HEFEI UNIVERSITY

计算机实训一报告

系 别 专业班级 姓 名

学 号

论库伦定律

库仑定律可以说是一个实验定律，库仑扭称实验起到了重要作用，而电摆实验则起了决定作用；同时，库仑借鉴了引力理论,模仿万有引力的大小与两物体的质量成正比的关系,认为两电荷之间的作用力与两电荷的电量也成正比关系。可以说它几乎是牛顿万有引力定律的推论。普利斯特利和卡文迪许等人做了大量工作，得到了k的大小。我们需要从各个角度思考库仑定律，重新准确的对它进行认识。

一、科学家对电力的早期研究

库仑定律，是电磁场理论的基本定律之一。真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，和它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线,同名电荷相斥，异名电荷相吸。公式：F=k*(q1*q2)/r^2。

库仑是法国工程师和物理学家。查尔斯·库仑于1785年发现这条物理学定律。库仑定律是电学发展史上的第一个定量规律。因此，电学的研究从定性进入定量阶段，是电学史中的一块重要的里程碑。库仑定律阐明，在真空中两个静止点电荷之间的相互作用力与距离平方成反比，与电量乘积成正比，作用力的方向在它们的连线上，同号电荷相斥，异号电荷相吸。 16世纪人们才对电的现象有了深入的熟悉。吉尔伯特比较系统地研究了静电现象，第一个提出了比较系统原始理论，并引人了“电吸引”这个概念。但是吉尔伯特的工作仍停留在定性的阶段，进展不大。18世纪中叶，人们借助于万有引力定律，对电和磁做了种种猜测。18世纪后期，科学家开始了电荷相互作用的研究。

富兰克林最早观察到电荷只分布在导体表面。普利斯特利重复了富兰克林的实验，在《电学的历史和现状》一书中他根据牛顿的《自然哲学的数学原理》最先预言电荷之间的作用力只能与距离平方成反比。虽然这个思想很重要，但是普利斯特利的结论在当时并没有得到科学界的重视。

在库仑定律提出前有两个人曾作过定量的实验研究，并得到明确的结论。可惜，都没有及时发表而未对科学的发展起到应有的推动作用。一位是英国爱丁堡大学的罗宾逊，认为电力服从平方反比律，并且得到指数n=2.06，从而电学的研究也就开始进行精确研究。不过，他的这项工作直到1801年才发表。另一位是英国的卡文迪许。1772～1773年间，他做了双层同心球实验，第一次精确测量出电作用力与距离的关系。发现带电导体的电荷全部分布在表面而内部不带电。卡文迪许进一步分析，得到n=20.02。他的这个同心球实验结果在当时的条件下是相当精确的。但可惜的是他一直没有公开发表这一结果。

二、库仑定律的建立

库仑定律是1784--1785年间库仑通过扭秤实验总结出来的。纽秤的结构如下:在细金属丝下悬挂一根秤杆，它的一端有一小球A，另一端有平衡体P，在A旁还置有另一与它一样

大小的固定小球B。为了研究带电体之间的作用力，先使A、B各带一定的电荷，这时秤杆会因A端受力而偏转。转动悬丝上端的悬钮，使小球回到原来位置。这时悬丝的扭力矩等于施于小球A上电力的力矩。如果悬丝的扭力矩与扭转角度之间的关系已事先校准、标定，则由旋钮上指针转过的角度读数和已知的秤杆长度，可以得知在此距离下A、B之间的作用力。 他在《电力定律》的论文中介绍了他的实验装置，测试经过和实验结果。 库仑的扭秤巧妙的利用了对称性原理按实验的需要对电量进行了改变。库仑让这个可移动球和固定的球带上同量的同种电荷，并改变它们之间的距离。通过实验数据可知，斥力的大小与距离的平方成反比。但是对于异种电荷之间的引力，用扭称来测量就遇到了麻烦。经过反复的思考，库仑借鉴动力学实验加以解决。库仑设想：如果异种电荷之间的引力也是与它们之间的距离平方成反比，那么只要设计出一种电摆就可进行实验。

