物理学是探索自然奥秘的科学。本书就像一部物理学推理小说，我们的推理对象是叫做电场和磁场的两种“场”。

自然界里广泛存在着电场和磁场，许多读者大概都在无意之中听说过并且或多或少地知道一些，但是，电场与磁场到底是什么?为什么科学家们会研究出这样一些东西呢?能够回答出的人就不多了。本书将带领读者通过分析各种各样的电磁现象，就像读推理小说一样探求电磁场的本性，对电场和磁场进行一番透彻的探究。

这像一部推理小说，推理对象是电场和磁场。电磁现象看似复杂，几个定律就可轻松破解。从最简单事例出发，生动模型激发创新思维。引用身边电子产品，解读生活中的电磁现象。

前言

引子 最简单的收音机

1 如果只听声音

2 用什么办法选台

第1章 熟悉电路——水流与电流

1 孩子们的想法

1.1 电流撞到一起了

1.2 电流被消耗掉了

2 从水流到电路

2.1 电压会流动吗

2.2 欧姆定律——电流、电压、电阻的关系

3 电功率是什么

3.1 500W与1000W，谁的电阻大

3.2 哪一个更亮

4 解析复杂电路的王牌

4.1 把两个电路合并

4.2 增加一只电阻后，会出现什么变化

4.3 基尔霍夫定律

4.4 求解联立方程

5 电流与能量流

5.1 构成原子的东西

5.2 电荷是守恒的

5.3 自由电子能够缓慢地流动

5.4 电流和能量是两码事

第2章 研究电场——超距作用论与媒介作用论

1 奇妙的静电

1.1 带电的太阳

1.2 琥珀与磁石

1.3 静电其实非常有用

1.4 电力是如何作用的

2 直接穿越空间的力

2.1 电素与电流体

2.2 超距作用力——直接穿越空间的力

2.3 计算电力的库仑定律

2.4 身边的静电感应

3 通过媒介在空间中传播的力

3.1 媒介作用力以空间为媒介

3.2 电磁学的中心课题

3.3 确定电场的方法

3.4 电场是涌出或者吸入型的

4 电场的分布图

4.1 电势差是什么

4.2 电势是什么

4.3 电场是电势的倾向

4.4 重新理解欧姆定律

5 难以验证的场

5.1 空间中存在着以太

5.2 场是真实的存在吗

5.3 电的基本规律只有两条

第3章 磁场是什么

1 探求磁铁的本质

1.1 奇妙的磁流体

1.2 按磁性分类物质

1.3 磁石的迷信

1.4 吉尔伯特的磁球

1.5 解开大陆漂移之谜

1.6 磁力是超距作用力吗

1.7 切碎以后还是磁铁

2 电流是磁场之本

2.1 超导磁铁

2.2 奥斯特的发现

2.3 磁场线与磁场

2.4 右螺旋定律

2.5 永久磁铁的本质

2.6 容易变成磁铁的物质

2.7 磁场是循环型的

3 作用于运动电荷的力

3.1 没有螺旋桨的高速船

3.2 电动机的原理

3.3 方便的IB定律

3.4 拐弯的电子束

3.5 回旋加速器——谈带电粒子加速

4 磁力是如何作用的

4.1 辩论家安培的观点

4.2 磁的基本定律

第4站 电磁学最重大的发现——电磁感应

1 由磁生电

1.1 用随身听带响收录机

1.2 浮起磁铁

1.3 尝试由磁生电

1.4 意外时刻的发现

1.5 迈克尔·法拉第

1.6 建立力线的形象

1.7 磁铁产生的电磁感应

2 电磁感应定律

2.1 原因是磁场的变化

2.2 新物理量——磁通密度

2.3 楞次定律

3 活跃于各种场合的电磁感应

3.1 手摇发电机

3.2 能量的转换

3.3 磁悬浮的原理

3.4 超导体

3.5 电磁炉的工作原理

4 核心是感应定律

4.1 深入思考感应定律

4.2 磁场与电场，哪一个是原因

4.3 磁场的变化产生电场

4.4 顽固的超距作用论

4.5 演员到齐了

第5章 交流电的功劳

1 能量的搬运工

1.1 电是“财物”

