本书是面向青少年，特别是面向小学高年级和初中学生的科普读物。图书从电与电力、电流和电压、电流和磁场、磁场的世界、电磁感应、电磁波以及电磁学的技术创新等七个方面为青少年读者介绍了支撑我们日常生活的两大支柱——电和磁。书中的知识既涉及磁铁、指南针等我们日常生活中常见物品，也包含人工智能、虚拟现实等前沿科技。除此之外，作者还带领青少年读者们展望了未来第四次工业革命中电磁所扮演的重要角色，由此激发读者们的求知欲和探索欲。

方相皓，韩国弘益大学毕业，主修视觉设计。长期从事插画绘制和书籍设计工作。力图通过想象、设计、阅读和写作让每一天都成为崭新的一天。

1 电荷与静电力
静电是什么？
电荷的起源
静电力——电荷之间相互吸引与排斥的力
电荷之间相互作用的特殊方式
2 电流与电压
电流——电荷的流动
电荷流动的条件
电压——电流产生的原因
电阻——阻碍电流的通过
电功率的意义
3 磁铁与磁场，电流与磁场
磁铁的力量
磁感线——连接N极和S极的线
磁场的秘密——电流
磁铁的真面目
4 磁场的世界
运动的电荷和磁场
磁场对电流的作用力
利用电流制造电磁铁
磁力的馈赠
洛伦兹力的应用——电动机和扬声器
5 电磁感应
法拉第与电磁感应现象
电磁感应现象产生的条件
电磁感应现象的应用
6 进入电磁波的世界
变化的磁场和电场
电磁波的产生
无处不在的电磁波
如何生成电磁波
7 新技术革命和电磁
第四次工业革命时代
超链接社会中的电磁波
移动生活的必需品
硬盘和磁场
写在现代科学的尖兵——电磁旅行的结尾

春光明媚，天色正好，
你在做什么呢？哦，原来
是准备出门见朋友。出门
时一定要带的是什么呢？
手机和充电宝！和我一样
。现如今，手机已成为我
们生活中不可或缺的一部
分。手机刚诞生的时候，
俗称“大哥大”，像砖头一样
又大又沉，只有发短信和
打电话的功能，这样一块“
大砖头”是怎么随身携带的
呢？现在想想都觉得不可
思议，但在当时，仅是能
边走边打电话这一个功能
，就足以让人惊叹不已。
现在的手机，不仅体积缩
小了很多，而且功能繁多
，你可以用它打游戏、看
电影，或者登录常用的社
交软件，甚至网上支付，
真是太神奇了。
手机已经深入我们的日
常生活，就像是我们与世
界相连的一根纽带。外出
时，你是不是也有过这样
的感觉———当手机的电量
随着时间的流逝而不断减
少时，就会觉得自己与世
界相连的那根纽带不断地
变细，似乎马上就要断了
，因而格外焦躁不安。此
外，当听到新闻播报说，
小区内或电线杆上的变压
器因为超负荷跳闸而导致
整个小区停电时，也会不
自觉地感觉胸闷。周围都
是一些冷冰冰的电器，如
冰箱、电视、电脑和灯具
等，自己仿佛被囚禁在一
片漆黑之中而感到局促不
安。如上所述，我们生活
中所有电器的运转都离不
开电，很难想象没有电的
世界是什么样子的。
那么，电究竟是什么呢
？为什么只有把电器的插
头插入墙或插排上的插座
才能通电呢？在信息革命
取得巨大进展的现在，为
什么我们还没有摆脱用电
线取电的传统方式呢？而
已经步入发展正轨的无线
充电技术会给供电体系带
来怎样的技术革命呢？你
是否也有过以上这些疑问
？
要想回答这些问题，首
先要明确电是什么。在本
书中，我们将从支配我们
日常生活的电人手，揭开
它的本质，接着对电荷、
电流、电压、电阻、电功
率等我们有所耳闻却不甚
了解的概念进行逐一讲解
，并帮助大家理解与它们
相关的技术及应用。
早在古代中国和古希腊
罗马时期，人类就已经认
识到自然中存在电现象和
磁现象。古人虽然没有完
全理解其原理，但已经会
利用磁现象制成指南针并
应用于航海。从科学发展
史来看，人们对电和磁的
研究是分开的。因为静电
引起火花等电现象和磁铁
吸附铁等磁现象在表面上
看起来毫不相关，所以当
时的人们并没有意识到它
们之间的内在联系会是如
此的紧密。但在18-19世纪
，人们在实验中找到了电
与磁紧密相关的证据，从
而实现了电与磁的统一。
在这个过程中，最先发现
电与磁关系的是英国科学
家迈克尔·法拉第，随后英
国科学家詹姆斯·克拉克·麦
克斯韦阐明了电与磁在实
质上的统一性，提出了电
磁理论。而这最终让前面
提及的电磁波和光的理论
登上了历史舞台。简而言
之，麦克斯韦统一了电和
磁的理论，并为后来研究
光的理论——光学的建立奠
定了基础。
对电和磁的研究是支撑
现代科学大厦的主要支柱
之一，我将和你一起探索
这一支柱是如何建立的。
对电和磁的理解是我们理
解开创信息通信文明的现
代科学的基础，同时，电
和磁也与半导体和显示器
、第四次工业革命、能源
技术等新闻中频繁出现的
科技主题息息相关。可以
预见，随着工业的发展和
技术的革新，我们的生活
将变得更加美好。然而，
我们不仅要理解技术，更
要理解这些技术背后的科
学原理，才能成为能动地
利用技术的主体，而非从
属于技术的被动存在。从
这个角度来说，我坚信本
次旅行会为你提供理解现
代科技文明的线索。好，
现在让我们奋力迈出第一
步吧！

