电磁学论文 篇一
关键词：电磁学发展世界电化
一、前言
现代人的生活，似乎离不开电。电灯、电话、电视、电影、计算机、电冰箱…，样样都是生活必须用品。一旦停电，日子不知怎么过。但世界上第一个有规模的发电厂（尼加拉水力发电厂，显示了当时电力的需求已渐普遍）开动，不过是1896年的事，距今只有一百多年。(电视连续剧「大宅门描写清末民初电灯、电话初到北京城的情形，相当有意思。)
一百多年间，这个世界上大部份的人的生活，从几乎没有电器用品，到充满了电器用品，这变化不但是巨大得令人难以想象，并且深入到生活、思想、感情…，所有的人生面向。举个有诗意的例子：爱情上受挫折是古今中外诗歌中最常见的题材。古诗中固然有怨恨情人变心的，但也很常见的是所爱之人远在他乡，衷情难诉，以致相思甚苦。例如：古诗十九首「采之欲谁遗，所思在远道。李白长相思「天长路远魂飞苦等等。如今的流行歌曲中，第二种越来越少，第一种却很多。──今日的手机、e-mail等等，使距离不再成为谈情说爱的障碍，但却防不了情人变心。──这也显示了，要了解古人，就要从古人当时的情境来看才能妥切。
也许，很多人有兴趣知道最新奇的发明。但从物理概念的发展而言，更有趣的，也更重要的是；人们怎么会从不知道用电，一步一步，变成了有了用电的能力，终于到了离不开它的地步。这段历史，也最能鲜明地描绘出：以理解大自然为目标的科学研究，对全人类可能（但不必然）产生的巨大影响。
二、古代的电磁观察与应用
1936年，考古学家在巴格达附近挖出了一些铜罐，罐中铺了沥青，沥青上插着铁条。在大约同一地点，还发掘出了一些镀金物品。有研究者便认为这些铜罐就是巴比伦人发明的电池，而镀金物（如果是电镀）是这些东西确是电池之证据。而这些东西，其年代有早到公元前2000年以上的。
如果这是真的，巴比伦人领先了近代电池(伏特，1793)与电镀(1800-35)，将近四千年。
别的文明在电磁方面就没有这样可惊的成绩了。古希腊人发现了琥珀、毛皮等摩擦可以生电，至今英文Electricity的字根，尚是希腊文的琥珀。但对他们说来，天上的雷电，仍然是宙斯大神的脱手武器。中国人很早就知道天然磁石会吸铁，带电物会吸小物体（东汉王充27-97「论衡电磁力之记述：「顿牟拾介，慈石引针），以及利用磁针导航，甚至对磁偏角有所记述(方以智，~1600)。「磁针导航这技术，传到西方，促成了西方的「大探险时代(15-16世纪。1492哥伦布发现美洲，1498达伽马绕过好望角到达印度，1519-22麦哲伦环绕世界一周，称为「三大航海。他们都用磁针罗盘。)也引起了十八世纪以后的殖民主义。
这些电磁的观察与应用，可以使我们感叹古人之智能，特别是巴比伦电池。但巴比伦电池即使是事实，对日后电磁学发展，却没有什么影响。摩擦生电与磁性现象却在停滞千余年之后，在十八世纪的西欧，成为电磁学发展的出发点。
三、电之捕捉与库伦定律
十七世纪末(1684年)，牛顿出版其「自然哲学之数学原理。从此，研究自然界之力之种种，成为物理学之中心课题，一直到今天。但这本书太成功了，力学的现象，从天上行星之运转，到地面苹果落地，似乎它都能精准描述。然而，牛顿此书中只有一种力：万有引力。牛顿也知道自然界绝不止这一种力，例如，杯子打破了，碎片不可能凑起来就合而为一，可见原来把杯子各部份连合成一块的力不是万有引力；万有引力太微弱，不足以使物体聚合成形。故牛顿以后，要做有挑战性的研究，莫过于研究万有引力之外的力。
电与磁都会产生力，而且比万有引力大很多。（如果两块磁铁，吸在一起，使其相聚之力是磁力，就可以分分合合。）因此，十八世纪的欧洲，很多人在研究电与磁。特别是电，更富挑战性。因为电这个东西，虽然摩擦两个适当的物体，就能产生。带电物体会吸小纸片，有时还会在黑暗处冒火花，好玩得很。(当时，还有人发明了摩电器。)但是，却不容易驾驭，一不小心就被它溜掉。
1734年，法国人杜菲（Charles-FrancoisduFay，1696-1739），玩来玩去，玩出心得。他发觉不管是用什么东西摩出来的，电只有两种。他命名之为「玻璃电与「树脂电。只有不同类的电，相互靠近时才会相吸或冒火花，同类的不但不冒火花，还会相斥。他又发明了一个器具：密封的玻璃瓶中，插入一根金属棒，瓶内的一端，挂上两片金箔；瓶外的一端，做成一个小球。带电的物体靠近小球时，金箔就会张开。──这些，今日看来都没有什么了不起，但在电还是「神出鬼没的时候，这是不简单的成就。
然而，每次玩电，都要从头摩起，相当烦人。1745年，荷兰莱顿大学教授穆森布洛克(PetrusvanMusschenbrock，1692-1761)，根据克莱斯特(E.G.Kleist,1700-48)发明的储电器，发表了「莱顿瓶。这也是一个玻璃瓶，内外壁上各贴一圈锡箔纸。内壁可以「充电（把摩擦来的电碰触而输进去），这些电很久都不会跑掉。如果用两根金属线，把内外相连，两金属线的缝隙中就可以产生火花。
今日来看，「莱顿瓶不过是个简单的电容器，但当时极受欢迎。瓶子越做越大，火花也更壮观。可是，电到一下可不是好玩的(也有人特意去尝一下被电的滋味)。这可以说这是人类驯服电的开始（姑且不算巴比伦），但也开始领教了电的威力。
十八世纪初，美国还是欧洲的化外之地，文化落后，更无所谓科学。波士顿的一个做肥皂与蜡烛的工匠，十七个子女中的第十个，自学有成，文采斐然。与欧洲，特别是英国的科学家，保持通信。他从英国进口仪器开始，研究电学而成名，到后来被英国皇家学院选为院士。在美国的独立革命中，他以著名科学家的身份，出使法国，立下大功。也在独立宣言(1776)上签名，成为美国的开国元勋之一。他就是鼎鼎大名的富兰克林(BenjaminFranklin，1709-1790)。
1752年，他在大雷雨中放风筝，把天上的电，收到莱顿瓶中。从此证明了天上的电，与摩擦出来的电是一样的；一般人所怕的雷，声势吓人，其实并不可怕，伤人破屋的是电。进一步，他就发明了避雷针：建筑物上装一根金属针，通到地下，屋中的人就不怕雷了，因为电就会被导入地下。（新英格兰有一教堂中的牧师，认为避雷针保护好人，也保护坏人，有碍上帝的意旨，故在讲道中大加谴责。不料没几天，教堂受到雷击，塌了一角，只好也装上避雷针。）此外，他注意到了两种电有相互扺消的现象，所以他建议把「玻璃电与「树脂电改名为「正电与「负电（模拟于正数与负数之相互扺消）。
富兰克林的正负电命名，沿用至今，但是却有些不幸。因为常用的金属导线中流动的都是电子，而电子上所带的电，却被命名为负电。以致电线中的电流若是向左，其中电子其实是向右跑。
「正数与负数之相互扺消这事中，含有量的关系（+3,-3可以相消，+3,-2就消不干净。）「电荷量之测定，却要归功于法国人库伦(CharlesAugustinCoulomb,1736-1806)。(也有人得到类似的结果，但以他的发表最早，影响也最大。)
库伦出身兵工军官，早年在中美洲驻扎时，把身体搞坏，回国做研究。法国大革命(1789)后退隐家园。他发现了用细长绳索吊挂一根细棍，细棍两端对称以维持水平。两端若受水平方向之微力，则以的绳索之扭曲以平衡之。这「扭称(torsionbalance)可以做很精准的力的测量(至今尚是的测量微小力的最精准工具，但这种实验都是很难做的)。在1785-91年间，他用这工具，反复测量，终于发现了库伦定律：
电荷与电荷之间，同性相斥，异性相吸。其力之方向在两电荷间之联机上。其大小与电荷间之距离之平方成反比，而与两电荷量之大小成正比。
这是电学以数学来描述的第一步。请注意：
(1)此定律用到了牛顿之力之观念。(若无牛顿对力之阐述，很难想象此定律是何形式)。这成了牛顿力学中一种新的力。其与牛顿万有引力有相同之处，如：与距离之平方成反比；亦有不同，如：可以相吸，亦可以相斥。
(2)这定律成了「静电学(即电荷静止时之各种现象)之基础。如今所有电磁学，第一个课题必然是它。
(3)这也是电荷单位的来源。例如：两个相同之电荷，相距一公尺，若其相斥之力为「若干时，称之为一单位。原理上，这「若干可以任意选定，所以电荷单位有好几种。但今日「公制(MKSA)的做法，却是先决定电流单位「安培(理由见后)，再以一安培之电流一秒中的累计量为一「库伦，再间接决定这「若干=9×109牛顿。
