则有R总=R ④分流作用:;计算I1,I2可用:; ⑤比例关系:电压:U1:U2=1:1 ,(Q是热量) 六, 电功和电功率 电功(W):电能转化成其他形式能的多少叫电功, 功的国际单位:焦耳常用:度(千瓦时),1度=1千瓦时=6×106焦耳 测量电功的工具:电能表 电功公式:W=Pt=UIt(式中单位W→焦(J);U→伏(V);I→安(A);t→秒) 利用W=UIt计算时注意:①式中的WUI和t是在同一段电路;②计算时单位要统一;③已知任意的三个量都可以求出第四个量还有公式:=I2Rt 电功率(P):表示电流做功的快慢国际单位:瓦特(W);常用:千瓦 公式:式中单位P→瓦(w);W→焦;t→秒;U→伏(V),I→安(A) 利用计算时单位要统一,①如果W用焦,t用秒,则P的单位是瓦;②如果W用千瓦时,t用小时,则P的单位是千瓦 计算电功率还可用右公式:P=I2R和P=U2/R 额定电压(U0):用电器正常工作的电压另有:额定电流 额定功率(P0):用电器在额定电压下的功率 实际电压(U):实际加在用电器两端的电压另有:实际电流 实际功率(P):用电器在实际电压下的功率 当U > U0时,则P > P0 ;灯很亮,易烧坏 当U < U0时,则P < P0 ;灯很暗, 当U = U0时,则P = P0 ;正常发光 同一个电阻,接在不同的电压下使用,则有;如:当实际电压是额定电压的一半时,则实际功率就是额定功率的1/例"220V 100W"如果接在110伏的电路中,则实际功率是25瓦) 热功率:导体的热功率跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比 P热公式:P=I2Rt ,(式中单位P→瓦(W);I→安(A);R→欧(Ω);t→秒) 当电流通过导体做的功(电功)全部用来产生热量(电热),则有:热功率=电功率,可用电功率公式来计算热功率(如电热器,电阻就是这样的) 七,生活用电 家庭电路由:进户线(火线和零线)→电能表→总开关→保险盒→用电器 所有家用电器和插座都是并联的而用电器要与它的开关串联接火线 (另外,火线又可叫作相线) 保险丝:是用电阻率大,熔点低的铅锑合金制成它的作用是当电路中有过大的电流时,它升温达到熔点而熔断,自动切断电路,起到保险的作用 引起电路电流过大的两个原因:一是电路发生短路;二是用电器总功率过大 安全用电的原则是:①不接触低压带电体;②不靠近高压带电体 八,电和磁 磁性:物体吸引铁,镍,钴等物质的性质 磁体:具有磁性的物体叫磁体它有指向性:指南北 磁极:磁体上磁性最强的部分叫磁极 任何磁体都有两个磁极,一个是北极(N极);另一个是南极(S极) 磁极间的作用:同名磁极互相排斥,异名磁极互相吸引 磁化:使原来没有磁性的物体带上磁性的过程 磁体周围存在着磁场,磁极间的相互作用就是通过磁场发生的 磁场的基本性质:对入其中的磁体产生磁力的作用 磁场的方向:小磁针静止时北极所指的方向就是该点的磁场方向 磁感线:描述磁场的强弱,方向的假想曲线不存在且不相交,北出南进 磁场中某点的磁场方向,磁感线方向,小磁针静止时北极指的方向相同 地磁的北极在地理位置的南极附近;而地磁的南极则在地理的北极附近但并不重合,它们的交角称磁偏角,我国学者沈括最早记述这一现象 奥斯特实验证明:通电导线周围存在磁场 