电学与磁学_（美），凯尔·柯克兰德著王瑶译_9787543945968

    电磁学是研究电、磁和电磁的相互作用现象及其规律和应用的物理学分支学科。人们从很早就认识了电现象和磁现象。但是，人类对电磁现象的系统研究却是在欧洲文艺复兴之后逐渐发展起来的，到了19世纪，才真正建立了比较完整的电磁学理论。
    电磁学的研究对人类社会的进步有巨大的影响。在当前出现的新技术中，与电磁学息息相关的微电子技术和计算机技术扮演着十分重要的角色，它们广泛应用于各个领域，正在给我们的生活带来前所未有的变化。
    凯尔·柯克兰德博士所著的《电学与磁学》对电磁学的基本理论进行了通俗易懂的讲解，同时利用物理学定律解释了生活中的各种有趣的现象，对生活中的很多电气设备，比如收音机、电视机等从物理学原理方面做了详细的介绍。
    《电学与磁学》涉及生活中的各个方面，力求从多方面阐述电磁学定律在生活中的应用，以及电磁学在生活中的重要作用。

    1945年，两枚核弹终结了第二次世界大战，这是对物理学威力的一次展示，让人惶恐而又令人信服。由世界上最杰出的一些科学头脑酝酿出的这次核爆炸摧毁了广岛和长崎这两座日本城市，迫使日本不得不无条件投降。应该说，物理学和物理学家的身影贯穿于第二次世界大战的始终，而原子弹只是最生动的一个例子。从那些用于炸坝的在水中跳跃前进的炸弹，到那些感应到船体出现便发生爆炸的水下鱼雷，第二次世界大战实际上也是一场科学的较量。
    第二次世界大战让所有人，包括那些多疑的军事领导人相信，物理学是一门很重要的科学。然而，物理学的影响远远延伸到了战场之外，物理学原理几乎关系到世界的每个部分，触碰了人们生活的方方面面。飓风、闪电、汽车引擎、眼镜、摩天大厦、足球，甚至包括我们怎么走、怎么跑，所有这一切都要服从科学规律的安排。
    在诸如核武器这样的话题或者有关宇宙起源的最新理论面前，物理学和我们日常生活的关系往往显得黯然失色。“我们世界中的物理”这套丛书的目标就是去探究物理学应用的各个方面，描述物理学如何影响科技、影响社会，如何帮助人们理解宇宙及其各个相互联系的组成部分的性质和行为。丛书覆盖了物理学的主要分支，包括如下主题：
    ◆力学与动力学
    ◆电学与磁学
    ◆时间与热动力学
    ◆光与光学
    ◆原子与材料
    ◆粒子与宇宙
    “我们世界中的物理”丛书的每一册都阐释了有关某个主题的基本概念，然后讨论了这些概念的多种应用。虽然物理学是数学类学科，但这套丛书主要聚焦于思想的表达，而数学知识并不是重点，书中只涉及一些简单的等式。读者并不需要具备专门的数学知识，当然，对于初等代数的理解在有些时候还是很有帮助的。实际上，每一册可以讨论的话题的数量几乎是无限的，但我们只能选取其中的一部分。令人遗憾的是，不少有趣的东西就这样不得不被省略掉。然而，丛书的每一册都涉猎了非常广泛的材料。
    我曾经参加过一个讨论会，会上一位年轻学生问教授们，是否需要备有最新版本的物理教科书。有一位教授回答说，不，因为物理学的原理“多年来一直没有改变”。这个说法大体上是对的，但这只是对物理学的效力的一个证明。物理学的另一个支撑来源于建立在这些原理之上的令人吃惊的诸多应用，这些应用仍在不断扩展和变化，其速度之快非同寻常。蒸汽机已经让位给了用在跑车和战斗机上的强大内燃机，而电话线也正在被光导纤维、卫星通讯和手机等取代。这套丛书的目标就是鼓励读者去发现物理学在各个方面、各个领域所起的作用，现在的、过去的以及不远的将来的……

