電磁學

電磁學（粵拼：din6 ci4 hok6；英文：electromagnetism）係物理學嘅一個子領域，專係研究電磁力－一種喺帶電粒子之間產生嘅一股力－同埋佢嗰柞相關現象，好似係電磁波同埋電場呀咁。電磁力喺電場、磁場、同埋光等嘅現象嗰度都睇到，而且係宇宙嘅基本相互作用（Fundamental interaction）其中一種－佢同強相互作用、弱相互作用以及重力一樣，唔係由其他力嗰度走出嚟嘅。

閃電係一種喺兩個帶電區域之間嘅靜電放電。

基礎概念

一嚿琥珀；英文「electricity」一字（「電」）係源自琥珀嘅希臘文名嘅。

電荷

電荷（electric charge）嘅概念係成個電磁學嘅根基，喺日常生活當中都可以觀察得到：電荷係由大約公元前 5 世紀嘅古希臘數學家泰勒斯（Thales of Miletus）發現嘅，據講當時泰勒斯攞住動物嘅毛皮用力捽落去一嚿琥珀（amber；希臘文：ηλεκτρόν，「electron」，變咗化石嘅樹脂）嗰度，然後就發現嚿琥珀變到能夠吸引羽毛同頭髮等輕嘅物體－呢個就係所謂嘅摩擦起電效應（triboelectric effect），而現代人日常生活當中有機會接觸到、可以攞嚟做摩擦起電嘅物料就包括咗硫、木同發泡膠等。喺一嚿物體上靜止唔郁嘅電荷就係所謂嘅靜電（static electricity）。

由對靜電嘅觀察嗰度可以得知以下嘅事實：

• 將一大柞物體捽到起靜電之後，就會發現嗰啲物體當中有啲會互相吸引，有啲會互相排斥，而且仲會有得將呢柞物體分做兩大組－同一組入面嘅物體都會互相排斥，而且冚唪唥都會同第組嗰啲物體起吸引；可以作出嘅一個推斷係，電荷有得分兩種－就噉叫佢哋做「正電荷」同「負電荷」先，同性電荷會互相排斥，而異性會互相吸引，一件總體上唔帶電荷嘅物體就係所謂嘅中性（neutral）；
• 除此之外，當兩嚿帶好勁靜電荷、而且唔同性嘅物體掂埋一齊或者擺得好近嗰陣，佢哋之間可以產生一股突然嘅光同熱，喺呢個過程完咗之後，兩嚿物體就唔再帶電或者帶嘅電會變弱咗－由呢個觀察可以作出嘅一個推斷係，只要兩嚿物體相隔唔係太遠，電荷就有可能喺嗰兩嚿物體之間郁動，而正負電荷會互相抵消（順帶一提，呢個現象就係所謂嘅靜電放電；electrostatic discharge）。

庫侖定律

用嚟驗證庫侖定律嘅扭力天秤

庫侖定律（Coulomb's law）係描述帶靜電粒子之間嘅靜電力嘅一條物理定律。根據呢條定律，當有兩粒帶電荷嘅粒子存在，佢哋會彼此向對方施一股靜電力（$F$），而呢股靜電力嘅數值可以用以下嘅標量式嚟表達（即係淨係諗啲物理量嘅數值，唔諗佢哋嘅方向）：

$F=k_{\text{e}}{\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}$；$[1]$

喺呢條式入面，

• $k_{e}$ 係庫侖常數（Coulomb constant），呢個常數嘅值視乎兩個電荷之間嘅空間有乜物質而定，喺空氣當中，$k_{e}$ 數值大約會係 ；
• ${q_{1}}$ 同 ${q_{2}}$ 係兩粒粒子分別帶嘅靜電量（要有正負號表示佢哋係邊個性），以庫侖（Coulomb，C）做單位計；而
• $r$ 就係兩粒粒子之間嘅距離。

如果兩粒嘢一粒帶正電一粒帶負電，乘出嚟個數會係負數－所以如果 $F$ 係負數就表示股力係股吸引力，而如果佢係正數就表示股力係排斥力。用日常用語講嘅話，庫侖定律表達咗兩粒帶電粒子之間嘅靜電力－無論係吸引力定排斥力－喺數值上係同嗰兩粒粒子帶嘅電荷量成正比，並且同佢哋之間嘅距離平方成反比嘅。