1.2 电是搬运工

1.3 所谓100V的交流电

1.4 直流与交流的争论

1.5 交流的胜利

2 交流电路的两个主角

2.1 线圈“发憷”

2.2 电容器“活跃”

2.3 振荡电路

2.4 选台的原理

2.5 在电容器里发生了哪些事情

2.6 电磁波的可能性

第6章 电磁波的世界

1 发现电磁波

1.1 来自宇宙的信号

1.2 麦克斯韦的预言

1.3 詹姆斯·麦克斯韦

1.4 决定实验的条件

1.5 原地踏步的波——驻波

1.6 赫兹的实验

1.7 光与电波，有什么不同

1.8 电磁波的产生机理

1.9 电磁场带有能量

1.10 微波炉的工作原理

2 传递信息的通信员

2.1 模拟方式的代表：AM与FM

2.2 PCM：数字通信的时代

2.3 什么是半波长天线

2.4 电磁波的传播方式

2.5 接收天线：从电磁场获得电流

2.6 雷达的原理

3 电磁场的本质

3.1 最后的问题——以太

3.2 赫兹发现的是以太吗

3.3 电磁感应悖论

3.4 场的独立存在性

后记

4.4 重新理解欧姆定律

自由电子在电路中的移动速度非常缓慢，可是为什么只要一打开开关，灯泡马上就发光呢?这个我们曾经在第一章里碰到过的问题，用电场理论解释起来非常简单。

像电容器的极板之间发生的情况一样，当电流通过时，在电阻的内部也有电势的倾斜，也就是说存在着电场。自由电子受该电场的作用而在电阻内部移动(实际上，因为电子带的是负电，所以移动方向与电场方向相反)。

在电路中移动的自由电子与电场的关系，好像交通阻塞的道路上的汽车与信号灯的关系一样：当各个路口都是红灯的时候，排成长列的汽车全部停止；当信号同时变成绿灯的时候，所有的汽车同时起动。  

电路的开关断开的时候，好比信号是红灯；接通开关的时候，好比信号同时转绿。在开关接通的一瞬间里，电场迅速传遍所有的电线并在电阻中产生了电势的倾斜面。

自由电子(汽车)在来自电场的力的作用下(信号转绿)，虽然有不断加速的倾向，但是却遭到电阻内部的阳离子的阻碍(道路狭窄造成车辆拥堵)，结果自由电子(汽车)只能缓慢地匀速前进。

在这种情形中，电势差越大，电场越强，电流也会成比例地增大，这就是欧姆定律。

所以，欧姆定律是建立在“带电粒子在电场中受到力的作用”这个更加基本的定律的基础之上的。虽然欧姆定律的应用范围十分广泛，但是它在电磁学的理论体系中还不是一条独立的基本定律。

于是，又一个问题自然而然地出现了：“既然说电场的传播几乎是在一瞬间完成的，那么传播的速度是多少呢?”很遗憾，现在还无法马上给出答案，笔者把这个问题的解答留给后面的章节。

5 难以验证的场

5.1 空间中存在着以太

按照我们传统的想像，在真空空间里不应该存在任何的物质。但是，电磁世界的主角是电场和磁场，电磁学理论指出：所谓场是空间的一种性质，在真空中当然也有场的存在。这种说法让人感到难以理解，即使是最先提出电磁场这个科学概念的法拉第和麦克斯韦也不认为场能够存在于什么真空当中。

在探讨光的本质的时候我们遇到了同样的问题，光波在真空中传播的时候一定有某种东西做媒介，所以，主张场的观点的科学家们认为在空间中存在着叫做以太的未知物质，以太是什么样的东西呢?当时的科学家们提出过各种各样的模型，比如，有人认为以太极其稀薄肉眼无法看到；还有人认为以太是用通常手段无法观测的微粒子流。

各位读者可以暂时想像在空间中存在着以太，至于它的真实性如何，读到本书的最后一章时大家自然就会明白的。

P58-59

推理小说有两种类型：正统的一类做法是开始不指出谁是罪犯，让读者与侦探一起去推理，最后使案情真相大白；另一种类型则相反，一上来就告诉读者谁是罪犯，通过不断深入推理让其无法抵赖，它所注重的是通过寻找决定性的证据揭穿罪犯的伪装，这种类型的推理小说可能不够神秘，但其有趣之处在于更深入地分析案情。