安培定则:用右手握螺线管,让四指弯向螺线管中电流方向, 则大拇指所指的那端就是螺线管的北极(N极) 通电螺线管的性质:①通过电流越大,磁性越强;②线圈匝数越多,磁性越强;③插入软铁芯,磁性大大增强;④通电螺线管的极性可用电流方向来改变 电磁铁:内部带有铁芯的螺线管就构成电磁铁 电磁铁的特点:①磁性的有无可由电流的通断来控制;②磁性的强弱可由改变电流大小和线圈的匝数来调节;③磁极可由电流方向来改变 电磁继电器:实质上是一个利用电磁铁来控制的开关它的作用可实现远距离操作,利用低电压,弱电流来控制高电压,强电流还可实现自动控制 电话基本原理:振动→强弱变化电流→振动 电磁感应:闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时,导体中就产生电流,这种现象叫电磁感应,产生的电流叫感应电流应用:发电机 感应电流的条件:①电路必须闭合;②只是电路的一部分导体在磁场中;③这部分导体做切割磁感线运动 感应电流的方向:跟导体运动方向和磁感线方向有关 发电机的原理:电磁感应现象结构:定子和转子它将机械能转化为电能 磁场对电流的作用:通电导线在磁场中要受到磁力的作用是由电能转化为机械能应用:电动机 通电导体在磁场中受力方向:跟电流方向和磁感线方向有关 电动机原理:是利用通电线圈在磁场里受力转动的原理制成的 换向器:实现交流电和直流电之间的互换 交流电:周期性改变电流方向的电流 直流电:电流方向不改变的电流 实验 一伏安法测电阻 实验原理:(实验器材,电路图如下图)注意:实验之前应把滑动变阻器调至阻值最大处 实验中滑动变阻器的作用是改变被测电阻两端的电压 二测小灯泡的电功率——实验原理:P=UI
第1章 绪论1 功能陶瓷的基本性质2 功能陶瓷的分类及应用3 功能陶瓷的发展第2章 功能陶瓷的电导1 量子电导理论初步1 波粒二象性2 费米能级2 电导、电导率与电阻率3 载流子4 离子电导1 晶体的缺陷及其浓度2 离子载流子的迁移3 离子电导率5 电子电导1 晶体中电子的能带2 电子载流子的浓度3 电子载流子的迁移及迁移率4 影响电子电导率的因素6 空间电荷效应7 高温直流负荷下陶瓷材料的电化学老化8 陶瓷的表面电导9 玻璃的电导10 功能陶瓷材料的电导参考文献第3章 功能陶瓷的极化1 极化强度2 表面电荷3 介电系数4 极化强度P与介电系数ε的关系5 克劳修斯?莫索蒂方程6 极化的基本形式1 位移极化2 松弛极化3 其他极化形式7 陶瓷材料的极化1 混合物法则2 陶瓷介质的极化3 介电常数的温度系数和主要的影响因素参考文献第4章 介质耗损1 介质损耗及其基本形式1 介质损耗2 电导损耗3 离子松弛损耗2 有电导的陶瓷介质损耗1 恒定电场下的吸收电流2 交变电场下的极化电流和电流叠加原理3 陶瓷材料的介质损耗1 离子晶体的介质损耗2 玻璃的介质损耗3 电离损耗和结构损耗4 降低陶瓷材料介质损耗的常用方法参考文献第5章 陶瓷材料的击穿1 介质的击穿2 击穿的基本形式1 热击穿2 电击穿3影响陶瓷材料击穿强度的因素1 不均匀介质中电压的分配2 陶瓷中的内电离3 表面放电和边缘击穿4 强电场作用下介质的应力参考文献第6章 铁电体和铁电性1 铁电体2 BaTiO3晶体1 BaTiO3晶体的结构2 BaTiO3晶体的电畴结构3 BaTiO3晶体的介电?