电磁是什么？电和磁自古以来就是令人惊讶的神奇现象，也是支撑现代科学大厦的主要支柱。说到电，必然也会说到磁；提到磁，自然也离不开电。它们就像一对形影不离的孪生兄弟。让我们跟随物理学家的脚步，了解有关电和磁的现象、规律和应用，走进电磁创造的世界吧！

到目前为止，你对本次
旅行感觉如何？本书一开
头，就通过生活中各种电
磁现象，介绍了“电”和“磁”
这一对孪生兄弟。随着旅
行的进行，我们知道了这
两种现象以电流为媒介相
互关联；在明白了电流的
流动会产生磁场，磁场的
变化会产生电场，电场的
变化又会产生磁场之后，
才理解了电磁波的真面目
。我们也具体分析了电现
象和磁现象交融出现电磁
波的过程。在法拉第和麦
克斯韦的努力下，电学、
磁学、电磁波学及光学融
为一体。
但旅行并没有在此结束
，麦克斯韦创立的电磁理
论最终演变成爱因斯坦的
相对论。很抱歉在旅行快
结束的时候还要说一些“烧
脑”的话。假设有一个正电
荷，我们在它旁边不动，
可以测得该正电荷产生的
电场。现在假设这个正电
荷不动，我们从一旁跑过
并观察它，如果将参照物
设定为自己，那么在我们
眼里，自己静止不动而正
电荷从我们身边经过。电
荷移动意味着会有电流流
动，那么该电荷产生的磁
场也能够被测定。在电荷
静止的前提下，如果我们
静止，就会产生电场；如
果我们动起来，那么除电
场之外，还会产生磁场。
这样说来，电磁场的实体
会根据我们和电荷的相对
运动情况而发生改变吗？
答案并非如此。相反，这
种情况恰恰从另一方面证
明了电场和磁场是同一现
象。
之所以在本书的最后部
分讲述上述情况，是因为
我并不想就此结束电磁旅
行，而是希望给大家提供
一些建议。爱因斯坦的相
对论，就可以完美理解电
场与磁场、电力和磁力之
间的关系。另外，电磁理
论与量子力学等现代物理
学的发展也紧密相关。读
完这本书，站在本次短暂
旅行的终点，相信你已经
对电和磁有所了解，但同
时你又站在了下一次新旅
行的起点之上。我想，只
有当你进入新的学习阶段
的时候，才能开始新的旅
行。
当今的科学技术发展和
文明演进过程瞬息万变，
在这一过程中，努力更好
地理解电磁学等现代科学
也许是现代人的宿命。真
心祝愿你在今后的新旅行
中一切顺利！

