電磁現象

電流流經電路時在其周圍產生磁場的現象。

門鈴就是電磁繼電器，它有一個線圈，在線圈中通入電流時，在它周圍就產生磁場，也就是說，它變成了一個電磁鐵，在它的磁極處，有一個軟鐵做的銜鐵，作為動觸點，當通電時，銜鐵被吸引過來，就可以實現與靜觸點的斷開或閉合，從而可以控制電路的通斷，它實質就是一個能自動控制的開關。可以實現低電壓弱電流控制高電壓強電流，還可以實現遠距離控制及自動控制等。

採用磁場感應電流（又稱為渦流）的加熱原理，電磁爐是通過電子線路板組成部分產生交變磁場、當用含鐵質鍋具底部放置爐面時，鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產生交變的電流（即渦流），渦流使鍋具鐵分子高速無規則運動，分子互相碰撞、摩擦而產生熱能（故：電磁爐煮食的熱源來自於鍋具底部而不是電磁爐本身發熱傳導給鍋具，所以熱效率要比所有炊具的效率均高出近1倍）使器具本身自行高速發熱，用來加熱和烹飪食物，從而達到煮食的目的。

磁鐵能吸引鋁嗎？不會。但為什麼用線把一塊馬蹄形磁鐵懸掛在鋁盤上方，若磁鐵懸轉了，鋁盤會隨之同向旋轉呢？能否利用這種現象設計汽車速度計、電度表呢？

上述現象的產生是因為把磁鐵旋轉時，穿過鋁盤的磁通量發生了改變，鋁盤中產生了感應電流，這種電流在鋁盤中自成閉合迴路形成渦流。又因為鋁盤的電阻很小，所以渦流很強。由楞次定律“感應電流具有這樣的方向，就是感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。”另一種表述可理解為“感應電流的效果總是要反抗產生感應電流的原因。”這裡“產生感應電流的原因”可以是磁通量的變化，也可以是引起磁通量變化的相對運動或迴路的變形。“感應電流的效果”既可以是感應電流所產生的磁場，也可以是因感應電流出現而引起的機械作用。而本現象正是鋁盤的轉動（即是感應電流的效果）來反抗磁鐵的轉動（即是產生感應電流的原因）。所以鋁盤會隨磁鐵的轉動而轉動。

速度計、電度表等電學測量儀錶，要求指針的擺動很快停下來，以便迅速讀出讀數。電錶的線圈要繞在鋁框上，鋁框就是起這個作用的。當被測電流通過線圈時，線圈帶動指針和鋁框一起轉動，鋁框在磁場中轉動時產生渦流，磁場對這個渦流的作用力阻礙它們的擺動，於是使指針很快的穩定指到讀數位置上。

[摘要]

⒈（錒或Ag合金）中進行加工和熱處理的方法，製備Bi系長線（帶）材取得了成功，1994年美國超導公司率先製備出長度達1000米、 Jc達1×104A/cm2（77K，0T）的BSCCO/Ag帶材。1996年，美國超導公司（ASC）和日本住友公司製備的1200米帶材的Jc值均超過1.2×104A/cm2 （77K，0T），並且能夠穩定生產。根據目前的研究結果，人們認為通過進一步改善工藝參數，提高帶材的密度和晶粒的結構、改善晶粒間的連接性以及引入有效的磁通釘扎中心，Bi系帶材的Jc值將還會有較大幅度的提高。另外在通過多芯化和基體材料的合金化來改善Bi系線（帶）材的機械強度方面，也已取得了明顯進展。