通过电摆实验，库仑认为：“异性电流体之间的作用力，与同性电流体的相互作用一样，都与距离的平方成反比。” 库仑利用与单摆相类似的方法测定了异种电荷之间的引力也与它们的距离的平方成反比，不是通过扭力与静电力的平衡得到的。可见库仑在确定电荷之间相互作用力与距离的关系时使用了两种方法，对于同性电荷，使用的是静电力学的方法；对于异性电荷使用的是动力学的方法。

三、平方反比定律的验证和影响

库仑定律是平方反比定律，自发现以来，科学家不断检验指数2的精度。19xx年威廉等人的实验表明库仑定律中指数2的偏差不超过10-16，因此假定为2。事实上，指数为2和光子静止质量为零是可以互推的。其实如果mz不为零，即使这个值很小，也会动摇物理学大厦的重要基石，因为现有理论都是以mz等于零为前提。到目前为止,理论和实验表明点电荷作用力的平方反比定律是相当精确的。200多年来，电力平方反比律的精度提高了十几个数量级,使它成为当今物理学中最精确的实验定律之一。回顾库仑定律的建立过程，库仑并不是第一个做这类实验的人，而且他的实验结果也不是最精确的。我们之所以把平方反比定律称为库仑定律是因为库仑结束了电学发展的第一个时期。库仑的工作使静电学臻于高度完善。电量的单位也是为了纪念库仑而以他的名字命名的。

库仑定律不仅是电磁学的基本定律，也是物理学的基本定律之一。库仑定律阐明了带电体相互作用的规律，决定了静电场的性质，也为整个电磁学奠定了基础。库仑从1777年起就致力于把超距作用引入磁学和电学。他认为静电力和静磁力都来自远处的带电体和荷磁体，并不存在什么电流体和涡旋流体对带电物质和磁体的冲击；这些力都符合牛顿的万有引力定律所确定的关系。库仑提供了精密的测量，排除了关于电本性的一切思辩。库仑的工作对法国物理学家的影响还可以从稍后的拉普拉斯的物理学简略纲领得到证实。这个物理学简略纲领最基本的出发点是把一切物理现象都简化为粒子间吸引力和排斥力的现象，电或磁的运动是荷电粒子或荷磁粒子之间的吸引力和排斥力产生的效应。这种简化便于把分析数学的方法运用于物理学。因此，理论物理学首先能在法国兴起。

另外，从库仑定律的建立过程中,类比方法在科学研究中有重要作用。但是一些类比往往带着暂时的过度性质，它们在物理学的发展中只是充当“药引子”或者“催化剂”的作用。因此，物理学家借助于类比而引进新概念或建立新定律后，

不应当局限于原先的类比，不能把类比所得到的一切推论都看成是绝对正确的东西，因为类比、假设不过是物理学家在建筑物理学的宏伟大厦时的脚手架而已，大厦一旦建成，脚手架也就应该拆除了

四、库仑定律的适用条件

库仑定律是在实验基础上总结出来的关于真空中两静止的点电荷间的相互作用力的定律.物理实验和地球物理试验表明,两点电荷之间的距离的数量级在10^-14m到10^7m的范围内,库仑定律都极其精确.所谓的点电荷就是指当一个带电体本身的线度比所研究的问题中所涉及的距离小得多时,该带电体的形状与电荷在其上的分布均无关紧要,而可看作一个带电的点.是一个理想模型,它是一个相对的概念,视问题所要求的精度而定.适用条件是真空和点电荷库伦定律只使用于静电场，也就是电荷都平衡禁止 应为其描述的是电荷间的力的大小 当电荷运动时，这个力发生变化，我们可以用新的定律来描述力的规律，也可以保留静电力的概念靠引入另一个力来修正库伦定律 实际情况是后者，也就是说，库伦定律适用，不过只描述了力的一部分，另一部分是磁力，运动会产生磁场，如果两个电荷都运动，就是一个再另一个产生的磁场中运动，由于洛伦兹力的存在库仑定律就不成立了， 如果一个不动，就不会产生磁场，而另一个产生的磁场，对静止的电荷没大的影响，所以库伦定理成立。 也就是说当两电荷满足 真空 静止的点电荷 两个条件 它们之间的相互作用力就是库仑力 也就是可以用库仑定律来计算 但是当它们不再是静止的时候 就存在不仅仅是库仑力 这时它们之间的相互作用力就不再是单纯的库仑力 所以库仑定律不再适用

