这是你的夜校第篇文章

教你白天学不到的知识

很早以前，人类就发现了自然界中的一些电现象和磁现象，最常见的就是摩擦起电和磁石。在之后的时间里，人们开始使用和研究这些奇特的现象。

年英国医生威廉·吉尔伯特发表了《论磁、磁饱和地球作为一个巨大的磁体》，他总结了前人对磁的研究，周密地讨论了地磁的性质，记载了大量实验，使磁学从经验转变为科学。书中他也记载了电学方面的研究。

然而真正对电磁现象的系统研究则要等到十七世纪以后，并且静电学的研究要晚于静磁学，这是由于难以找到一个能产生稳定静电场的方法，这种情况一直到年摩擦起电机发明后才开始改变。

随后的时间，PietervanMusschenbroek发明了莱顿瓶，可以储存电能；通过观察电鳗的组织细胞，亚历山大·伏打发明了伏打电堆，即最早的电池，是人类电学研究史上 的突破之一，它也同时证明使青蛙腿颤抖的电流来自于外部而不是青蛙自身的神经。基于这两个设备，对电磁学的研究开始成为科学界的热门领域。

人们在这一时期主要了解到了静电力的同性相斥、异性相吸的特性、静电感应现象以及电荷守恒原理。

我们了解了电和磁之间诸多的性质，但最想了解的是，电磁作用的本质是什么？这就需要从经典电磁学的研究一步一步得出答案。

本文先讲述 部分内容：

电场和磁场是怎样的？

（莱顿瓶与伏打电堆）

静电场

静电场一定要从库伦定律说起：静电力与电荷电量成正比，与距离的平方反比关系。

在很多科学家的实验观测和理论研究之后，库伦于年进行了 的扭秤实验，证明了静，于是有了库伦定律：

定义电场等于作用力比试探电荷，得到静电场的表达式：

简单理解下这个公式：静电场中某点的电场强度与它和场源电荷的距离成反比。

这个公式已经描述了电荷（场源电荷）激发的静电场中其他电荷会受到的来自该电荷的作用力和电场。

但这不够，我们还想知道电场是怎么样的。

库仑扭秤（torsionbalance）

年，卡尔·高斯（就是 数学家高斯），得出了静电场的高斯定律：

左边式子中的倒三角点乘电场的意思是电场的散度，描述的是电场的发散程度，对静电场，其空间里的电场强度是一个矢量场。正电荷附近，电场线“向外”发射，所以正电荷处的散度为正值，电荷越大，散度越大。负电荷附近，电场线“向内”，所以负电荷处的散度为负值，电荷越大，散度越小。

从上式可以得到高斯定律的积分形式：

将库伦定律带入其中就可以证明。它的意思是：给予空间的某个区域内，任意位置的电场。原则上，应用高斯定律，可以很容易地计算出电荷的分布。只要积分电场于任意区域的表面，再乘以真空电容率，就可以得到区域内的电荷数量。

而这也就意味着：电场线开始于正电荷，终止于负电荷。从估算穿过某给定闭曲面的电场线数量，即电通量，可以得知包含在这闭曲面内的总电荷。

所以高斯定律就描述了电场是怎样由电荷生成。

静电场中任何一条电场线，都是起自正电荷（或来自无穷远处），止于负电荷（或伸向无穷远）。

静磁场

上面的内容讲述了物理学家如何描述静电场。我们需要提前知道电场和磁场的统一性，那么，就会存在静磁场。静磁场是恒定电流所激发的，也就是在恒定电流的周围存在着电场。

高斯磁定律：

这个公式的意思是，磁场的散度为0，也就是说，磁感线是闭合的，初始点，也没有终结点。磁场线或者形成一个闭循环，或者两个端点都延伸至无穷远。这就与上面的静电场不同，静电场来源于电荷，而对磁场：不存在相应的磁荷。

同样它具有相应的积分形式：

对一个闭合曲面，磁感线总是有出有进，磁通量不随时间变化，则磁场对闭合曲面的积分为0。

根据高斯磁定律，磁场线没有初始点也没有终止点，而是形成循环或延伸到无穷远。示意图展示由流动于圆环导体的电流所形成的磁场线。中间两个灰色圆形符号代表垂直与屏幕向里和向外的两个恒定电流（导线）。

下篇文章会介绍电场和磁场如果随时间变化会怎么样，也就是电场和磁场如何互相激发。

作者往期文章推荐

Journey，风之旅人

游戏

「h」改变世界

物理

几本非常好的大众向科学类书籍

读书

旧文新推

、微博上的“跨墙者”

说说我家的独眼美人

音乐，可以不只是音乐│科普

搬小板凳的木土

编辑

网络

配图

投稿邮箱