⒉柔性金屬基YBCO帶材進展。YBCO超導體在液氮溫區有較強的本徵釘扎特性，但它的晶粒很難通過常規的加工技術來實現取向，所以用PIT法及在普通金屬基帶上塗層后熱處理的方 法雖然能夠製備出長線（帶）材，但其Jc值均小於103A/cm2（77K，0T），並且，隨磁場的增加迅速下降。受在單晶基體上通過外延生長製備高 JcYBCO薄膜的啟發，最近人們發展了“離子束輔助沉積”（IBAD，美國LANL）和“軋制輔助雙軸織構”（RABiTS，美國ORNL）這兩種柔性基帶，並在這種基帶上生長YBCO膜取得了成功，獲得了高Jc的帶材。這兩種基帶都是在柔性金屬帶（如：Ag，Ni等）上沉積一層取向生長的釔穩定的氧化鋯（YSZ），由於YSZ與YBCO的晶格點陣非常接近，並且具有良好的化學穩定性，它一方面可以誘導YBCO晶體取向生長，另一方面又作為阻隔層防止 YBCO與金屬基帶反應。目前利用脈衝激光沉積（PLD）和MOCVD方法在IBAD及RABiTS帶上製備的YBCO超導體在65K強磁場中的Jc值均 已超過低溫實用超導體NbTi和Nb3Sn在4.2K的Jc值。如：美國LANL製備的IBAD樣品Jc最高達到106A/cm2（75K，0T）， ORNL的RABiTS帶的Jc也已達到7×105A/cm2（77K，0T）、3×105A/cm2（77K，1T）。雖然從目前的研究現狀來看，製備 長帶還存在著一定的技術難度，但這種方法所帶來的高Jc性能給高溫超導體在77K溫區實現強電應用展示了美好的前景，人們已把它稱為繼PIT法BSCCO 帶后的第二代高溫超導帶材，並且投入較大的人力和物力進行開發研究。

要想得到性能優良的高溫超導器件就必須有質量很好的薄膜，但由於高溫超導體是由多種元素（至少四種）組成的化合物，而且高溫超導體往往還有幾個不同的相，此外，高溫超導體具有高度的各向異性，這些因素使製備高質量高Tc超導薄膜具有相當大的困難，儘管如此，通過各國科學家十年來堅持不懈的努力，已取得了很大的進展，高質量的外延YBCO薄膜的Tc在90K以上，零磁場下77K時，臨界電流密度Jc已超過1×106A/cm2，工藝已基本成熟，並有了一批高溫超導薄膜電子器件問世。

超導材料具有的高載流能力和低能耗特性，使其可廣泛用於能源、交通、醫療、重大科技工程和現代國防等領域。目前已在兩方面形成了較大規模的應用。一是重大科技工程方面，主要是高能物理研究所需的大型粒子加速器，如正在歐洲建造的周長為27km的大型質子碰撞機LHC，以及熱核聚變反應裝置，如ITER和LHD等；二是在醫療診斷方面正在廣泛應用的核磁共振成像系統MRI和具有較高科學與應用價值的核磁共振譜儀NMR。

根據目前高溫超導線材的發展狀況，人們把已開始實現商品化的鉍系線（帶）材稱為第一代導體，而把將來可能實現商品化生產的釔鋇銅氧塗層導體稱為第二代導體。提高高溫超導材料的性能和降低成本將是今後的重要課題。從應用角度而言，超導線材的成本是以每千安米的價格來計算的。所以除了降低原材料和加工成本外，提高線材的載流能力將會使成本大幅度降低。多數高溫超導應用項目需要線材的性能－價格在10美元/kA．m左右，因這一價格相當於銅導體實際應用的性能價格。在1999年，鉍－2223帶材的價格已由1998年以前的1000美元/kA．m降到300美元，預計在5年內成本可降到50美元。

令人振奮的是，2000年12月新型高溫超導體二硼化鎂（屬金屬間化合物，Tc～40k）的發現，又掀起了新一輪的高溫超導熱，現在全世界許多超導研究組都在日以繼夜地研究開發，中國幾個主要超導材料研究單位都已研製出單相的二硼化鎂超導體，正在對其特性進行深入的研究，線材的研究開發也在同步進行，並已取得初步成果。與氧化物高溫超導體相比較，二硼化鎂具有結構簡單，穩定性好，易於生產等特點，更重要的是它具有很高的臨界電流密度（Jc>105A/cm2），其性能價格比被認為優於鈮鈦超導體，能夠用致冷機在20k實現應用，無需液氮。預計二硼化鎂超導體很快達到實用化水平，預示著又一個超導材料的嶄新時代可能到來。