(4)这9×109牛顿，相当于九十万公吨的重力──静电力强大的可怕。虽然也可以说一库伦的电荷太大，但无论如何，正负电相消的趋势是很强的。日常的物体中，虽然电荷很多，但几乎都抵消的干干净净，呈现电中性的状态。必须花功夫（如摩擦）才能使其呈现带电状。而且，一不小必就又跑去中和掉，所以难以驾驭。
因此，虽然库伦定律描述电荷静止时的状能十分精准，单独的库伦定律的应用却不容易。以静电效应为主的复印机，静电除尘、静电喇叭等，发明年代也在1960以后，距库伦定律之发现几乎近两百年。我们现在用的电器，绝大部份都靠电流，而没有电荷(甚至接地以免产生多余电荷)。也就是说，正负电仍是抵消，但相互移动。──河中没水，不可能有水流；但电线中电荷为零，却仍然可以有电流！
四、从伏特电池、安培定律到电报、电话：
雷雨时的闪电，或莱顿瓶的火花放电，都是瞬间的事。电虽然在动，但是太快了，很难去研究电流的效果。电池可以供应长时间的电流（直流电）。因此，电池的发明是电磁学上的大事。──这也就是为什么巴比伦电池这样令人惊讶。
十八世纪欧洲人到处掠夺殖民地。当时也没有什么保护生态观念，殖民地出产的珍禽异兽，一股脑捉回家去。亚马逊河出产一种电鱼，能发出瞬间强电，电晕小动物。当然，电鱼也被捉回了欧洲。这引起了不少人研究「动物电的兴趣，也就是动物的身体如何发电。1780年，意大利波隆大学教授加凡尼（LuigiGalvani,1737-1789）发现了用电击死蛙之腿，可引起抽动。而蛙腿夹在不同金属（如铜、锌）间则可发出电来。与他认为这是「动物电效果。
1793年，加凡尼的朋友，比萨大学教授伏特(AlexandroG.A.A.Volta,1745-1827)把一块锌板，一块铜板放到舌头上下，而用铜丝将两板连结，他发觉舌头会感到咸味，而铜丝中有电流现象（如：可使蛙腿抽动）。但不久他发觉这与「动物电无干，因为若不用舌头，而用一片浸过碱水的纸板夹在铜、锌之间，也可生电流。而且，如果用多重的锌、纸、铜、锌、纸、铜、…，会得到更明显的电流(蛙腿抽动不止)。──这就是最早（如果不算巴比伦）的电池(碱性电池)。有了稳定的电源，电流的研究与应用才能展开。电压单位伏特(volt)就是因纪念他的功劳而命名的。
这种「伏特堆(Voltaicpile)，很快被人仿效，越做越大(可以表演连续火花)，以后又有人加以改良，越做越精致。──直到现在，改良电池还是一门专业的学问。
在伏特电池发明后没多久，就有人发现电流可以从溶液中通过。1800年，英国WilliamNicholson(1753-1815)与AnthonyCarlisle(1768-1840)，发现了电解现象，例如水可以被通过的电流被分解为氢与氧。此为电在化合中作用之线索，亦为电解、电镀之原理。但是把电镀技术改善到可以应用，则要到1835年的德国人西门子（ErnstW.Siemens，1816-1892，其弟William,后来成为英国爵士，兄弟创办「西门子公司，至今尚存。）──巴比伦的镀金物如果真是四千年前的电镀做成的，实在令人惊叹。
然而，怎样「定量(测定电流的大小)，还是不容易，当时有人想了各种方法（如利用电线之发热），又难又不准。
电与磁之间，很早便被认为有些关连。记载中，有一间铁铺被雷电击中，铺中铁器都生了磁性。十八世纪以后，很多人在研究放电现象时，都注意到附近的磁针会动。1820年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯特(H.C.Oersted,1777-1851)在演讲时表演电流生热，发现一根导线中的电流，会使附近的磁针偏向垂直方向，也就是电流可以产生「磁力；越大的电流，这种现象越明显，而且，这种现象，不受纸板间隔的影响。这发现立时引起了很多人的兴趣。不久，便有人把导线绕成很多重的「线圈，只要很小的电流，就能产生很大的磁力。线圈电流固可使小磁针转动，但如果是一个固定的大磁铁，线圈也会反向而动。──同年，德国人ChristophSchweigger(1779-1850)与JohannC.Poggendorff，就用这方法制成电流计。从此，电流成为物理（或工业）中测定最方便的量之一。这也就是为什么在公制中，先订电流单位「安培，再订电量单位「库伦之原因。
法国物理学家安培(AndreMarieAmpere,1775-1836)立刻想到：所有磁性的来源，或许都是电流。他在1820年，听到奥斯特实验结果之后，两个星期之内，便开始实验。五个月内，便证明了两根通电的导线之间也有吸力或斥力。这就是电磁学中第二个最重要的定理「安培定律：
两根平行的长直导线中皆有电流，若电流方向相同，则相吸引。反之，则相斥。力之大小与两线之间距离成反比，与电流之大小成正比。
（安培也写下了两小段电流作用力之量化描述，可以计算各种形状的电流间之力。如今这称为比奥─沙伐定律。Jean-BaptisteBiot,1774-1862,FelixSavart1791-1841两人与安培几乎同时进行类似的实验）。
公制中，用安培定律以定义电流单位「安培：两个平行之同向同大小之电流，相距一公尺，若其相吸之力为2×10-7牛顿/公尺时，称之为一安培。这电流单位在使用上有其方便，例如一百瓦的电灯中的电流大约一安培。这2×10-7牛顿/公尺是很小的，故平常在两根电线中，相互之力不太容易察觉。──但做成线圈后，可以产生很大的力。
以后，安培又证实了通了电流的筒状线圈之磁性，与磁铁棒完全一样。故他提出假说：物质之磁性，皆是由物质内的电流而引起的。这使「磁性成为「电流的生成物。（这也解释了为什么磁铁没有单极的）。──他后来被誉为「电磁学的始祖(电与磁从此在物理中是分不开的)。他的名字，也成了电流的单位。
安培早慧，但一生不幸。（童时亲见其父在法国大革命时上断头台，娶妻甚贤，但又早逝）。在听到Oersted之发现后，立刻意识到电流与电流之间必有力在，洞察力惊人。
安培这个发现，在应用上极为重要。它提出了用电流而发出动力，使物体动起来的方法，准确而可靠。因此，它是电流计(以 1126888.com 及各种电表)、电马达、电报，电话之原理。特别是电报，在1835年以后就成了新兴事业，大赚其钱。然而，在开始时，也有人对这些新玩意感到恐惧而抗拒。（例如：对电磁学也有贡献的大数学家高斯KarlF.Gauss,1777-1855。）──电报业风光了一百多年。时至今日，卫星通讯发达以后，电报业就没落了。
安培定律之后，电磁学理论与应用之发展可以说「风起云涌。1825年，英WilliamStrugeon(1783-1850)发明电磁铁，使这种作用力更方便有效。1826年，德UniversityofCologne的数学教授欧姆(GeorgeS.Ohm,1789-1854)，发表了欧姆定律，厘清了电压、电流、电阻间的关系(V=iR)。这个定律是以后所有电路理论的开端。但他发现了欧姆定律后，反而被攻击而辞职，失业了好几年后他才另外找到工作。电流消耗能量的关系式，则要到1839年，才被英国的焦耳(JamesPrescottJoule,1818-69)确定（焦耳定律P=i2R）。这成为以后电力买卖的计价基础。
十九世纪的美国，挟其地大物博之优势，发展极快。美国人好新奇，敢冒险，在电器的发明上，领先全世界。美国人亨利(JosephHenry,1799-1878)，原在一个乡下学校教书，并做研究（当时在美国这是少见的）。1829年，他改良电磁铁，发明电报的原理。(据说他比法拉第更早一年发现电感现象，但未发表)。后来他转往NewJerseyCollege(以后的PrincetonUniversity)任教。1835年，美国画家摩斯(SamuelF.B.Morse,1791-1872)，发明了摩斯电码（MorseCode），制成了电报的第一个原型。从此，电报开始发展成新兴工业。1854-58年，英国Univ.ofGlasgow的凯尔文（WilliamThomson，后来封爵LordKelvin,1824-1907），研究越洋电缆理论，促成大西洋两岸之电讯。他也因此发财。1876年，美国人贝尔(AlexanderG.Bell,1874-1922)发明电话。贝尔的家传技艺是audiology(帮助聋哑的技术)。他发明电话后成为巨富，热心公益。他的公司，至今尚存。晚年他宣称讨厌电话，隐居加拿大东北极寒之地纽芬兰。