(1)描述点电荷之间的作用力，仅当带电体的尺度远小于两者的平均距离，才可看成点电荷

(2）描述静止电荷之间的作用力，当电荷存在相对运动时，库仑力需要修正为Lorentz力.但实践表明，只要电荷的相对运动速度远小于光速 c，库仑定律给出的结果与实际情形很接近。

六.库仑定律的意义

发电机的产生

电磁感应定律的发现,打开了禁锢电力的大门。靠电池产生的电力应用范围极其有限,法拉第的发现提供了产生强大电力的可能性。他在发现电磁感应定律时,创造了一个让铜盘在磁铁两极之间运动产生感应电流的装置,这是第一部感应发电机的原型。第一台变压器的原型也是法拉第在发现电磁感应定律时创造的。尽管法拉第等科学家在创立电磁理论的同时,从理论和实验上提供了发电机、电动机、变压器等电机电器的基本原理和原始模型,但发展到实际应用阶段还有一个过程。1866 年,德国科学家西门子发明了自激式直流发电机,靠发电机自身发出的电流为自己的电磁铁励磁，为建造大容量电机,从而获得强大电力,提供了技术上的现实可能性,意味着电气技术最重要阶段的开始。在西门子电机的基础上,从结构上加以改进使发电机达到了更高的效率。其代表是1870 年比利时人格拉姆发明了环状电枢自激式直流发电机并投入了商业生产。

电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量方面的应用

电磁波及无线电的产生，开辟了电子技术的新纪元，使世界发生了翻天覆地的变化。电气化、汽车、飞机、自来水、电子技术、无线电和电视、农业机械化、计算机、电话、空调制冷、高速公路、航天技术、因特网、成像技术、家用电器、保健设施、石油化工、激光和光纤、核技术、高性能材料等相继出现。在过去100年中最大地改善人们生活质量，尽管有一些成就，如电话和汽车是在19世

纪发明的，但它们对社会的影响在20世纪才显现出来，所以也包括在内。应该说，这些工程技术成就直接体现了我们这个世界的文明程度，它们从根本上改变了我们人类的生活状态。如果将它们分类，看看电磁感应定律在其中起到的作用，这样我们就可以很清楚地看到电磁感应定律的重大意义。

 

第二篇：大学物理下小论文

浅谈电磁感应在生活中的应用

班号： 姓名： 学号：

摘要：电磁学已成为物理学的一个重要分支，是研究电磁运动基本规律的学科。电磁学理论的发展不仅是电工学、无线电电子学、电子计算机技术及其他新科学、新技术发展的理论依据，而且也与人们的日常生活和生产技术有着十分密切的关系。

关键词：电磁感应，电磁炉，电磁炮

正文：

电磁学从原来互相独立的两门学科——电学、磁学，发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要是基于两个重要的实验发现，即1820年丹麦物理学家奥斯特发现的电流的磁效应和1831年英国物理学家法拉第发现的电磁感应现象。这两个实验现象，以及1865年英国物理学家麦克斯韦提出的感应电场和位移电流的的假说，奠定了电磁学的整个理论体系。

如今，电磁学已成为物理学的一个重要分支，是研究电磁运动基本规律的学科。电磁学理论的发展不仅是电工学、无线电电子学、电子计算机技术及其他新科学、新技术发展的理论依据，而且也与人们的日常生活和生产技术有着十分密切的关系，下面举例说明电磁学在生活中应用。