人類察覺到電磁現象是很早以前的事情，比人類有歷史的記載還要久遠。例如：天空打雷是電的現象，只是當時的人不知道如何解釋而已。

拿梳子摩擦衣服，就可以吸起小紙片，這是一個最簡單的電的現象。這與科技無關，是人類有知覺以後就已經察覺到的電的現象。

現在是如何解釋此現象呢？這中間存在兩種電荷，即為正電荷與負電荷。一正電荷與一負電荷會互相吸引；兩正電荷或兩負電荷會互相排斥。如何證明電的作用力有排斥與吸引呢？拿擦過棒子的布或某些東西的布，有另一個被布擦過的棒子在那邊會被布吸引過來；或拿兩支一樣程序製成的棒子會互相排斥；或拿兩塊布在一起也會互相排斥。從這樣簡單的實驗中，我們知道電荷有吸引與排斥的力。知道有排斥力與吸引力，觀念化成兩種電荷，命名為正電荷與負電荷。同性電荷會互相排斥，異性電荷會互相吸引。

噴墨印表機的噴嘴頭所噴出來的墨水當然是沒有帶電荷的，經過某個裝置過後會帶電荷，之後有兩個板子，可以控制板子上里的正負電，如果墨水滴是帶正電，在板上中會被正電排斥被負電吸引，而控制板子的電負電，讓墨水滴的偏向可以控制，這樣就可以在要印的物件上噴到墨水而有影像。

雷射印表機裡面有一個滾筒狀的物品，上面有很好的材料，在雷射光打在上面時會帶電荷，因此只要把雷射光照在你要影印的那個圖型（文字）上，照光完后就在圖型（文字）上帶電，再來把粉末噴上去，然後滾筒滾過去以後，只有被吸附的地方有粉末，也就是有圖像，其他地方就沒有東西，粉末就會掉落回去。影印機也是運用這個原理。

以神經細胞為例，鉀離子在細胞裡面多；鈉離子在細胞外面多，任何東西都會由濃度高的擴散到濃度低的地方。因此，鈉離子會想往細胞裡面擴散，鉀離子會想往細胞外面擴散，但是神經細胞膜在兩側建立起了電位，生命現象的根基在這些電位差之上。因此，鉀離子想往外擴散被正電荷排斥，鈉離子想往裡擴散也被正電荷排斥，這是在神經細胞處於正常狀態（沒有指令）的情況下的情形。

當有一個刺激出現時，鈉離子會往內跑，然後鉀離子會往外跑，當去量負電位（膜的內側）的時候，一開始是負電位，然後變成稍為正的電位，再來又變回負電位，這代表一個刺激已經過去了。神經的訊號就是經由每一個部位訊號的傳達，因此，如果在神經細胞膜測量到這樣的電位變化，表明有一個神經訊號過來了，稱為神經傳導。

磁鐵外部的磁場是由N極出來S極進入，磁鐵內部是由S極跑向N極，如何知道呢？費曼說：近代科學是一個實驗科學，任何科學的東西一定要有實驗來證明。因此，可以做一個小實驗證明磁場的路徑方向，把鐵粉灑在磁鐵周圍，稍為抖動一下，就可以很清楚發現一些條紋，可以看出磁鐵外部磁場的行徑方向。再者，把線圈捲成圓形，變成一個螺形線圈，通入電流，也可以發現通電后的線圈有磁場的紋路，也可以發現內部與外部的磁場的方向。

地球本身就是一個大磁鐵，將指針指向北邊的方向定義成N極，根據定義（N極與S極互相吸引），地球這個大磁鐵在北極的地方是S極，地球磁場大約是0.5高斯左右。

其實地球磁場在很多時候，地磁南北極並不固定。這一百多年來已經變化很多了，甚至有時候地磁南北極會互換（只不過從人類使用指針開始，沒有經歷這樣巨大的變化）。

如何知道一個地方會有磁場存在呢？可以用儀器測量。如何去偵測磁場呢？如果有一個粒子帶電荷，且在磁場里運動時（不動則不會感受到磁場給粒子的力），會受到跟運動方向垂直的力，這即為磁場的特性。可以從粒子受力大小和方向，知道磁場的大小和方向。

基本上一個帶電的粒子，會受到電力（同性相斥；異性相吸），在磁場中會受到磁力。

如何產生磁場？最簡單的方法：一條長直導線通入電流就可以產生磁場，所產生的磁場繞一圓圈。若是圓形線圈，所產生的磁場為向上（下）。在現實生活中要產生較大的磁場，用一螺線管纏繞多圈，就會產生較強的磁場。