焦耳、凯尔文现在的名气，多因其热学上的成就，(焦耳之热功当量，凯尔文之绝对温标)。而且，他们合作，发现了气体膨胀时，温度下降（Joule-ThomsonEffect），这是冷冻机原理。但这发明当时英国的工业界不感兴趣。焦耳去世较早。凯尔文1892之封爵，也是因越洋电缆。
为什么冷冻机原理当时引不起英国工业界的兴趣？为什么用途广泛的电马达（其原理只是安培定律）没有很早的发展？其中重要原因之一是这些都要大量的电力，而当时还没有一个便宜的发电方法（电池发电太贵了）。因此，用电量较小的通讯器材（电报、电话），就率先发达。对当时的一般民众而言，生活中用电还是少见的事。电报是紧急时才用的，而电话也只有少数有钱人才装得起。
要等发电机成功之后，用电量大的器材，才能发展。而电器之普及，也才能实现。
五、法拉第定律与发电机：
公认的实验天才法拉第(MichaelFaraday,1791-1867)是伦敦一位铁匠之子。少年时在一家书店做学徒。当时，皇家研究所（RoyalInstitute）的所长达维(SirHumphreyDavy,1778-1829)为了教育大众(也为了争取经费)，举办了一系列的通俗演讲。法拉第去认真听讲，并做了完整的笔记，装订成册。以后他便以这一套笔记，受到达维赏识，被聘为皇家研究所的助理(1812)。不久，他在实验方面的才能，便显露出来，成为达维的得力助手。达维退休以后，他被任命为所长(1821)。
达维是电解专家(1807年发现了钠与钾)。法拉第早年是达维的助手，他对电解有很周密的研究。他发现了通电量与分解量有一定的关系，并且与被分解的元素之原子量有一定的关系。由此，可以大致导致两个结论：(1)每个原子中有一定的电含量（以今日而言，是一定的电子数）。（2）原子在化合时，这些电量起了作用，而通电可使化合物分解。因此，牛顿寻求的分子中的化合之「力，必与电有关。（此想法在1807年由达维提出，法拉第进一步加以验证，至今尚是正确的。）
法拉第少年失学，缺少科学方面的正式训练，这是他的缺点，但也可能是他的优点。他不长于数学，但有极强的「直感。他在电与磁的直感的基础是「场与「力线概念。
牛顿的万有引力定律提出之初，受到很多质疑。其中之一是：很多人认为，两个相距遥远的物体，无所媒介，而相互牵引，是不可置信的（连牛顿本人对此也有所犹疑）。但是由于万有引力之大获成功，这种「超距力的概念，不久便被普遍接受了。电磁学中的「库伦、「安培等力之观念，起始时亦是这种「超距力。
在牛顿前一百年的英国人吉伯特(WilliamGilbert,1540-1603)是伊利莎白一世的御医。他的一本「论磁(DeMagnete,1600)是有系统地研究电磁现象的第一本书（大部份说磁，因其在当时比较有用），其重要性是扬弃了磁性之神秘色彩，以一种客观的自然现象来描述之。吉伯特之「论磁中曾提出「力线之观念。这就是说：磁性物质发出一种「力线，其它磁性物质遇到了这「力线便受到力之作用。这样就避过了「超距力的「反直觉。
(a)力线不断、不裂、不交叉打结，但可以有起头与终止。例如：电场之力线由正电荷发出，由负电荷接受。力线的数量与电荷之大小成正比。（磁场以「磁北极为正，「磁南极为负。）
(b)力线像有弹性的线，在空中互相排斥又尽量紧绷。其密度与施力之大小成正比。
(c)力线有方向性，电力线之方向是对正电荷之施力方向（负电受力方向相反），在磁力线是对「磁北极之施力方向（「磁南极受力方向相）。
法拉第则更进一步，提出了「场的概念：空中任意一点，虽然空无一物，但有电场或磁场之存在，这种「场可使带电或带磁之物质受力。而「力线则是表现「场的一种方式。但是，法拉第的「场观念，当时也受到强烈的质疑与反对。最重要的理由是这观念不及「超距力之精确。把「场观念精确化，数学化的是后来的麦克斯威。
他对电磁学最重要的贡献是「电感之发现。──有磁性的磁铁，可以使附近的无磁性的铁棒磁化。根据安培的发现，通了电流的筒状线圈的磁性与磁铁棒相同，实验上它也可以使其附近的无磁性的铁棒磁化。法拉第就想：是否也可以用通了电流的筒状线圈来引起其附近另一个筒状线圈中的电流？
他1824年开始做实验，起初找不到什么结果。直到1831年，他用了四百多英尺的电线做了两个互相套合的线圈，才在无意中发现：在第一线圈中的电流关掉的瞬间，第二线圈中有瞬间的电流产生，甚至冒火花。他继续研究，发现第一线圈中的电流有变化时，第二线圈中才有电流。而第一线圈中的电流变化越快，第二线圈中的电流越大。法拉第接着又发现，一个移动的磁铁或通了电流的筒状线圈，也可以使附近的线圈中，产生感应电流。──这就是电磁学中第三个最重要的「法拉第定律。
这个定律与库伦、安培都不同；它是动态的。第一线圈中的电流变化越快，第二线圈中的电流越大。（这是变压器原理）。或磁铁、有电流的筒状线圈，移动得越快，第二线圈中的电流也越大。这就是「发电机(把动能化成电能)的原理。
法拉第也知道他这发现的重要。发现之后，皇家研究所举办成果展览。英国财政大臣也来参观。看到助手们表演火花放电以娱伦敦民众，不太高兴，便问法拉第：你花了政府这么多钱，就为了表演？法拉第冷冷地回答了四个字：Youwilltaxit!(你会有一天抽它的税)。
法拉第做了一辈子研究，退休时(1855)两袖清风，不知何去何从(当时没有退休金制度)。英维多利亚女皇则早准备了房子、终身俸及封爵，给他一个惊喜。法拉第接受了房子及终身俸，坚辞封爵。
但是，实用的发电机却不是那么简单，法拉第定律之后五十年才在美国做出来。
美国人爱迪生(ThomasA.Edison,1847-1931)号称「发明大王，拥有（或共享）的专利，有1093项，至今无人打破纪录。其中包括电灯、录音、电影等等，对「电化世界有决定性影响。1879发明的白炽电灯(以碳化纤维为灯丝)，造成轰动，是第一个人人都感到非要不可的电器。但他在发电机的竞争上，却输给了对手。可能的原因是他太执着于直流电（他甚至宣扬交流电危害人类）。──以法拉第定律而言，交流发电机的制作比较顺理成章，而且，交流电才能使用变压器，利于长途输电。
他的竞争对手是西屋(GeorgeWestinghouse,1846-1914)与特斯拉(NicolaTesla,1856-1943,也有700项专利，包括变压器、日光灯，交流电马达)。特斯拉年轻时从匈牙利移民美国，先在爱迪生手下做事，但他热心做交流电，与爱迪生不合，辞职后去挖沟。后来辗转被西屋雇用。1882年，特斯拉制成第一部交流发电机。他们对交流电机之发展，使「西屋公司成为电机工业之百年重镇。
1896尼加拉瀑布水力发电开始。世界的电化，从此展开。但电磁学的故事，还没有完。
六、麦克斯威与无线电
与法拉第之实验天才对比，麦克斯威（JamesClerkMaxwell,1831-1879）则是长于数学的理论物理学家的典型。他生于苏格兰的一个小康之家。自幼便充份显示了数学之才能。他先在阿伯丁(Aberdeen)大学任教，以后转往剑桥。在物理中，今日麦克斯威之重要性，几可与牛顿、爱因斯坦等量齐观。但生前，麦克斯威并不受其故乡苏格兰之欢迎（爱丁堡大学不要他，死时亦未有公开之表扬）。他在剑桥大学则受到重用，出任CavendishLaboratory的首任所长。
他在1855年，发表了「法拉第之力线一文，受到将退休的法拉第的鼓励。1862年，他由理论推导出：电场变化时，也会感应出磁场。这与法拉第的电感定律相对而相成，合称「电磁交感。此后他出版了「电磁场的动态理论（ADynamicTheoryofElectromagneticField,1867），「电磁论(TreatiseonElectricityandMagnetism,1873)，其重要性可以与牛顿的「自然哲学的数学原理相提并论。
通过了数学（主要是「向量分析），麦克斯威写下了著名的「麦克斯威方程式，不但完整而精确地描述了所有的已知电磁场之现象，而且有新的「预言。其中最重要的是「电磁波：
(1)由于「电磁交感，故电磁场可以在真空中以「波的形式传递。