先来谈谈电磁炉。随着生活水平的提升，人们对安全卫生的炊事用具逐渐接受，电磁炉也进入千家万户。

电磁炉是现代厨房革命的产物，它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。电磁炉的功率一般在700～1800W之间，它的结构主要由外壳、高级耐热晶化陶瓷板、PAN 电磁线盘、加热电路板、控制电路板、显示电路板、风扇组件及电源等组成。

电磁炉是利用电磁感应加热原理制成的电气烹饪器具。使用时，加热线圈中通入交变电流，线圈周围便产生交变磁场，交变磁场的磁力线大部分通过金属锅体，在锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的热。

在电磁炉内部，由整流电路将50Hz的交流电压变成直流电压，再经过控制电路将直流电压转换成频率为15～40kHz 的高频电压，高速变化的电流流过扁平空心螺旋状的感应加热线圈（励磁线圈），线圈会产生高频交变磁场。 1

其磁感线穿透灶台的陶瓷台板而作用于不锈钢锅（导磁又导电材料）底部，在烹饪锅体内因电磁感应就有强大的涡流产生。涡流克服锅体的内阻流动时完成电能向热能的转换，锅底迅速释放出大量的热量，就是烹调的热源。

那么涡流又是如何产生的呢？在柱形铁芯上绕有线圈，当线圈中通上交变电流时，每个铁芯片就处在交变的磁场中。铁芯可看成是由一系列半径逐渐变化的柱状薄壳组成，每层薄壳构成一个闭合回路。在交变的磁场中，通过这些薄壳的磁通量都在不断地变化，所以沿着一层层的壳壁产生感应电流。从铁芯的上端俯视，电流的流线呈闭合的旋涡状，因而这种感应电流叫做涡电流，简称涡流。由于大块铁芯的电阻很小，因此涡流可非常大。强大的涡流在铁芯内流动时，电能转化为内能，从而释放出大量的焦耳热,而使铁芯的温度升高。

电磁炉工作过程中热量由锅底直接感应磁场产生涡流来产生的，因此应该选择对磁敏感的铁来作为炊具，由于铁对磁场的吸收充分、屏蔽效果也非常好，这样减少了很多的磁辐射，所以铁锅比其他任何材质的炊具也都更加安全。此外，铁是对人体健康有益的物质，也是人体长期需要摄取的必要元素。

电磁炉具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪任务。因此，在电磁炉较普及的一些国家里，人们誉之为“烹饪之神”和“绿色炉具”。

再来说说电磁炮。电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器。自80年代初期以来，电磁炮在未来武器的发展计划中，已成为越来越重要的部分。

传统火炮提高炮弹初速只能通过增加发射药量来实现，但火炮药室尺寸的增大及炮管长度的加长均受限制，所以传统火炮最大初速难以超越物理限度，而电磁炮则完全摆脱了这一瓶颈。与传统的大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中电磁场的作用力，其作用的时间要长得多，可大大提高弹丸的速度和射程。

电磁炮主要由能源、加速器、开关三部分组成。能源通常采用可蓄存10～100兆焦耳能量的装置。目前实验用的能源有蓄电池组、磁通压缩装置、单极发电机，其中单极发电机是近期内最有前途的能源。加速器是把电磁能量转换成炮弹动能，使炮弹达到高速的装置。主要有：使用低压直流单极发电机供电 2

的轨道炮加速器和离散或连续线圈结构的同轴同步加速器两大类。开关是接通能源和加速器的装置，能在几毫秒之内把兆安级电流引进加速器中。

电磁炮的原理非常简单。磁场对电流的作用力，可以使通电导体运动，把电能转化成机械能。利用这一原理，科学家提出用磁场对电流的作用力发射炮弹。可以说，电磁炮是一种比较特殊的电动机，因为它的转子不是旋转的，而是作直线加速运动的炮弹。那么如何产生驱动炮弹的磁场，并让电流经过炮弹，使它获得前进的动力呢？一个最简单的电磁炮设计如下：用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过三者建立回路。把这个装置放在磁场中，并给炮弹通电，炮弹就会加速向前飞出。