温度特性3 BaTiO3基陶瓷的组成结构和性质1 BaTiO3基陶瓷的一般结构2 BaTiO3基陶瓷的电致伸缩和电滞回线3 BaTiO3陶瓷的介电系数?温度特性4 压力对BaTiO3基陶瓷介电性能的影响5 BaTiO3陶瓷的击穿6 BaTiO3陶瓷的老化7 铁电陶瓷的非线性8 BaTiO3陶瓷的置换改性和掺杂改性4 铁电陶瓷的应用1 BaTiO3基介质瓷的应用和典型材料5 反铁电陶瓷的性能及其应用1 反铁电体的微观结构2 反铁电介质陶瓷的特性和用途6 铁电半导体陶瓷材料1 BaTiO3陶瓷的半导化2 影响BaTiO3陶瓷半导化的因素7 半导体陶瓷的应用1 表面层陶瓷电容器2 晶界层陶瓷介质及晶界层陶瓷电容器8 弛豫铁电体、研究与应用1 弛豫铁电体的特性2 弛豫铁电陶瓷材料的研究与发展3 弛豫铁电陶瓷材料的应用参考文献第7章 压电性1 自发极化与铁电性2 压电效应3 压电晶体4 压电陶瓷材料的极化5 压电陶瓷的主要参数1 频率常数N2 机电耦合系数3 机械品质因数4 弹性柔顺常数6 压电陶瓷的压电方程1 第一类压电方程组2 第二类压电方程组3 第三类压电方程组4 第四类压电方程组7 压电振子1 压电陶瓷振子2 压电振子的振动模式8 压电陶瓷性能的稳定性9 压电陶瓷的应用及发展参考文献第8章 功能陶瓷的力学性质1 陶瓷材料的受力形变1 应力?应变曲线2 陶瓷材料的弹性变形3 陶瓷材料的塑性形变2 断裂力学基础1 理论断裂强度2 Griffith断裂理论3 材料的断裂韧性3 提高陶瓷材料强度和韧性的常用方法参考文献第9章 热学性能1 晶格热振动1 一维晶格的本征振动2材料的热容1 热容的概念2 固体热容理论揭示3 材料的德拜温度及相变3 材料的热膨胀性能1 热膨胀系数2 固体热膨胀机理3 热膨胀系数的影响因素4 多晶体复合材料热膨胀4 材料热传导1 基本概念和基本定律2 热传导理论3 多相和复合材料的热导率4 热导率的影响因素5 材料的抗热震性参考文献第10章 功能陶瓷的光学性质1 光通过介质的现象1 折射2 色散3 反射4 吸收5 散射6 透射2 无机材料的颜色3 无机材料的红外光学性质1 红外技术2 红外透过材料3 红外探测原理4 热探测器材料4 材料的光发射1 材料发光的基本性质2 荧光和磷光3 发光二极管5 光电效应1 光生伏特效应2 光电转换效率6 非线性极化7 电光及声光材料参考文献第11章 功能陶瓷的磁学性能1 绪论2 磁性的种类3 材料的磁性来源1 材料的磁性来源于原子磁矩2 电子轨道磁矩3 电子自旋磁矩4 原子的总磁矩4 宏观物质的磁性1 强磁性物质的磁性特征2 亚铁磁性氧化物的磁性5 与磁性有关的交叉物理效应1 磁热效应3 磁光和光磁效应参考文献第12章 功能陶瓷的耦合性质1 功能材料的压电效应2 功能材料的热释电效应1 热释电现象2 热释电体的结构特点3 热释电效应的热力学4 热释电系数3 功能材料的电光效应4 功能材料的光电效应5 功能材料的磁光效应1 磁光效应2 磁光材料及应用6 功能材料的声光效应1 声光相互作用:布拉格衍射和拉曼?