电与磁场
用毛皮摩擦过的橡胶棒能吸起细小的纸屑，说明它带上了一种特殊的“电性”；磁铁无需接触，就能隔空拉动铁钉，这种看不见的“力”在我们周围随处可见；高空中闪现的雷电，更是在刹那间释放出巨大的能量。这些看似不同寻常的现象，实际上都隐藏着一个共同的物理本质：电荷与磁场的作用。
最初，人们将电和磁当作两种毫不相关的自然现象。电只能用摩擦、吸引、放电等现象来描述，磁只能靠铁磁物体的吸引和地磁方向体现。然而随着科学的发展，人们逐渐认识到：电和磁并非孤立存在，而是可以相互影响、彼此联动。例如，当电荷流动起来（即电流），它周围会产生磁场，这正是电磁铁和发电机、变压器工作的基础。而反过来，磁场发生变化时，也能“感应”出现电流，这就是法拉第电磁感应定律。
这种“运动的电荷产生磁场，变化的磁场推动电荷运动”的深刻联系，组成了电磁学的核心内容。现今我们所用的电灯、手机、电脑、无线网络等日常设备，无一不依赖于电与磁的相互作用。这一互为因果、密不可分的关系推动了现代社会的技术进步和便利生活，是理解物理世界至关重要的一环。
摩擦起电与电荷
将玻璃棒用丝绸摩擦后靠近小纸屑，纸屑会被吸起；用毛皮摩擦橡胶棒，橡胶棒同样能吸起纸屑。然而当把摩擦后的玻璃棒和橡胶棒相互靠近时，两者互相吸引，说明它们携带的是不同类型的电荷。
自然界中只存在两种电荷：正电荷和负电荷。丝绸摩擦玻璃棒后，玻璃棒带正电，丝绸带负电；毛皮摩擦橡胶棒后，橡胶棒带负电，毛皮带正电。两种电荷之间的作用规律只有一条：同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。
摩擦起电的本质是电子的转移。摩擦时，一个物体上的部分电子转移到另一个物体：失去电子的物体带正电，得到电子的物体带负电。两者得失的电子数量完全相等，整个系统的总电荷量不变，这就是电荷守恒定律。
电荷多少用电荷量来表示，符号为 ，单位是库仑（C）。每个电子携带的电荷量极小：
若转移了 个电子，则转移的总电荷量为：
例题：用毛皮摩擦橡胶棒，橡胶棒获得了 C 的负电荷，求共转移了多少个电子。
仅仅 C 这样微小的电荷，就已涉及多达 2000 亿个电子的转移，足见单个电子的电荷量之微小。
摩擦起电并非凭空产生了电荷，而是电子在两物体之间发生了定向转移。失去电子的物体带正电，得到电子的物体带负电，系统总电荷量始终保持不变——这就是电荷守恒定律。
导体与绝缘体
将铜导线一端接触带电体，电荷会迅速通过铜线扩散；换用干燥的木棒，电荷几乎纹丝不动。物质传导电荷的能力差异极大，物理学据此将材料分为导体和绝缘体两类。
导体内部存在大量可以自由移动的电荷——金属中是自由电子，盐水中是自由离子。绝缘体内部几乎不存在可以自由移动的电荷，所以电荷无法在其中流动。
一段带绝缘皮的铜导线，内层铜芯负责传输电流，外层塑料皮防止漏电和触电，两者各司其职。人体是导体，这正是触电会有危险的根本原因——电流可以直接通过人体的组织流动。
导体与绝缘体的划分并非绝对。干燥木头是绝缘体，受潮后变成导体；纯净水几乎不导电，溶入食盐后变成良导体。同一种材料在不同状态（干湿、纯净程度）下，导电性可以截然不同。
磁场与磁极
磁铁能在不接触的情况下吸引铁钉、镍片，这种作用通过磁场来传递。磁铁周围的空间中存在磁场，处于磁场中的铁磁性物质（铁、镍、钴等）会受到磁场力的作用。
每块磁铁都有两个磁极：北极（N 极）和南极（S 极），且磁极总是成对出现，不存在单独的 N 极或单独的 S 极。磁极之间的相互作用规律与电荷相同：同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。
在白纸下放一块条形磁铁，纸上撒铁屑并轻轻振动，铁屑会沿着一组弯曲的曲线排列，从磁铁的 N 极出发，绕外部弧形路径回到 S 极。这些曲线称为磁感线，用来直观描述磁场的分布：磁感线越密集处磁场越强，越稀疏处磁场越弱。
地球本身是一个巨大的天然磁体，形成了覆盖整个地球的磁场——地磁场。指南针能够指向南北，正是因为指针是磁铁，在地磁场的作用下，N 极转向地理北方（靠近地磁南极），S 极转向地理南方。
磁感线是人为引入的辅助描述工具，实际空间中并不存在真实的线条。通过铁屑实验可以近似呈现它的形状。在所有磁场描述中，磁感线越密集的地方，磁力越强，这是判断磁场强弱分布的直观依据。