根据结构和原理的不同，电磁炮可分为以下几种类型：

线圈炮：由环绕炮膛的一系列固定线圈与环绕弹丸的弹体线圈所组成。炮弹发射时，电源依次给环绕炮膛的一系列固定线圈供电，产生一个沿炮管运动的移动磁场，使得在环绕弹丸的弹体线圈中产生感应电流，感应电流也形成一个磁场，产生加速力，使弹丸在炮管整个长度上得到加速。弹丸就这样高速地被发射了出去。

轨道炮：轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去。它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸。当两轨接入电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出，这就是轨道炮的发射原理。

电热炮：电热炮的原理完全不同于上述两种电磁炮，其结构也有多种形式。最简单的一种是采用一般的炮管，管内设置有接到等离子体燃烧器上的电极，燃烧器安装在炮后膛的末端。当等离子体燃烧器两极间加上高压时，会产生一道电弧，使放在两极间的等离子体生成材料（如聚乙烯）蒸发．蒸发后的材料变成过热的高压等离子体，从而使弹丸加速。

重接炮：重接炮是一种多级加速的无接触电磁发射装置，没有炮管，但要求弹丸在进入重接炮之前应有一定的初速度。其结构和工作原理是利用两个矩形线圈上下分置，之间有间隙。长方形的“炮弹”在两个矩形线圈产生的磁场中受到强磁场力的作用，穿过间隙在其中加速前进。重接炮是电磁炮的最新发展形式。

3

电磁炮作为一种新概念火炮，它具有传统火炮所不具有的特点。电磁炮最大特点便是发射的炮弹初速高。这是由于电磁炮利用电磁发射技术，使电能转化成弹丸动能，使得炮弹初速突破了每秒2000米极限。弹丸初速高，射程就远，所以电磁炮可以远距离射击，能攻击远距离目标；飞行速度高，弹丸撞击目标的动能大，战斗杀伤力也大；弹丸在空中飞行时间减少，可以提高射击命中精度，提高击毁目标的概率。美国海军试验的电磁轨道炮可以精确攻击，误差范围不超过5米，不容易造成目标周围自己士兵的伤亡。

电磁炮不仅可以发射炮弹，也可以用来发射导弹。电磁炮通过巨大的电能，产生巨大的推力，能发射各种类型的导弹，其发射的导弹不需要像传统导弹那样携带燃料飞行，极大降低了导弹的造价，也易于存放，不容易被引爆。

然而，电磁炮的发展也还面临着一些挑战。首先，目前电磁炮能够发射的炮弹质量仍然不大，这是加速能力不足造成的。加速炮弹的力与磁场和电流之积成正比，要获得足够强的加速磁场一般靠超导磁体。用超导线圈产生磁场已是相对成熟的技术，但超导磁体需要冷却到很低温度才能发挥作用，这对于军事应用是个问题，因为会大大降低发射装置的灵活性，如果高温超导强磁体能够研制成功，对低温条件的要求也可放宽。

其次，由于目前没有足够强的发射磁场，那么只能够加大通过弹丸的电流来获取足够的初速度，但是如果加大电流必然会发热造成弹丸的腐蚀，发生危险。

随着科技的发展，超导材料的逐渐成熟，相信我们一定能克服上述问题，电磁炮在未来将会扮演十分重要的角色。

电磁学在大学物理中是一个难点,然而其在日常生活中有着极为广泛的应用,我们的生活与其息息相关,因此学好它是必不可少的。

参考文献：

[1]芶秉聪、胡海云主编.大学物理（下册）[M].北京:国防工业出版社,2012.

[2]韩广兴.电磁炉原理使用与维修技术[M].北京：教育音响出版社，2007.

[3]孙运升.电磁炉维修基本技能[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2009.

[4]黄莹,赵佳.电磁炮的基本原理及在军事上的应用[J].现代物理知识,2004,11.

4