(2)计算之结果，这波之速度与光速一致，故光是一种「可见的电磁波。
(3)这种波亦携带能量、动量等，并且遵从守恒律。(1884波亭定理，英JohnHenryPoynting,1852-1814是麦克斯威的学生，他推导出电磁场中的能量的流动关系式。)
「光是一种电磁波！这句话现在是常识，在当年则骇人听闻。麦克斯威只靠纸上谈兵（数学运算），就做大胆宣言，也难怪当年根本不信有电磁波的人居多。但他自己却信心满满。有人告诉他有关的实验结果，不完全成功，他毫不在意。他有信心他的理论一定是对的。──以后的理论物理学家很多人就学了他这种态度。有一个物理学者(Dirac)的一个理论被实验证明是错的。他就抱怨：这么美的理论，上帝为什么不用？
德国人赫兹(HeinrichR.Hertz,1857-1894,KarlsruhePolytechnic)是第一个在实验室中证明电磁波存在的人。他先把麦克斯威的电磁学改写成今天常见的形式(1884)。然后在1886-88年，做了一系列的实验，不但证明电磁波存在，而且与光有相同波速，并有反射、折射等现象，也对电磁波性质（波长、频率）定量测定。当然，也同时发展出发射、接收电磁波的方法。──这是所有「无线通讯的始祖。──此时麦克斯威墓木已拱。
一般人都说无线电的发明人是意大利的马可尼(GuglielmoMarconi1874-1937，获1909年诺贝尔奖)。俄国人则说是波波夫(AleksandrPopov,1859-1906,Univ.St.Petersburg)。但在推广实用上与影响力上，马可尼似乎领先一步。(特斯拉也有无线电的专利，但时间更晚。)1901年，马可尼实验越洋广播成功，轰动一时，从此开始了广播工业。
七、结语
麦克斯威的电磁理论（经赫兹改写），成为现在理工科的学生都要修的电磁学。简单的说来，电磁学核心只有四个部份：库伦定律、安培定律、法拉第定律与麦克斯威方程式。并且顺序也一定如此。这可以说与电磁学的历史发展平行。其原因也不难想见；没有库伦定律对电荷的观念，安培定律中的电流就不容易说清楚。不理解法拉第的磁感生电，也很难了解麦克斯威的电磁交感。
这套电磁理论，在物理学中，是与牛顿力学分庭抗礼的古典理论之一。如果以应用之广，经济价值之大而言，犹在牛顿力学之上。但也不能忘记，如果没有牛顿力学中力之概念，电磁学也发生不了。电磁学中的各定律，也无法理解。因此，普通物理中，也必然先教力学再教电磁。
电磁学论文 篇二
关键词：电机学；建构主义；变压器；旋转电机
作者简介：赵海森（1982-），男，河北邢台人，华北电力大学电气与电子工程学院，讲师；刘晓芳（1961-），女，内蒙古呼和浩特人，华北电力大学电气与电子工程学院，教授。（北京102206）
基金项目：本文系北京市优秀教学团队，“电机学”部级精品课建设项目（项目编号：GJ2011023）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）13-0049-02
“电机学”是高等学校电气工程学科的重要专业基础课程，同时也是许多后续专业课程的基础。由于其具有涉及知识面广、理论性强以及时空概念抽象等特点，该课程长期以来一直被认为电气专业既难教又难学的课程，学生也称之为“天书”。华北电力大学（以下简称“我校”）经过十几年努力，通过三维动画、人机交互以及可视化等现代科学技术，开发了基于多媒体的辅助教学课件，成功解决了电机内部电磁场的可视化问题。[1，2]在教学过程中如何能够较透彻地讲授一些涉及电磁场理论方面难于理解的、抽象的物理概念，使得学生能够在课堂上更容易接受，这就有必要结合现代认知理论对“电机学”这门课程的讲授技巧以及教学方法进行相应改进。本文针对这一问题，将建构主义认知理论应用于“电机学”变压器和旋转电机部分的教学实践中，在激发学生学习热情的同时，取得了明显教学成果。
建构主义认知理论是高等教育心理学中认知理论的重要一个分支，该理论主要关注如何利用原有的认知结构与信念来建构新知识，强调学习的主动性、社会性与情感性，该认知理论的观点主要包括接受知识、建构学习过程以及教学生长点三方面。[3]以下分别对这三个方面的理论及其在“电机学”教学中的应用展开论述。
一、建构主义接受知识方面的理论及其应用
1.接受知识方面的理论描述
在学生接受新知识方面，该理论强调学习是学生主动建构内部心理表征的过程，并不是把知识机械地从外界搬到记忆中，而是以原有经验为基础来建构新知识体系。这就要求对于“电机学”的学习并不是单一地接受电机理论知识，而是要紧密联系以往所学知识并将其应用于新知识学习中，进一步构建新的知识体系。例如，在“电机学”课程之前，学生已经学过“电路”、“大学物理―电磁学”等基础课程，这使得学生初步具备了从“路”的角度去分析一些电力工程实际问题的能力，同时，对于“场”的概念也具有了一定认识。而“电机学”是一门集电路、磁场以及磁路结构为一体的交叉性综合课程，其基本要求就在于让学生在学习过程中熟练掌握磁场和电路的基本物理概念，并利用其从磁路角度分析变压器和电机内部的电磁关系，最终能够实现利用一种等值电路来描述上述电磁关系，以达到分析工程实际问题的目的。
2.典型教学实例分析
在“电机学”绪论部分教学内容中，需要对磁路的概念进行介绍，为后续变压器和旋转电机部分的基本电磁关系奠定基础。该部分内容中涉及磁路基本定律和一些基本物理概念，例如磁动势、磁通、磁阻等，在上“电机学”之前，学生并未接触过上述概念。只通过书本中的文字描述对磁路基本定律进行学习，学生理解起来较抽象且难度较大。如果将该部分内容与“电路”中所学的电路模型进行对比讲解，便可明显增快学生认知过程。为此，引入如图1所示的简单磁路模型及其等效磁路图，图中F为磁动势，Φ为磁通，Rm为磁路磁阻。在教学过程中，以此图为例引导学生将图示等效磁路和已经学过的电路模型进行对比分析，并进一步将磁路分析中所涉及的磁动势、磁通、磁通密度、磁阻、磁导等一系列抽象物理概念与学生知识体系中所掌握的电动势、电流、电流密度、电阻、电导等概念进行一一比较，寻找两者的共同点，这样便有助于学生对上述抽象物理概念的理解，达到事半功倍的效果。
二、建构主义在学习过程方面的理论及其应用
1.建构学习过程方面的理论描述
在学习过程方面，该理论强调学习过程既包括建构新信息、新知识结构体系，又需要对原有知识体系进行改造与重组。这就要求在“电机学”学习过程中，针对某一部分的知识点，在课堂上不能单纯地灌输，应将教学内容中前后有关联的知识点有机联系在一起，做到融会贯通。
2.典型教学实例分析
在“电机学”中，一种重要的分析方法是将电机内部磁通按其作用和分布特点分为主磁通和漏磁通两部分对基本电磁关系进行分析，然后利用电磁感应定律和基尔霍夫定律分别列出各个绕组的电路方程进而得出等值电路。在变压器教学部分，由于变压器属于静止电机，学生能够直观接受其实际结构及其基本工作原理，尤其是对于主磁通和漏磁通的理解，故该部分内容相对而言较容易讲授，如图2（a）所示变压器的二维模型图，图中Φm为主磁通、Φs1和Φs2分别为原副边漏磁通。但对于旋转电机而言，受三维结构影响，学生对电机绕组分布及铁芯结构尚缺乏深入了解，无法深刻认识电机主磁通和漏磁通的特点。为此，可建立电机三维物理模型，对其各部分漏磁场进行可视化描述，如图2（b）中的主磁通Φm和漏磁通Φs1所示。在此基础上，进一步通过分析漏磁通产生位置及性质的差异，将漏磁通分为槽漏磁、端部漏磁和谐波漏磁三部分。利用上述方法讲解后，可使学生对电机三维结构进行全面了解的基础上，更加深入理解“电机学”中利用主磁通-漏磁通法分析旋转电机基本电磁关系的分析方法，同时也可以完成对变压器和旋转电机基本电磁关系分析方法的整合和重组。
三、建构主义在教学生长点方面的理论及其应用
1.教学生长点方面的理论描述
在教学生长点方面，该理论强调教学不能无视学生的经验，应该把学生现有知识或经验作为讲授新知识的起点并引导学生从中“生长”出新的知识经验。这就要求教师在教学过程中，需要寻找从已经讲授内容中衍生出来的和未讲知识的结合点，帮助学生利用已经构建的知识体系去学习未知的、抽象的电机理论知识。
2.典型教学实例分析