奈斯衍射2 声光效应的应用参考文献第13章 敏感陶瓷的性质1 热敏陶瓷1 陶瓷热敏电阻的基本参数2 正温度系数热敏电阻的主要特性及理论模型3 负温度系数(NTC)热敏电阻4 热敏电阻的稳定性5 NTC热敏电阻的应用及发展2光 敏陶瓷材料的基本性能及应用1 光电导效应2 光敏电阻陶瓷的主要特性3 光敏陶瓷材料的应用、研究和发展4 铁电陶瓷的电光效应、应用及其发展3 湿敏陶瓷材料的基本性能和应用1 湿敏陶瓷的主要特性2 湿敏机理3 湿敏陶瓷材料及元件4 湿敏陶瓷元件的应用4 压敏陶瓷材料的基本性能和应用1 压敏半导体陶瓷的基本性能2 ZnO压敏陶瓷3 ZnO压敏陶瓷的导电机理4 压敏陶瓷材料和应用5 压敏电阻的应用5 气敏陶瓷材料的性能及应用1 气敏元件的主要特性2 等温吸附方程3 SnO2系气敏元件4 氧化锌(ZnO)系气敏元件5 氧化铁系气敏元件6 气敏陶瓷元件的应用和发展参考文献第14章 生物陶瓷材料的物理性能1 生物陶瓷材料的基本分类2 生物惰性陶瓷1 氧化铝陶瓷2 氧化锆陶瓷3 碳材料3 表面活性生物陶瓷1 生物活性玻璃和玻璃陶瓷2 羟基磷灰石3 磷酸钙骨水泥4 生物可降解陶瓷材料1 硫酸钙2 β?磷酸三钙材料5 生物医用纳米材料1 纳米氧化铁2 纳米羟基磷灰石3 其他纳米材料6 生物医用复合材料1 生物活性陶瓷之间的复合2 生物活性陶瓷与生物惰性陶瓷的复合3 生物活性陶瓷与生物高分子材料的复合4 生物活性陶瓷与金属表面的复合5 生物活性陶瓷与人体组织中的有机质复合参考文献第15章 超导电性1 超导电现象和超导临界参量2 超导体的性质1 完全抗磁性2 约瑟夫逊效应3 超导电性的唯象理论4 超导体的分类1 元素超导体2 超导合金3 超导陶瓷5 高温超导材料的应用与前景1 超导量子干涉计SQCID2 超导变压器3 磁通变换器4 超导计算机5 射频量子干涉仪6 混频器7 多层结构8 高温超导无源、有源微波器件9 超导电缆10 超导同步发电机11 超导磁能存储系统12 超导电磁推进系统13 超导磁悬浮装置6 提高超导陶瓷Tc及Jc的途径参考文献第十六章 纳米材料的物理性能1 纳米材料的概念2 纳米材料的超塑性3 纳米固体材料热学性能4 纳米固体材料光学性能5 纳米固体材料磁学性能6 纳米固体材料电学性能7 纳米材料的应用参考文献
我国是用文字记载磁现象最早的国家之一。公元前4世纪战国时期成书的《管子》中已有“上有慈石者下有铜金”的描述。这是有关磁石和磁性矿的最早记载。公元前3世纪的《吕氏春秋》中所写的“慈石召铁,或引之也”,描述了磁石吸铁现象。磁现象的应用,在我国古代后魏的《水经注》等书中,就提到秦始皇为了防备刺客行刺,曾用磁石建造阿房宫的北阀门,以阻止身带刀剑的刺客入内。医书上还谈到用磁石吸铁的作用,来治疗吞针,但磁现象早期应用方面,最光辉的成就是指南针的发明和应用,这也是我国对人类所做出的巨大贡献。 我国战国时期就发现了磁体的指南性。最早指南的磁石是一种勺状的,叫司南,它的灵敏度虽很低,但却给人以启示:有一种地磁存在,磁石可以指向。到北宋时期,制成新的指向仪器——指南鱼。在曾公亮的《武经总要》中详细记载了指南鱼的制造过程。这里有个重大突破,就是采用了磁化的方法,使鱼形铁磁化后,成一个指向仪器。此后,指南针的制造和安装方法在北宋沈括的《梦溪笔谈》中已有明确记载。不久指南针与方位盘结合起来成了罗盘,为航海提供了方便而可靠的指向仪器。后来,我国指南针传入欧洲。到16世纪,欧洲出现了航海罗盘。指南针的发明,推动了航海事业的发展,也为研究地磁三要素创造了条件。 英国人吉尔伯特在磁的研究方面做出了突出贡献。