庫侖定律寫做考慮埋方向嘅向量式嘅話就係：

${\boldsymbol {F}}={k_{e}}{q_{1}q_{0} \over ({\boldsymbol {x_{1}-x_{0}}})^{2}}{\boldsymbol {{\hat {r}}_{\text{1,0}}}}$；$[2]$

${\boldsymbol {x_{1}}}$ 同 ${\boldsymbol {x_{0}}}$ 係嗰兩粒帶電粒子嘅位置，前者係施力嗰粒嘅位置，而後者係受力嗰粒嘅位置，佢哋相減就表達咗由 ${\boldsymbol {x_{1}}}$ 去 ${\boldsymbol {x_{0}}}$ 嘅位移（有關位移呢啲基礎概念嘅詳情，可以睇牛頓力學）。${\boldsymbol {{\hat {r}}_{\text{1,0}}}}$ 係沿住由 ${\boldsymbol {x_{1}}}$ 去 ${\boldsymbol {x_{0}}}$ 嗰個方向嘅單位向量。

庫侖定律可以用扭力天秤（torsion balance）嘅實驗嚟驗證：一個扭力天秤會用一條幼嘅纖維（扭力彈弓）吊住一碌唔過電而且幼長嘅棍，棍嘅一端有個帶電荷嘅波仔吊咗喺度，然後實驗者擺另一個帶電荷嘅波埋去個天秤嗰度，而呢個波位置係固定咗嘅，因為兩個波之間嘅靜電力，吊咗喺度嗰個波會接近或者遠離固定嗰個波；跟手靠住量度吊咗喺度嗰個波郁咗幾多角度（呢個角度同 $F$ 成一定嘅關係，可以睇埋牛頓力學），而 $r$ 可以靠簡單嘅肉眼觀察量度，實驗者就可以得知電荷嘅強度同兩個波之間嘅力成乜嘢關係。事實上，法國物理學家查理斯·庫侖（Charles de Coulomb）就係喺 1785 年做咗呢個實驗嚟確立庫侖定律嘅。

重要概念

• 電場
• 電壓
• 電流
• 電阻抗
• 電容
• 電路
• 基爾霍夫電路定律
• 磁場
• 電磁感應
• 磁化

古典電磁學

古典電磁學（classical electromagnetism）係電磁學上嘅一個理論框架，亦都係喺中學最常教嘅嗰套，佢喺 1820 至 1873 年期間由麥士維（James Clerk Maxwell）等嘅物理學家諗出嚟，並且運用咗電荷、電場、同埋電壓等嘅概念同埋一柞牽涉佢哋嘅方程式解釋到好多同電磁力有關嘅現象，包括電磁波。呢套理論框架當中最出名係麥士維方程組（Maxwell's equations）－四條方程式解釋到嗮（嗰陣時已知嘅）電磁現象。

麥士維方程組

麥士維嘅相；日期不明。

麥士維方程組（Maxwell's equations）係由 19 世紀英國物理學家麥士維（James Clerk Maxwell）諗出嚟、用四條方程式解釋嗮（當時物理學界已知嘅）電磁現象嘅理論。以 $\mathbf {E}$ 表示電場，$\mathbf {B}$ 代表磁場，用微分方程寫嘅話：

• 高斯定律（Gauss's law）：

  $\nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}$；簡單啲用口常用語講，即係「電荷嘅存在會產生電場，而一個封閉表面嘅電通量同電荷量成正比」。

• 高斯磁定律（Gauss's law for magnetism）：

  $\nabla \cdot \mathbf {B} =0$；用口常用語講，即係「當一個磁雙極產生磁場，成個空間嘅磁場總和會係 0」。

• 法拉第電磁感應定律（Faraday's law of induction）：

  $\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$；簡單啲講就係「當一個空間有磁場改變嗰陣，就會產生電場」－電磁感應。

• 安培定律（Ampère's circuital law）：

  $\nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\left(\mathbf {J} +\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}\right)$：簡單啲講就係「穩定嘅電場或者電場改變會產生磁場」。

上述呢柞定律仲可以攞嚟分析光等嘅電磁波（EM wave）。

睇埋

• 物理學
• 電磁學兩大子領域：
  • 古典電磁學
  • 量子電動力學
• 電工

參考

網站

• Nave, R. "Electricity and magnetism". HyperPhysics. Georgia State University. 喺2013-11-12搵到.
• Khutoryansky, E. "Electromagnetism - Maxwell's Laws". 喺2014-12-28搵到.

教科書

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其他

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