在电机学教学内容中，电机内部磁场分布以及磁极判别通常是初学者比较难理解的内容。此前的学习过程中学生已经较熟练掌握了变压器基本电磁关系部分的知识，为此，在讲授该部分内容时，结合变压器基本结构及电磁关系，将其与电机之间建立必要联系，为分析电机的磁路和磁极服务，所设计的课件如图3所示。其中，图3（a）为单相壳式变压器铁芯模型；假设其绕组通入直流电，所通入电流流向、磁通路径和形成的N、S磁极如图3（b）所示，然后将壳式变压器的气隙由细长型变为圆形，可得磁路和N、S磁极如图3（c）所示；进一步将变压器外圆和槽形也变为圆形，便可得到如图3（d）所描述的电机简化模型，可以看出此时的磁路仍在铁心范围内，而N、S磁极仍在铁芯内圆。
利用上述方式对电机内部磁场和磁极进行分步讲解后，得出的旋转电机可以看作带有气隙的变压器，使得学生能够在课堂上结合以往所学变压器知识对旋转电机结构和内部磁场以及磁极判别进行认知，同时，进一步引导学生从变压器的角度去理解旋转电机，这也有助于后续教学内容中同步电机和异步电机中等值电路内容的顺利开展。
四、总结
“电机学”课程的教学内容涉及知识面广、物理概念抽象且较难理解。本文将建构认知理论融入“电机学”课堂教学中，一方面，从认知理论角度将以往学过的知识用于建构新的知识体系；另一方面，在学生对新知识学习的过程中改进了讲授技巧和教学方法，降低了对电机学中抽象物理概念的理解难度。实际课堂教学实践表明，结合现代认知理论所改进的讲授技巧和教学方法明显提高了学生对“电机学”的学习兴趣，同时也能够适应不同认知特点及不同知识层次的学生，对教学过程中新知识的学习以及能力培养方面均起到了积极作用。
参考文献：
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电磁学论文 篇三
关键词：物理类专业；《电磁学》；教学改革；研究性教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）15-0165-03
《电磁学》是应用物理专业学生的一门必修课，是一门重要的专业基础课，是学习许多后续课程的基础，其基本原理在现代自然科学和工程技术等领域有着广泛而深入的应用。《电磁学》的研究方法高度集中了物理与数学结合的逻辑上的严密性与系统性，其基础理论对于学生今后从事教学与科学研究以及工程技术应用领域的研究都十分重要。如何提高这门课程的教学水平和教学质量，为培养高素质人才做出了更大的贡献，是摆在广大基础课教师面前的一项重要而紧迫的课题。随着世界经济的全面高速发展，社会对高素质人才的培养更加关注，近几年来已经引起了我国社会各界有识之士的普遍关注。高等教育在新中国成立以来特别是在改革开放二十年来取得了巨大成就，为国民经济发展和社会的全面进步做出了很大贡献。然而，长期以来我国高等院校对学生创新精神和创新能力的培养是一个突出的薄弱环节，教学观念落后，不利于学生学习能动性的发挥，教学模式单一不利于学生个性发展和拔尖人才的脱颖而出。教学方法过死，满堂“灌疏式”的现象基本上没有得到彻底的改变，考试方法和考试内容引导学生死读书本。对学生的评价主要以课程考试中的一次成绩评定等，束缚了学生创新意识和创新能力的发展。然而，一个国家的综合国力最终将取决于其科技实力，而科技实力在于人才，人才的根本源于教育。而具有严密体系和数理逻辑思维的高等物理教育教学在培养高素质人才方面可以发挥十分重要的作用。在这种背景下，我们结合实际，在应用物理专业《电磁学》课程教学中进行了研究式教学的探索与实践，根据实际情况提出了在《电磁学》教学中实施研究式教学的几点思考。
一、物理专业《电磁学》课程教学中研究式教学的探索与实践
从狭义上讲，研究式教学就是在课堂教学中就某一具体问题进行专题研究的全过程，通过这一过程使学生获取相关知识与技能的同时，对某一问题具有比较深入的掌握与理解。从广义上讲，研究式教学是指在教师的指导下学生就自然科学、社会科学和生产生活实际中选择和确定专题进行研究的过程。根据上述对研究式教学的理解，我们认为在《电磁学》课程教学中首先应当对其教学内容做必要的调整和改革，特别是应当增加与当前工程技术领域密切相关的现代化内容。
1.《电磁学》课程教学内容的现代化改革。《电磁学》这门学科的基本内容是经典电磁学部分，它主要包括静电学、静磁学、电磁感应和Maxwell电磁场基础理论，课程内容多、学时少。教学中如何把与当前工程技术领域密切相关的现代化内容补充进来，是教学过程中要认真解决的问题。为此，我们将其课程内容做了如下的改革：绪论部分讲《电磁学》的重要性时，介绍一些它在现代科技和生活实际中的应用，如从家电到高技术领域，从微电子技术、信息技术、能源和材料科学到纳米科技等相关知识。第一章讲到电荷的量子化时，介绍分数电荷、夸克的发现和种类。在讲到作为静电理论基础的库仑定律时，介绍高速运动的点电荷之间不满足经典库仑定律的几种情况，并写出在相对论情况下库仑定律的具体数学表示式，介绍用矢量和标量来描述静磁场时讲矢量和标量描述的相对性。第二和第三章为静电场中的导体和电解质，讲物质电结构时介绍电子和质子的发现以及原子吸收和发射光谱研究是了解原子内部造的重要手段。电介质物质分子的结构与极化过程和电偶极子的物理模型在现代原子与分子物理中的重要应用，如静电复印机和静电屏蔽等。第四章讲经典电子论时讲其应用的局限性和现代量子理论对物质电导率的准确解释。基尔霍夫方程组仍然是研究似稳电路的基础。第五章静磁场一章中，讲非稳恒电流元的毕―萨定律的含时形式与磁延迟效应。第六章讲带电离子与磁场相互作用时，讲重元素质谱仪、同步回旋加速器、磁流体发电等。讲磁约束时介绍磁约束和惯性约束高温等离子体核聚变以及天体热核聚变等离子体，同时介绍离子体作为物质世界七种基本形态（固、液、气、等离子体、超密态、反物质和真空）之一，即物质的第四态是由足够数量的正负带电离子组成，其运动由电磁力支配的另一种物质状态。宇宙中99%的物质处于等离子体状态。由于地球的低温环境仅存在少量的等离子体，如电解液、电离气体、空间电离层等。在讲磁聚焦时介绍了电子显微镜的基本原理，特别介绍了扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope简称STM），它是IBM公司苏黎世研究所的宾尼格和罗勒于1981年发明的，并获得了1986年的诺贝尔物理学奖。在第七章讲磁介质的顺磁性、抗磁性和铁磁性物质的特性和磁化机理，介绍了各种磁性材料，如软磁材料、硬磁材料、磁致伸缩材料、磁光材料等基本特性与应用。在分析抗磁性时介绍超导抗磁性（迈斯纳效应）、磁悬浮和超导磁悬浮列车。超导体的零电阻效应及高温超导材料的研究状况和应用前景。
2.课堂专题和课程论文。在上述对电磁学课程在基本概念和基本原理的基础上，通过对整个课程增加现代科学和工程技术应用知识进行整合。在课堂教学中，采用课堂专题讲座和课堂讨论的方式介绍现代物理内容。课堂专题有利于把有关知识比较深入地介绍给学生，而开展课堂讨论有利于调动学生的积极性，也有利于学生综合素质的提高。专题讲座和课堂讨论的基本原则是不追求把所有专题问题全部讲深、讲透，而是就某一专题突出重点，要给学生留有思考的余地。专题讲座中的题目可以由教师提出，也可以由学生自行拟订，题目所涉及的内容主要包括三个方面的内容：（1）就某一电磁学的原理和基本概念进行深入的分析研究；（2）就某一电磁学原理密切相关的应用课题进行专题研究；（3）涉及了与其他的学科融合交叉的综合性专题研究。在专题讨论、课堂基本概念和基本原理教学的基础之上，指导学生通过互联网和图书馆等有关途径搜集有关资料的方法，学生通过自身的思考、分析、总结，培养和锻炼了自己提出问题、分析问题和解决问题的能力。