他的著作《论磁》是人们对磁现象系统研究开始的标志,书是1600年出版的。书中记录了吉尔伯特研究磁现象时所做的各种仪器,及实验过程,也记录了他从实验中所得到的结论。他从磁性“小地球”实验中,根据磁针的排列与指向,提出地球本身是一个大磁体,两极位于地理的北、南两极附近;提出了磁子午线概念;吉尔伯特还说明了磁偏角及地磁倾角的测定方法;铁的磁化及去磁概念;定性的研究磁石的吸引与推斥。这都为磁的进一步研究开拓了道路。 到18世纪,在磁的研究方面有了新进展。法国物理学家库仑在磁的研究方面也做出突出贡献。他参加了法国科学院为设计指向力强、抗干扰性能好的指南针而举行的竞赛活动,并提出丝悬指南针的设想,得到磁学奖,在此基础上制成了库仑扭秤。在建立了电荷相互作用的库仑定律同时,得到了磁力的相互作用定律,可以说库仑是静电、静磁学的第一位奠基人。此后,法国数学家、物理学家泊松,在库仑的基础上,提出了磁体间的相互作用的势函数积分方程,把磁的研究发展到定量阶段,但这时电与磁还是分别平行、独立地进行着研究。 丹麦物理学家奥斯特1820年发现了电流的磁效应,在当时的科学界引起巨大的反响和重视,科学家纷纷转向在这方面的讨论和研究,推动了整个电磁学的发展。安培由电流磁效应想到:既然磁体之间有相互作用,电流与磁体间也有作用,那么两个载流导体之间也一定存在着相互作用。他通过一系列实验,找到了电流间相互作用的实验根据,进行了定量研究,于1820年12月4日向科学院提交了一篇论文,提出计算两个电流线元间作用力的公式——安培定律表达式。到1821年初,安培又进一步提出磁性起源的假说,这就是历史上有名的分子电流假说。 安培发现的载流导体间的相互作用,仅在奥斯特发现电流磁效应后的第7天。新的发现的浪潮冲击着整个欧洲。法拉第在新的发现面前,重做了已有的实验,并提出新的研究课题——既然电可以产生磁,为什么磁不可以产生电呢?他开始了磁生电的研究。经过10年的艰苦努力,在大量实验的基础上,发现了电磁感应现象及其所遵循的规律。 电磁感应现象的发现是具有划时代意义的,法拉第把电与磁长期分立的两种现象最后联结在一起,揭露出电与磁的本质的联系,找到了机械能与电能之间的转化方法。在理论上,为建立电磁场的理论体系打下了基础;在实践上,开创了电气化时代的新纪元。 法拉第发现电磁感应现象之后,解释了法国科学家阿拉果所做的被称之为“神密”的实验——悬挂着的磁体下方放一个可自由转动的圆铜盘,当盘转动时,磁体会转动;反之,磁体转动时铜盘也会转动。法拉第提出磁感线(磁力线)的概念,并第一次绘制了磁感线图。他认为磁感线是代表实在的物质实体;每根磁感线都对应一对磁极。后来又把有磁感线的空间称为“场”。麦克斯韦是英国著名的物理学家,他发展了法拉第的“力线——场”的思想,并把它数学化,提出了描述电磁场运动规律的方程组,预言了电磁波的存在。 德国物理学家赫兹通过实验,令人信服地证明了电磁波的存在。这不仅验证了麦克斯韦电磁场理论的正确,也为无线电技术的建立与发展奠定了基础。 爱因斯坦1905年建立的狭义相对论,第一次把两种自然力——电力与磁力统一起来。近代随着电子计算机的发明,新的磁性材料不断涌现出来。人类的科学技术及物质生产活动与电与磁已密不可分,但对磁的探索永无止境。随着新的磁现象的发现,磁的更深刻的本质的揭露,磁的应用也将展现出新的局面。为磁的发展史续写新的篇章。