电流的磁效应与电磁铁
1820 年，丹麦物理学家奥斯特做了一个简单但影响深远的实验：把通电导线平行放在指南针上方，指南针立刻发生偏转；切断电流，指南针恢复原位。这个实验第一次证明了电流能产生磁场，称为电流的磁效应。
直导线通电时，其周围会出现环绕导线的圆形磁场；将导线绕成多匝螺旋线圈（螺线管）后，各匝磁场叠加在一起，整体表现得像一块条形磁铁，具有明显的 N 极和 S 极，磁场比单根导线强得多。
在螺线管中插入铁芯，就制成了电磁铁。铁芯能大幅增强磁场，是因为铁内部的微小磁畴在外加磁场下整齐排列，产生了额外的磁场。铜、铝等金属没有这种特性，因此不能用作电磁铁的铁芯。
影响电磁铁磁力大小的因素主要有两个：
电磁铁的显著优点在于：接通电流时产生磁性，断开电流时磁性立即消失；改变电流方向，N 极和 S 极随之互换。这种可控性是永久磁铁无法做到的，使电磁铁在工业和生活中有着广泛的应用。
电磁铁综合了电与磁的两大特性：电流产生磁场（奥斯特发现），铁磁材料大幅增强磁场。正是这两者的结合，才使电磁铁成为现代工业中不可缺少的核心器件。
练习题
第1题（电荷间的相互作用）
用丝绸摩擦过的玻璃棒（带正电）靠近一个悬挂的轻质小球，发现小球被吸引靠近玻璃棒。下列关于小球带电情况的判断，正确的是：
A. 小球一定带负电
B. 小球一定不带电
C. 小球可能带负电，也可能不带电
D. 小球一定带正电
答案：C
带正电的玻璃棒吸引小球，存在两种情况：① 小球带负电，异种电荷互相吸引；② 小球不带电，带电体能够吸引轻小物体，这是带电体的基本性质之一。由于两种情况都能解释所观察到的吸引现象，无法仅凭吸引就断定小球一定带电，答案选 C。
排除 A、B 的道理在于：吸引现象不能区分“异种电荷吸引”和“带电体吸引不带电体”这两种情况，只有排斥才能确定两物体带同种电荷。
第2题（导体与绝缘体的判断）
下列物品中，属于绝缘体的是：
A. 铅笔芯（石墨）
B. 食盐水
C. 人体
D. 干燥的橡皮
答案：D
铅笔芯由石墨制成，石墨是良导体，内部有大量自由电子（A 错误）；食盐水中含有大量可自由移动的钠离子和氯离子，是导体（B 错误）；人体含有大量水分和电解质，也是导体，这是触电危险的根本原因（C 错误）；干燥的橡皮内部几乎没有自由电荷，是绝缘体（D 正确）。答案选 D。
第3题（磁极间的相互作用）
将两块磁铁的一端相互靠近，发现它们互相排斥，则下列判断正确的是：
A. 两块磁铁靠近的一端一定是同名磁极
B. 两块磁铁靠近的一端一定是异名磁极
C. 无法判断靠近端是同名还是异名磁极
D. 两块磁铁靠近的一端可能是同名也可能是异名磁极
答案：A
磁极间的相互作用规律：同名磁极（N 与 N，或 S 与 S）互相排斥；异名磁极（N 与 S）互相吸引。两磁铁表现为互相排斥，可以直接判定靠近的两端必定是同名磁极。注意与电荷相互作用的类比：排斥→同种，吸引→异种（但吸引不能排除带电体吸引轻小物体的情况；磁铁间的吸引则可以确定是异名磁极）。答案选 A。
第4题（影响电磁铁磁力大小的因素）
一个电磁铁，在其他条件不变的情况下，下列操作能使其磁力增大的是：
A. 减小通过线圈的电流
B. 将铁芯换成铜芯
C. 减少线圈的匝数
D. 增大通过线圈的电流
答案：D
电磁铁磁力的两个影响因素：① 电流越大，磁力越强；② 线圈匝数越多，磁力越强。铁芯能显著增强磁场，铜芯则不能（铜不是铁磁性材料）。A 中减小电流会使磁力减弱（错误）；B 中换成铜芯会大幅削弱磁力（错误）；C 中减少匝数会使磁力减弱（错误）；D 中增大电流，磁力增强（正确）。答案选 D。
第5题（计算题）（电荷量与电子数的计算）
用毛皮摩擦橡胶棒，部分电子从毛皮转移到橡胶棒上，橡胶棒获得了 C 的负电荷。（每个电子所带电荷量 C）
（1）此次摩擦共转移了多少个电子？
（2）摩擦结束后，毛皮带何种电荷？带电量是多少？
解题过程：
（1）转移的电子数：
第6题（计算题）（电流与电荷量的关系）
某导线中，每秒有 个电子通过导线的某一横截面。（每个电子所带电荷量 C，电流的定义：单位时间内通过导体横截面的电荷量，即 ）
（1）每秒通过该横截面的总电荷量是多少？
（2）该导线中的电流是多少安培？
解题过程：
（1）每秒通过截面的电荷量：