学生通过自己的努力写出有关专题研究的论文，下面就最近四年中部分学生的电磁学课程论文列述于下：（1）电磁学发展史；（2）晴天大气电场的利用（探讨人类如何利用雷电所释放出的能量）；（3）金属导电的微观解释（由固体理论结合经典电子论讨论了金属的电导率与环境温度的关系）；（4）超导体及其电磁学性质（讨论昂纳斯超导转变温度和零电阻导体特性）；（5）Hall效应及其应用（历史渊源和Hall传感器的应用）；（6）库仑定律严格平方反比关系的几点讨论（讨论库仑定律严格反比关系与光子的零静止质量、真空色散、电荷守恒等的一些关系）；（7）右手平直定则的来源与通用性（而矢量的叉积确定第三矢量的问题）；（8）我的有关地磁场的假说（讨论有关地磁场反转问题的历史发展，提出了自己独到的见解）；（9）电场和磁场性质的数学解释（讨论电场、磁场散度和旋度的数学表示）；（10）电磁场中的动量和能量守恒（研究电磁场中的动量和能量守恒问题）；（11）相对论条件下库仑定律的形式与电磁场变换（推导相对论条件下库仑定律的形式及电磁场变换关系）；（12）电磁波的应用――微波加热与检测（讨论微波加热、除菌、测温、脱水与解冻、金属表面裂纹检测等）；（13）静电复印机的工作原理；（14）偶极子与分子环流的电磁学性质（类比了两种物理模型的电磁性质）；（15）趣味电磁学――生物罗盘之迷（讨论动物与人类的磁敏感性）；（16）空心载流圆柱体磁场的计算（从数学上推导计算了空心载流圆柱体在空间一点处的磁场）；（17）日光灯的工作原理及整流器的安全运行机制；（18）磁流体发电――一种新的发电方式（介绍磁流体发电的原理及应用前景）；（19）温差电现象及应用（温差电测温）；（20）互感器及其应用（互感变压器）；（21）回旋辐射的几点讨论（韧致辐射与回旋辐射在生物医学领域的应用等）；（22）超导技术及其应用（讨论了12种超导材料的超导临界温度和超导输电、磁悬浮等问题）；（23）趋肤效应的定性与定量分析（就一个具体的高压电路传输中电流密度与导体相关物理量的关系进行了比较细致的分析）；（24）对称才是美的――对磁单极存在的一点猜测；（25）稳恒电场边值问题的唯一性定理（讨论了在稳恒电场中的边值问题）；（26）电介质的极化机理；（27）压电效应及其逆效应的原理和应用机制（压电效应及其逆效应在信号传输中的应用）；（28）长距离输电中一个容易被混淆的概念（指出漏电导为常数并不能说明单位长度的电流损失也是常数）；（29）半导体帕尔帖效应及应用（讲述半导体帕尔帖效应制冷原理及半导体冰箱）；（30）场致发射的应用前景（FED、PDP与LCD等显示器的分析对比）；（31）同步回旋加速器的原理及其应用（讨论了工作频率与离子质量的关系）；（32）地球磁场是怎样产生的（回顾历史讨论地磁产生的原因）；（33）弹性载流线圈在均匀磁场中的运动（讨论弹性载流线圈在均匀磁场中的伸缩现象）；（34）惠斯通电桥的研究（讨论非平衡情况下电桥的灵敏度与电阻的测量方法）；（35）平面圆电流外一点处的磁感应强度的计算；（36）电子感应加速器的工作原理；（37）磁性材料的应用与发展（讨论磁光记录和磁记录材料的应用）。
上面仅列出了部分《电磁学》课程论文的题目及主要内容。到目前为止，学生共完成课程论文203篇，内容几乎涉及了与《电磁学》有关的所有内容。通过四年来的研究式教学的探索与实践我们认为：（1）通过课堂专题和讨论，学生从选题、查阅资料到完成课程论文提高了学生独立分析问题和解决问题的能力。（2）激发了学生学习的兴趣和学习的积极性，这一点可以从学生广泛阅读的大量相关资料中看到。（3）对《电磁学》中的有关基本原理有了更加深入的理解。
二、对《电磁学》课程教学中研究式教学探索的几点思考
1.教学方法的改革。针对当前高等学校物理专业基础课教学的教学情况和我们几年来对应用物理专业《电磁学》课程教学中研究式教学探索与实践的总结分析，我们认为课堂教学应努力激发学生的求知欲望，积极培养学生自主获取知识的能力、独立分析问题和解决问题的能力。为此，在课堂教学中我们做了如下几方面的探索：（1）以讨论式和启发式为主的特点。对专题中拟定讨论的问题，鼓励引导学生发挥其创造性思维，发扬求知探索精神，引导学生充分展示其思考问题的方法，培养学生分析问题的能力。（2）对有关讨论的题目及时给出相应的参考资料的来源，方便学生课后即时地获取有关资料为及时深入的研究打下基础。（3）可以由学生自拟题目，通过教师引导进行课堂讨论。
2.教学评价制度的改革。对课程教学评价制度的改革是教学改革的重要方面之一。在对应用物理专业《电磁学》课程教学中研究式教学探索与实践中，我们采用综合评定学生成绩的办法，即学期末的考试成绩为70%，课程论文20%，平时作业10%。改变了学期末一次考试评定学生成绩的办法，这种办法有利于研究式教学的实施，也得到了学生们的欢迎，同时对教师课堂教学的评价也应改变过去较为单一的评价办法。
3.对研究式教学实施可行性的一点思考。近几年来，以培养高素质创新人才为宗旨的高校教育教学改革取得了可喜的成绩。这种改革所提供的良好氛为研究式教学的实施提供了良好的思想基础。但是，实施过程中还需解决以下的具体问题：（1）要建立全面而有效的教学评价体系。（2）图书馆，网络资源要保证学生能有效的得到有关所需的资料。（3）为学生的课题研究提供必要的经费支持。
上文对四年来应用物理专业《电磁学》课程教学中研究式教学的探索与实践的一些情况作了简单的总结说明。目前，一些高校提出了建设研究型大学的宏伟蓝图，极大地激发了高校广大师生进行教学改革的热情和勇气。而研究型大学作为高校综合生态系统要求有世界顶级的学术大师、世界一流的科技成果，通过研究式教学获取知识和进行专门性课题研究的良好氛围，从这个意义上来说，我们在应用物理专业《电磁学》课程的教学改革中所进行的探索是有意义的，有利于提高人才培养的水平和质量。
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电磁学论文 篇四
关键词：课程教学组；教学团队功能；多元化教学
一、“电磁学”教学概况
自从1958年中国科学技术大学创立以来，“电磁学”就被指定为全校本科生的必修基础课，著名物理学家严济慈副校长亲自主讲，并培养了一大批青年教师。近四十年的教学积累，使“电磁学”课程的教学走向成熟。“电磁学”课程1994年成为中国科技大学物理类最早建成的一类课程，1999年被教育部审定为“国家理科基础创建名牌课程项目”，2000年被评为“国家理科基地名牌课程创建优秀项目”，2001年获中国科学技术大学教学成果一等奖、安徽省教学成果二等奖，2003年被评为“安徽省精品课程”，2005年获安徽省教学成果一等奖，2007年被教育部评为“国家精品课程”。
中国科学技术大学每年招收的1 800多名本科生都要学习电磁学，约分18个教学班，都是周4学时。包括理学院4个班、少年班与零零班、其他7个学院约13个班。
“电磁学”课程教学组一教学团队组成：主讲教师队伍约25人，其中年龄在55岁以上的占30％，年龄在45～55岁的占40％，年龄在45岁以下的占30％。他们来自3个物理系，教师队伍相对稳定，教学研讨活动规范，形成了一支老中青相结合的团队。
已出版两种教材，一种是物理型《电磁学》(1994、1997，高等教育出版社)，另一种是理工型《电磁学》(1997，中国科学技术大学出版社；2007，科学出版社)。计划出版《电磁学》与《电动力学》连贯的物理型教材――《电磁学与电动力学》上、下册(2008，科学出版社)。
二、发挥教学团队功能的制度保障
中国科学技术大学于1977年恢复物理基础课教研室，便成立了电磁学教学组。但是，主要的教学活动都以教研室安排为主，随着招生人数的增多，主讲物理基础课的教师开始从3个物理系安排，以教学组为单位开展教学活动的要求增强。电磁学课一贯受到全校师生的重视，电磁学教学组的教学活动也就在大家的关注下开展得最早、最好，受到学校的重视和鼓励。课程组也形成了一个相对稳定的教学集体。特别是2000年开始，学校施行学院为实体后，教研室已不复存在，理学院便进一步强化了课程教学组的功能，制定了相关的教学条例，并给教研活动以经费支持，并把电磁学教学组作为样板来抓，探索提高教学质量的新路子。学校教务处也高度重视教学组的功能，形成了相关的文件。例如，“中国科学技术大学课程建设工作实施办法”中明确规定：“课程组负责人职责是：统筹规划确立本门课程的基本框架和主要知识点；实施课程和教材建设；培养青年教师，组织必要的专题讲座、听课与试讲；管理和支配经费；接受中期检查和撰写结题报告等。”课程组每年有专项教学活动经费。极大地调动了课程组的积极性，是发挥课程组教学团队功能的制度保障。