磁場有什麼作用呢？以傳統電視的映像管為例，有很多電子打在熒幕上會發出亮光，而所看到的影像是控制電子打到所想要的地方。如何控制電子打到那裡呢？一帶電電荷在磁場中運動，會受到磁力而偏轉，利用線圈所產生的磁場來影響電子的方向，來控制電子在熒幕中的位置，產生熒幕的影像。

現在，有一個線圈連接一個量電流的電錶，當拿一個磁鐵在線圈的圓心中央往前往後移動，會發現量電流的電錶有電流通過。有一個區域的磁場發生變化，會產生一個力量去推動電子，這個實驗就把電磁現象融合在一起。

在兩個磁鐵中間，放一個方形線圈並且旋轉，會產生電流，使在磁鐵端點的電燈發亮，這是發電機的基本觀念。任何發電（水力、火力、核能）都是為了讓線圈轉動而產生電。

磁場在空間中改變會產生電場，麥克斯韋發現電場在空間中改變也會產生磁場。電場產生的方式有兩種：一種是電荷在空間中運動會產生電場；另一種是磁場在空間中發生改變會產生電場。磁場也有兩種產生的方式：電流通過導線會產生磁場；電荷在空間中產生的電場發生改變也會產生磁場。在二十世紀初，人類才知道電現象和磁現象是不可分開的，把這觀念建立起來的是愛因斯坦，簡稱電磁現象。

一個電磁波就是帶著電場與磁場在空間行進的現象！換句話說，就是一個東西在空間中跑，會攜帶影響到電荷的電磁與磁場，這就是電磁波。電磁波在空間中有振蕩的現象，某處的磁場大一點，另一處的磁場小一點，或是說同一點有時磁場大，有時磁場小，這樣的情形就稱為振蕩（振動）。任何一種振動都有一個頻率，而電磁波所帶的磁場的大小，每秒振動的次數（頻率）就使得這個世界產生各種奇妙的現象。

電磁波的頻率範圍非常廣，可以從很小到很大。例如：收音機的訊號屬於頻率比較低的電磁波，之所以可以聽到遠方的廣播電台，傳遞訊息（新聞，音樂等），這些訊號都是由電磁波傳遞的，廣播的電波大約為每秒鐘振動一百萬次。頻率再高一些是微波，微波爐也是利用電磁波的特質，使食物中可以加熱。頻率再更高一些的電磁波是紅外線，因為紅外線電磁波的頻率是人體容易吸收的，所以曬太陽時會感覺到熱。頻率再更高一些的電磁波且範圍很小的是可見光，也就是眼睛可以看到的電磁波。太陽發出的各種電磁波，強度最強的就差不多是可見光的範圍。

頻率比可見光更高一些的是紫外線，之所以會被晒黑也是因為紫外線。玻璃可以阻絕很多紫外線。再更高一些的是X射線，可以穿透皮膚，但是無法穿透骨頭，因此照X光片，可以作為醫療診斷。

在物理的宇宙觀裡面，只有四種作用力。

強度最弱的力是重力。

強度第二強的是電磁力，相對於重力是10的36次方。這個比較，是以在原子核中的質子間的作用力而言。

強度最強的力是原子核裡面的強作用力（稱為強相互作用）。原子核中有許多中子與質子，質子帶正電，中子不帶電。原子核很小，質子帶正電會互相排斥，那麼理論上原子核應該不存在，因為許多質子相互排斥而又在那麼狹小的空間，原子核應該爆炸。可是事實上有一個力存在，而且這個力要比質子的排斥力更大，把質子聚在一起，這種力就稱為強作用力。吸引質子聚在一起的強作用力，比質子的排斥力大一百倍。

強度倒數第二弱的力是原子核裡面的弱作用力（稱為弱相互作用），強度為重力的10的15到次方。

弱作用力與強作用力的範圍，基本上只在原子核的範圍裡面才會有作用，距離比原子核大一些就失去作用力。生活中的尺度都是很大的，遠比原子核大上許多，因此這兩個力對於日常生活是完全沒有影響的。