本书以清晰的脉络带领
读者踏上了一段从微观到
宏观、从理论到应用的电
磁之旅。阅读之后，你会
加深对世界的理解。
周经纬
中国科学技术大学物理
学博士、中国科学院微观
磁共振重点实验室工程师

静电是什么？
在天气干燥的冬季，有什么总是困扰着人们？你可能会说是寒冬腊月刺骨的寒风和结冰的道路，但肯定有不少人会立刻想到无处不在的静电。在秋冬季节，当我们打开车门、穿毛衣，以及与他人握手时，它常常会一闪而过，给我们带来瞬间的冲击与不适。正如图1-1所示，静电使泡沫塑料牢牢地吸附在猫身上。有时还会使物体吸引小纸片和碎布的静电，到底是什么呢？我们每天使用的电与静电之间有什么关系呢？我们的故事就从这些日常的“小好奇”开始。
早在古希腊时期，人们就发现了摩擦起电的现象。你听说过琥珀吗？琥珀是由松树等植物分泌的树脂在地下经过复杂过程形成的生物化石（图1-2）。琥珀因色泽莹润而被当作宝石，为了保持其光泽，人们会用布料或其他物体擦拭，但在擦拭后经常会看到布屑和碎布等被吸附在它上面。当时的人们不了解其中的原因，只觉得非常神奇，便认为琥珀是“神的矿物”，里面居住着“灵魂”。古希腊贤者泰勒斯（Thales,前625？—前547？）将极易吸附物质的琥珀取名为“ilektron”。有趣的是，这也成为现在英文单词“electron”（电子）的词源。后来人们才知道，不仅是琥珀，很多物体都可以通过摩擦而带电，并且世界上存在正、负两种电荷，它们之间是相互作用的。
静电现象与盛夏时经常出现的闪电存在联系，这两种现象只是规模不同，但都与电荷（electric charge）有关。可以这样说，闪电就是天空上演的大片级静电现象。你之前听说过电荷吗？嗯，还听过正电荷和负电荷？没错，电荷就是电现象中的中心位主角。正电荷和负电荷一般处于平衡状态，不会轻易暴露自己的真实身份，然而静电或闪电等日常生活中的电现象都在时刻提醒着我们电荷的存在。
电荷之间相互作用产生的力，即静电力（广义上应称为电磁相互作用力，属于后文中提到的四大基本力），隐藏于日常生活中各种电现象的背后。而要想更深入地认识电荷，首先要从物质的基本构成单位——原子说起。现在，我们早已知晓周围所有的物质（甚至是身体！）都是由原子构成的。关于原子的历史，最早可追溯到古希腊时期德谟克利特提出的“原子论”（万物由原子构成）。其间的细枝末节，受限于篇幅无法一一陈述。在本书中，我将直接讲述现代科学家所观察到的原子。
电荷的起源
德谟克利特（Democritus,前460？-前370？）认为原子是不可再分的最小单位，而进入19世纪以后，人们发现原子内部有着更小的构成成分，其中最早的先行者便是英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆孙（Joseph John Thomson,1856—1940）。汤姆孙在给金属电极（阴极）施加电压时，发现其发出的电子流（阴极射线）带有负电荷，且质量低于氢原子质量的千分之一。这一瞬间，原子第一次向人类展示自己的内部结构。
由原子构成的物质通常处于中性的稳定状态，内部的正电荷和负电荷保持平衡，因此负电荷要想存在，原子中就应该有能抵消负电荷的正电荷。为了更直观地说明这一点，汤姆孙提出了“葡萄干布丁原子模型”。葡萄干布丁里不是密密麻麻地镶嵌着葡萄干吗？汤姆孙认为，带负电荷的电子就像葡萄干一样，镶嵌在正电荷球里（图1-3左图）。
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