三、教学活动规范化，培养青年教师制度化
教学研讨活动是提高教学质量的根本保证，是教学团队生命力的体现。要做到经久不衰，必须规范化。每个学期，教学组至少要开三次教学研讨会。一次是在“电磁学”教学开课的前一学期期末或开课学期的第二周，研讨教学大纲、教学内容、教学的重点及难点，安排相互观摩教学。第二次是在期中考试之前，交流本学期的教学情况、商讨期中考查试题的内容和形式，布置有关“电磁学教学课外系列讲座”的具体事宜。第三次是在期末考试之前，商讨期末试题的内容和形式，进行学期教学总结。同时，常常会按具体情况另行安排一些专题讨论。例如，已经讨论过的专题有：使用多媒体的利和弊？如何使用好多媒体？如何组织好学生课堂讨论？如何将素质教育融入“电磁学”课堂教学？采用双语教学的利和弊？等等。特别是经过几次的研讨后，对如何将素质教育融入“电磁学”课堂的教学有了明确的理解，大家达成了共识，正如爱因斯坦所论述的，“物理学不应该教成一堆技术，而应教成思想概念的诗剧。应该强调思想概念的演变，强调我们企图了解物理世界的历史，以使学生具备洞察未来的能力。”因此，我们应该在强调三基：基本概念、基本理论、基本方法的同时，适当介绍学科发展的历史，从中明白继承与创新的辩证关系、自然科学与哲学的关系：讲述精选的科学家典型的、生动的事例，传播科学精神及其高尚的人格，学习他们成功的科学研究方法，有时还需说明其局限性；认真组织好课堂讨论，培养学生的思维能力和交流能力；适时介绍与电磁学有关的最新科技成果，学用结合，开阔学生的眼界和思路。
培养青年教师的重要性是不言而喻的，它是课程组的重要职责之一，必须形成制度。“电磁学”课程教学组中有几位资深的、有丰富经验的教授，学校将他们定为讲座教授和主讲教授，他们肩负着培养青年教师的责任。学院又明确规定，自愿报名、竞争上岗，没有作过主讲的青年教师必须先跟随讲座教授或主讲教授辅导。在讲座教授或主讲教授的指导下讲授一章以上的内容，并得到由督导组和教学组选定的教授考察组实地听课评定通过，才能承担大课主讲。近十年来，“电磁学”课程组培养出十多名青年主讲教师，在保证教学质量的情况下，形成了一‘个结构合理的团队。
相互观摩教学是提高课堂教学质量的又一重要措施。我们每个教学学期都推荐大家听1～2名教师的课，也鼓励相互听课，然后在组内研讨会上分析、讨论，达到相互学习、相互激励的目的。同时，讲座教授和教学组组长有随堂听课的责任，每个教学学期听课班数占开课班数的一半以上。学校还请校督导组听课、考查，反馈意见和建议，加上学生期末给教师的评分，形成交叉评价机制，不断激励以课堂提高教学质量。
四、充分发挥教学团队功能，实行多元化教学
近十年来，我们不断探索、实行多元化教学。多元化教学的实质是将课堂教学与课外教学有机地结合起来，这只有充分发挥教学团队功能才能实现。我们的具体作法是，集体编写、不断更新电子教案，挂在学校教务处的本科生教学网站上，便于学生预习和复习。建立了e网教学网站，便于学生提问和答疑、查看教学演示动画。
组织学生在课外的时间参观相关的实验室，如“国家同步辐射实验室”、“超导托卡马克装置”、“正电子实验室”、“物质结构分析实验室”等，让学生了解电磁学在现代高新科学技术中的应用，增强学习的兴趣。
为开阔学生的眼界和学用结合，每个教学学期，我们安排4个“电磁学课外教学讲座”，聘请作相关科学研究的老师作报告，大部分报告是学科的前沿进展，并且结合了电磁学的教学内容。例如，2007年我们有3个报
告内容很新，“巨磁效应介绍――2007年物理诺贝尔奖”，“超导托卡马克――EAST的电磁原理”，“现代气体探测器中的电磁学”。以往的系列报告有“天体的磁场与起源”、“纳米材料的电磁特性”、“同步辐射加速器原理及使用”、“新的磁性材料”、“等离子体中的电磁场与托卡马克装置”、“地球、空间的磁场”、“晶体光学”、“反物质探索”、“超导材料的电磁特性”、“物质的磁性及其应用”等。
开展学生的小论文活动，让学生围绕电磁学内容自由选题，作小论文，促使他们加深对电磁学原理的理解，进行学用结合的初步尝试。并把小论文评分作为平时成绩计入总评分中，使它成为课外教学的一个重要环节。在此基础上，每个教学学期的期末前十天左右，还开展本学期全校学生的小论竞赛，由各教学班挑选最好的论文参加竞赛。名额的分配为：理学院4个班及少年、零零班每班各两名，其他班各一名，参赛学生约24名。每次聘请评委7名。赛前公布评分标准。我们的评分标准有五条：1，选题新颖，具有创新性：2，思路清晰，观点正确，推理符合逻辑；3，具有明确的结论：4，作者在论文中的贡献；5，PPT报告制作和完成情况。每个报告8分钟，答问两分钟。报告完当场给出评分，当场颁奖。一等奖3名，二等奖6名，三等奖9名，其他为优秀论文奖。奖状、奖品每年都由教务处资助。这个活动得到学生的高度重视，他们把它作为学习经历中的一个重要部分，在请老师写出国的推荐信时，常常是必写的内容。部分好的论文在老师的指导下，经过进一步的研究工作、加深后已经在专业杂志上发表。例如，“生物传感器的应用”，“新型低介电常数材料研究进展”，“DNA微阵列制备的新进展”等。我们已进行了五年的实践，报名参赛的同学越来越踊跃。目前，我校电磁学课程组的小论文竞赛活动在校内外的影响越来越大，《大学物理》杂志编辑还要求我校的小论文一等奖全部在其刊物上发表。
五、体会和展望
从中国科学技术大学的实际情况出发，我们认为本科生的基础教学应该发挥以课程组为单元的团队功能，这是一条提高基础课教学质量的新路子。我们的体会是：
1，要充分发挥教学团队的功能，必须要有制度保障。
2，每个团队要有由讲座教授和主讲教授组成的核心力量。他们的责、权要分明。
3，教学团队的教学活动要规范化，培养青年教师要制度化。
4，将课堂教学与课外教学有机地结合起来，即实行多元化教学，确实能有效地提高教学质量。然而，要实行多元化教学必须充分发挥教学团队的功能。
5，一花独放不是春，百花齐放春满园。只有充分发挥教学团队的功能，才可望百花齐放，也才会带来大面积甚至全面的教学质量的提升，这才真正达到国家精品课程的标准。
我们希望进一步做好以下几件事：
1，把课堂教学与演示实验、基础物理实验结合好；
2，把学生小论文与大学生研究计划结合起来；
3，办好双语教学试点班；
电磁学论文 篇五
詹姆斯・克拉克・麦克斯韦，英国著名的物理学家、数学家，他的一生与电磁密不可分。1931年，爱因斯坦在麦克斯韦生辰百年纪念会上曾指出，他的工作是继牛顿以来，物理学最深刻和最富有成果的工作。
麦克斯韦在物理学界创造出了天翻地覆的理论，这些理论标志着一个科学时代的终结和另一个科学时代的开始。
电与磁的渊源
我国早在公元前16世纪到公元前15世纪，殷商时代的甲骨文字中就有“雷”字。西周时代的青铜器上发现刻有“电”字。西汉末年，《年纪纬・考异邮》中有“玳瑁吸”的记载，它告诉人们经过摩擦的玳瑁，能够吸引微小的物体。东汉王充把顿牟（琥珀）摩擦后可以吸引微小物体与磁石吸引针的现象同时提出……
在欧洲，公元前600 年左右，古希腊七贤之一的泰勒斯做了一系列关于静电的观察。从这些观察中，他认为摩擦使琥珀变得磁性化，这与磁铁矿的性质迥然不同……
为什么会产生这些吸引现象，从古至今，从国外到国内，人们一直被电与磁困扰，并且一直试图为二者关系提供最正确的解释。
麦克斯韦与他的电磁学
回顾电磁学的历史，在1820年以前都是以牛顿的物理学思想为基础的。自然界的“力”――热、电、光、磁以及化学作用正在被逐渐归结为一系列流体的粒子间的瞬时吸引或排斥。人们已经知道磁和静电遵守类似引力定律的平方反比定律。到了1820年7月，丹麦物理学家汉斯・奥斯特公布的他所发现的电磁现象却与前人有所不同。奥斯特所观察到的电流与磁体间的作用有两个基本点不同于已知的现象：它是由运动的电显示出来的，而且磁体既不被引向带电流的金属线，也不被它推开，而是对于它横向定位。同一年，法国科学家安德烈・玛丽・安培用数学方法总结了奥斯特的发现，并创立了电动力学，此后，安培和他的追随者们便力图使电磁的作用与有关瞬时的超距作用的现存见解调和起来。