    1  电学
    很久以前，罗马人记载了一种生活在地中海里的鱼，这种鱼能够从很远的地方发射出令人感到痛的刺和针。人们对这种鱼的特性感到十分吃惊，因为它所发射出的针只能让人感到痛，但人们却根本看不到它。罗马物理学家曾经用这种鱼来治疗令人痛苦的关节炎，也可以用它来治疗头痛和其他不适。
    这种叫做鱼雷的鱼，是电鱼的一种。所有伟大的古代文明，包括罗马文明、埃及文明和希腊文明都对至少一种电鱼有很全面的了解。但是却没有人知道，究竟这种鱼有一种什么样的神秘力量，能够让它在水中远距离地使人感到麻木。
    当今很多的技术都需要电来维持，虽然这些电的产生和电鱼产生电的方式不同，但是原理是一样的。古代的人们无法有效地利用这种巨大的能量，是因为他们不懂得电学。电在现代社会和自然中都是普遍存在的。它具有广泛的应用，一个令人极其难忘的例子可以在雷雨时的天空中看到。
    闪电
    虽然闪电发生在瞬间，但是却不可能被人们忽视。闪电的亮度差不多有100万个灯泡那么亮，它的能量可以使任何东西烧焦或蒸发，闪电是能量最大的电现象。
    在人们知道闪电是一种电现象之前，人们看到闪电时总是带着敬畏之情，并被它的魅力所吸引。最早的有关闪电的理论和电没有什么关系，这是因为闪电看起来和电鱼没有什么相似之处，它和古希腊人摩擦产生奇特吸引力和排斥力的琥珀和毛纺面料也没有什么共同之处。直到美国著名的政治家、实业家、科学家本杰明·富兰克林发现之后，人们才知道闪电和电有关。
    1752年，富兰克林在一个雷雨天气里在户外用风筝和钥匙做了一个实验。通过实验，富兰克林得出电是由流动的电荷引起的，而闪电则是由大气层中的电荷引起的结论。在富兰克林的实验中，这些电荷沿着湿的风筝线传下来，富兰克林用系在风筝线上的钥匙上发出的火星证实了这些电荷的存在。
    现在，物理学家们已经知道了大气中的摩擦产生了电荷。当一些小的颗粒，比如水滴或冰相互碰撞或相互摩擦时就可以发生这样的现象。在其他因素中，风吹散这些电荷，于是在地面和空气上方就产生了巨大的电场力（由库仑定律得出，在知识窗中会有讲解）。有时候电力很大，可以被人们感觉到，人们就会感到头发竖了起来。这是一个电现象：头发上聚集了相同电性的电荷，它们相互排斥，使得头发之间相互排斥，头发就竖了起来。
    大气中的电荷和电场有着很强的相互作用。异种电荷相互吸引，如果可能的话它们就会聚集到一起，但是有力量会阻止它们的聚集，所以，它们是不可能聚集到一起的，直到这种阻力增强到一定程度，就会穿过天空，放射出一道亮线，这就是闪电。
    闪电通常是由一系列的电击形成的，通常由4次电击组成。电荷的运动，称为电流，使得异种电荷聚集到一起。闪电是两种物质或两个部分之间的电荷流动，这两种物质可以是两片云团或一片云团和地面。在极短的时间里，由电流产生的能量就可以使闪电的温度骤然间上升到几千华氏度，使得空气中的分子释放出光。闪电温度非常高，如果它射到地面上，可以熔化沙土，形成一种透明的物质，叫做闪电熔岩。
    在任意的时间里，全世界都有大约2 000场雷雨。每秒就可以产生100道闪电。闪电可以引起大火，击碎木头，破坏电击附近的电气设备。闪电还可以电击使人致死。仅仅在美国，每年就有大约80—100人因为被闪电电击而死。
    虽然现在人们知道了闪电是一种电现象，但是，在几百年前，人们相信钟声可以避免闪电。这种错误的信念使得很多敲钟人不得不在雷雨天爬到很高的建筑物上去拉绳敲钟，因此，很多敲钟人都因为被电击而受重伤。直到物理学家指出在雷雨中最危险的行为是攀登到高处，此后这种奇怪而可悲的行为才得以停止下来。由库仑定律可以得出，当两个电荷之间的距离缩小时，它们之间的电场力会增加。大气中电荷问的电场力十分巨大，大到可以从地面上高的物体上吸引火花——这无疑是在向闪电的电击发出盛隋的邀请。
    人们可以利用闪电的这种更易于电击最高物体的性质，使其他物体避免受到电击。闪电在一定程度上是不可预计的，但是它电击的目标只和高度有关。在某种意义上，这是事实，因为并非在雷雨袭击范围内的最高的物体就会被电击，而是在闪电发生附近相对最高的物体会受到电击一也就是说，在群体中任何一个相对高度突出的物体。一棵树或一栋房子，要是比周围其他物体高，那它就会被电击到，或者一位站在平坦的高尔夫球场上的运动员，他比周围物体高，他就有可能受到电击。摩天大楼是闪电电击的最好目标。每年，闪电都会数百次地电击像芝加哥的希尔斯大楼和纽约的帝国大厦这样的摩天大楼。
    金属为电荷流动提供了很好的通道，也就成为电击的最好目标，这在之后的章节内会详细讲述。这也是为什么人们在猛烈的雷雨中最好不要待在管道、水甚至电话旁边的原因。如果流动的电荷不能找到一条方便快捷的金属通道，或是因为一些原因流动受到了阻挡，那么它们就会寻找其他通路，这些通路也包括人体。
    为电荷寻找一条安全快捷的通道流动就是避雷针的原理。本杰明·富兰克林最早发明了避雷针，它可以为电荷的流动提供一条最简捷的通路，如果避雷针安放正确，它会比周围的其他物体都高。避雷针可以将闪电的电击传到地面，如果电击袭来，它就会顺着避雷针传到地面，不会造成伤害，地球足够大可以供电荷分布。
    粘在一起的袜子和跳动的火花
    粘在一起的袜子看起来和闪电没有什么共同之处，但是事实上它们有相似之处。它们都是静电的一种。
    任何一种摩擦都可以分离电荷。用毛纺面料摩擦琥珀可以分离电荷，大气中的粒子碰撞也可以。在甩干机里翻滚的袜子也可以产生电荷，摩擦分离出正电荷和负电荷，由库仑定律得出，它们彼此间存在相互作用力。这种力被称为静电力，因为它们是电场力的一种，但相对不变，保持静止——直到放电现象发生。闪电是最令人印象深刻的例子，而静电力产生的火花却随处可见。
    ……

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