物理学是探索自然奥秘的科学，在很多地方与推理小说有相似之处。本书采用了后一种推理小说的写作方法，推理的对象是叫做电场和磁场的两类“场”。

许多人都或多或少地知道或者听说过自然界中存在着电场和磁场，但是，电场和磁场到底是什么?它们是怎样被科学家研究出来的呢?知道的人就不那么多了，本书将通过分析各种各样的电磁现象，对电场和磁场进行一番彻底的探求。

经常有人抱怨“电磁太难懂了”，笔者认为，出现这种现象的原因之一在于各种各样的电磁现象看上去显得很复杂，难以找出它们共同的基本规律，而帮助读者跨过这道难关也是本书的一大目标。

因此，笔者在撰写本书时着重考虑了以下几个方面：

(1)人类对电与磁现象的真正理解是从20世纪初期由麦克斯韦创立的电磁学完成后才开始的。本书试图用通俗易懂的方式向广大读者讲解电磁学，最重要的是要告诉读者，看似复杂的电磁现象其实可以用为数很少的几个定律来概括。

(2)与力学和热学不同，电磁学的主人公是叫做“场”的电场和磁场，本书尝试用通俗易懂的语言解释它们。不过笔者认为“场是什么”不是好的立问，容易把事情复杂化，不如把问题改为“为什么要研究所谓的场”，这样更容易寻找答案。

(3)为了便于读者的阅读，本书从最浅显的事例出发逐渐深入，特别是在开篇时下了许多工夫，通过列举多种具体的模型帮助读者建立起正确的想像。

(4)在我们的周围存在着许多奇妙的电磁现象以及各种各样的电器，本书在讲解理论的同时，注重尽可能多地列举生活中的实例。

(5)在电磁学的发展过程中，科学家们总结出了许多卓有成效的思考方法和实验手段，本书尽可能鲜活地予以讲述。

好，现在让我们一起开始探索电磁场的科学旅行吧!

福岛肇

“关于相对论的入门书籍已经很多了，可是有关电磁学的入门书籍却非常少见，请您写一本吧。”当讲谈社的大江千寻编辑来约稿的时候，说真的，我曾经一时感到不知所措，仔细想想，的确是这么一回事，但是，我能写好这本书吗?

此后的三年，我边学边写、边写边学。电磁学的相关领域极其广阔，从科学史、理论物理、教育学到应用技术都是我的学习对象，本着“把自己领悟到的要点详尽地介绍给读者”的指导思想，我终于在遍览群书的基础上写成了本书。

在写作过程中，我特别留意了以下两点：

(1)以超距作用论与媒介作用论的对立为主题，阐述场的必然性。这样的写法或许有些冒险，因为我还没有看到过类似的入门书籍。

“在当代人眼里，场已经是理所当然的客观存在了，没有讨论的必要。”也许有人会持这种观点，但是我认为，如果不把场的概念搞清楚的话，就无法真正地理解电磁学。

另外，关于超距作用和媒介作用的用词，一般来说，与超距作用相对的应该是近距作用。但是，近距作用原本来自英文的action through nledium，所以，我认为媒介作用一词更贴切。

(2)与电磁学的书籍一般都从静电开始不同，本书是从直流电路开始的，因为我感到从电场、电位等概念开始的教法对于初学者来说理解的难度太大，用水流模型讲解直流电路也是基于同样的考虑。

通常的教科书所采用的顺序是首先从严密的概念定义开始，然后阐述基本定律，最后列举实际应用。本书在许多地方摒弃了这些传统的写法，这可能会遭到有的物理学家的反对。采用传统的写作模式虽然可以让专家们看得眼顺，但是却会使广大的读者们感到难以入门，因此，我斗胆采用了非常规的方式。

尽管如此，我并不想把本书写成违反认识的顺序、随意点题的入门书，我的目标是：透彻地讲解电磁学的原理而不用复杂的数学公式。至于这个尝试是否成功，则只有取决于各位读者的评价了。

在本书的执笔过程中，增子宽(麻布高中)、笠耐(上智大学)、永易浩(锦城高中)、小田切淳一(高能物理研究所)、原岛博(东京大学)以及许多不知道姓名的前辈给原稿提出了许多宝贵的意见，在此谨致衷心的谢意。

作者