麦克斯韦的电学研究始于1854年，他被法拉第的《电学实验研究》一书中新颖的实验和见解吸引住了。麦克斯韦在剑桥学者约瑟夫・约翰・汤姆逊的指导下得到了启示。他在认真地研究了法拉第的著作后，感受到力线思想的宝贵价值，也看到法拉第在定性表述上的弱点。于是这个刚刚毕业的青年科学家决定用数学思想来弥补这一点。1855年麦克斯韦发表了第一篇关于电磁学的论文《论法拉第的力线》。麦克斯韦在论文的开头评论了当时电磁学的研究状况，认为必须把已有的研究成果“简化概括成一种思维易于领会的形式”。许多历史学家认为这是麦克斯韦第一篇“伟大的”论文，也是他论述电和磁论文中的首篇。
随后的9年中，麦克斯韦以前人的理论为基础，采用严格的数学形式不断完善他的电磁理论。1862年，他在英国《哲学杂志》上发表了第二篇论文《论物理的力线》。1865年，麦克斯韦在《伦敦皇家学会学报》上发表了第三篇论文《电磁场的动力学》。
麦克斯韦是继法拉第之后，又一位集电磁学大成于一身的伟大科学家。他全面地总结了电磁学研究的全部成果，并在此基础上提出了“感生电场”和“位移电流”的假说，建立了完整的电磁场理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的又一次大综合。
麦克斯韦的电磁理论是建立在可靠的实验定律基础上的，尽管他的理论是完善的，但在当时并未得到承认。德国物理学家劳厄在《物理学史》中评论道：“尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性并和一切经验相符合，但它只能逐渐地被物理学家们接受。它的思想太不平常了，甚至像亥姆霍兹和玻耳兹曼这样著名的、有异常才能的物理学家为了理解它也花费了几年的力气。”
麦克斯韦的遗产
麦克斯韦生前没有享受到他应得的荣誉，因为他的科学思想和科学方法的重要意义直到20世纪科学革命来临时才充分体现出来。所以人们常说麦克斯韦是活跃在19世纪而对20世纪有着深远影响的科学家。
麦克斯韦发现的电磁波，使得电视、无线电、雷达和移动电话的出现成为可能。他用红黄蓝三种颜色、以不同比例混合的加色原理制作出第一张彩色照片，使人们看到的美好事物，被完美地保存下来。他是应用场方程表示物理过程的第一人，他的电磁场方程是启发爱因斯坦创立狭义相对论的主要源泉，同时电磁场方程也在普朗克的能量量子发现中起了作用。
他的思想实验――麦克斯韦妖，被创造性地应用到信息理论和计算机科学中。
他设计并创建的卡文迪许实验室是科学发现的摇篮，电子和DNA结构的发现就在其中……
电磁学论文范文 篇六
变化的电场能够在周围的空间产生磁场是麦克斯韦电磁场理论的第二个要点，也是麦克斯韦对电磁场理论的最主要的贡献．这样，不但传导电流（由电荷运动引起）能够在周围空间产生磁场，而且变化的电场（或“位移电流”）也能够在周围空间产生磁场．也就是说，产生磁场的途径有两种：电流（传导电流）或者变化的电场（或叫做“位移电流”）．甲种本的这个例子所讲的“运动电荷要产生磁潮，可以从两个层次来理解．
一、把“运动电荷要产生磁潮理解为电荷运动形成电流（传导电流），这个电流要产生磁场，这是中学生所能理解的层次．按照这种理解，这个电场是由传导电流产生的，而不是由“位移电流”产生的，即不是由变化的电场产生的．甲种本的论断是错误的．
二、从较高的层次来理解“运动电荷要产生磁潮这句话．电荷的运动是任意的，由于既有速度v，又有加速度a，这个电荷产生的电场和磁场是非常复杂的，要用电动力学的方法才能处理，一般中学生不可能理解到这一层次，而且这时在运动电荷产生的磁场中，既有由变化的电场产生的，也有由传导电流产生的，到底哪一部分主要，要视电荷的运动情况及观测点的位置而定．在电荷附近（近场区）磁场主要由传导电流产生，所以不能简单地认为“这个磁场是由变化的电场产生的”．
电磁学论文范文 篇七
关键词：电磁场与电磁波；电磁特性；均匀平面波
作者简介：张清河（1969-），男，湖北当阳人，三峡大学理学院，副教授。
基金项目：本文系国家自然科学基金（项目编号：61179025）、三峡大学教学研究项目共同资助的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）14-0071-02
鉴于“电磁场与电磁波”在电子与通信技术领域的重要性，各国高校的电子与信息技术类专业一直将其作为一门必修的基础课程。[1-3]对于电子与信息技术类大学本科专业学生而言，“电磁场与电磁波”无疑是理论性最强、逻辑性最严密、数学工具应用最多、概念最抽象、涉及应用领域最广的课程之一。学好这门课，对培养学生严谨的科学思想、科学分析问题的能力、复杂抽象的逻辑思维能力、勇于开拓的创新精神等将起着十分重要的作用。笔者在三峡大学（以下简称“我校”）电子信息科学与技术、光信息科学与技术两个本科专业讲授“电磁场与电磁波”课程多年，根据该课程的特点和知识体系，结合学生实际，采用多样化教学方法、新颖独特的教学内容，强化理论与实际应用相结合，激发了学生的学习兴趣，有效地改善了教学效果。
一、教材内容灵活处理
我校选用文献[4]作为电磁场与电磁波课程教材，它同时也是国内多所高校选用的教材。在多年讲授的基础上，对教材中的一些内容进行了灵活处理，取得了良好的效果。
在“媒质的电磁特性”一节中，教材直接给出了介质表面极化电荷面密度、磁化电流面密度的表达式，没有具体的推导过程，学生理解不了。事实上，这一结论的前提应该是自由空间中单一均匀介质表面，而教材中没有明确这一前提。在讲授这一部分内容时，先推导出任意两种不同均匀介质形成的交界面上极化电荷、磁化电流面密度，然后再退化到自由空间中单一均匀介质表面，下面仅以极化电荷为例。如图1，由于两者介质的极化强度不同，极化迁出与迁入的电荷不相等，导致在交界面的薄层内存在极化面电荷分布。
二、注重课程在新技术领域中的应用
在教学过程中，在阐述基本理论和基本概念的同时，积极引导学生去寻找电磁场与电磁波的应用，特别是在若干新技术领域中的应用，让学生了解电磁场与电磁波在科学技术进步中的作用，极大地激发了学生的学习兴趣，收到了良好的教学效果。
在讲授“均匀平面波在各向异性媒质中的传播”一节时，重点放在均匀平面波在磁化等离子体中的传播。首先介绍了电离层依据电子浓度的不同，具有层状结构的分布特点，如D层、E层、F层等，在地磁场的作用下，电离层具有两个特性角频率，即电子的回旋角频率和等离子体临界频率。并指出电磁波在电离层中的传播特性与这两个频率紧密相关。当电磁波频率接近电子的回旋角频率时，将发生磁共振现象，导致电磁波能量损耗极大，电离层对电磁波的吸收最大，这是短波通信应该尽量回避使用的频率。为了实现卫星通信，电磁波频率必须高于等离子体临界频率，否则信号将不能穿过电离层。另一方面，频率小于临界频率的电磁波不能穿透电离层而被反射，利用电离层对电磁波的反射原理，可以实现短波远距离的通信和远距离目标的探测，这正是天波雷达的基本原理。在讲述“天线阵”一节时，结合现代军事尖端武器装备，讲解了相控阵雷达及相控阵天线的概念，并简要介绍了其工作原理，即通过控制相邻天线之间的相位差，就能够改变天线阵波束最大值的指向，实现主波束在全空间的扫描。讲解电磁波在导电介质中的传播时，结合海水的导电特性，向学生解释了为什么对潜通信要用长波通信。在讲解电磁波的极化概念时，引导学生分析为什么收音机和电视的天线架设不同，并简要介绍了电磁波的极化在微波遥感、光学工程、分析化学等应用领域中的广泛应用。通过理论知识与实际应用相结合，学生对这些问题有了较深的认识，开阔了视野，对本课程的学习兴趣也越来越浓厚。
三、结语
“电磁场与电磁波”课程难学难教，而掌握本课程的理论基础知识，对电子信息类专业的学生来说又非常重要。我们在教学过程中进行了一些有益的探索，通过对教材内容的灵活处理、大量穿插理论知识在高新技术领域中的应用实例等，激发了学生对该课程的学习兴趣，取得了良好的教学效果。
参考文献：
[1]Jin Au Kong.电磁波理论[M].吴季，等，译。北京：电子工业出版社，2003.
[2]柯亨玉。电磁场理论[M].北京：人民邮电出版社，2004.
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