磁學(xué)的應(yīng)用起源與春秋戰(zhàn)國(guó)，隨著近代電學(xué)的發(fā)展，促成了電磁學(xué)的理論和應(yīng)用的快速發(fā)展，從近代1831年法拉第感應(yīng)定律，到1865年麥克斯韋方程組的提煉，再加以1907年的外斯假說(shuō)奠定了現(xiàn)代電磁學(xué)的理論基礎(chǔ)。最后到1996年歐盟強(qiáng)制推行電磁兼容法規(guī)和2001年中國(guó)的推進(jìn)，電磁兼容技術(shù)越來(lái)越受到相關(guān)各行各業(yè)的重視，電磁兼容性能成為儀表的關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)。
1、概述
戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，指南針作為中國(guó)古代四大發(fā)明之一，是中國(guó)古代勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期的實(shí)踐中對(duì)物體磁性認(rèn)識(shí)的結(jié)果。它的發(fā)明對(duì)人類的科學(xué)技術(shù)和文明的發(fā)展，起了無(wú)可估量的作用。
早期，由于磁現(xiàn)象曾被認(rèn)為是與電現(xiàn)象獨(dú)立無(wú)關(guān)的，同時(shí)也由于磁學(xué)本身的發(fā)展和應(yīng)用，如近代磁性材料和磁學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的磁效應(yīng)和磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用等等，使得磁學(xué)的內(nèi)容不斷擴(kuò)大，所以磁學(xué)在實(shí)際上也就作為一門和電學(xué)相平行的學(xué)科來(lái)研究了。
電磁學(xué)從原來(lái)互相獨(dú)立的兩門科學(xué)(電學(xué)、磁學(xué))發(fā)展成為物理學(xué)中一個(gè)完整的分支學(xué)科，主要是基于兩個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即電流的磁效應(yīng)和變化的磁場(chǎng)的電效應(yīng)。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加上1865年麥克斯韋提出的電磁方程組，奠定了電磁學(xué)的整個(gè)理論體系，發(fā)展了對(duì)現(xiàn)代文明起重大影響的電工和電子技術(shù)。1907年，皮埃爾·外斯的外斯假設(shè)中奠定了鐵磁性理論，被譽(yù)為“現(xiàn)代磁學(xué)之父”，闡述主要磁材料的3種元素(鐵Fe、鈷Co、鎳Ni)、過渡元素以及稀有金屬的特性。
2、最早的磁應(yīng)用
①指南針又稱司南
指南針是中國(guó)古代勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期的實(shí)踐中對(duì)物體磁性認(rèn)識(shí)的結(jié)果。作為中國(guó)古代四大發(fā)明之一，它的發(fā)明對(duì)人類的科學(xué)技術(shù)和文明的發(fā)展，起了無(wú)可估量的作用。在中國(guó)古代，指南針起先應(yīng)用于祭祀、禮儀、軍事和占卜與看風(fēng)水時(shí)確定方位。指南針又稱司南，主要組成部分是一根裝在軸上的磁針，磁針在天然地磁場(chǎng)的作用下可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)并保持在磁子午線的切線方向上，磁針的北極指向地理的北極，利用這一性能可以辨別方向。常用于航海、大地測(cè)量、旅行及軍事等方面。
記載司南的最早的文獻(xiàn)是《鬼谷子》，其中寫道：“鄭人之取玉也，必載司南之車，為其不惑也?！?謀篇)從《鬼谷子》中的記載可以看出，鄭人去“取玉”，必須要帶上司南，就是為了避免方向的迷失。
11世紀(jì)末或12世紀(jì)初，中國(guó)船舶開始使用指南針導(dǎo)航。北宋《萍州可談》：“舟師(掌舵者)識(shí)地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針”。指南針應(yīng)用在航海上，是全天候的導(dǎo)航工具，彌補(bǔ)了天文導(dǎo)航、地文導(dǎo)航之不足，開創(chuàng)了航海史的新紀(jì)元。
②羅盤的發(fā)明與西傳
羅盤由阿拉伯人傳入歐洲，為后來(lái)歐洲航海家的航?；顒?dòng)創(chuàng)造了條件。
磁針問世后，先后用于堪輿和航海。為了使用方便，讀數(shù)容易，加上磁偏角的發(fā)現(xiàn)，對(duì)指南針的使用技巧提出了更高的要求，方家首先將磁針與分度盤相配合，創(chuàng)制了新一代指南針--羅盤。不過有些場(chǎng)合，碗中的水浮磁針仍在使用，故沈括《夢(mèng)溪筆談》卷二十四稱"水浮多蕩搖"。江蘇、河北和遼寧旅大曾出土元代的不帶刻度的指南針專用針碗。當(dāng)航船還在使用浮針加針碗時(shí)，堪輿羅盤卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)地跑到了前面。
羅盤古稱“地螺”、“地羅”。南宋曾三聘的《因話錄》(作于公元1200年前后)"子午針"條說(shuō):"地螺，或有子午正針，或用子壬丙午間縫針。"曾三聘是江西臨江俯峽江(今江西西清江)人。離峽江不遠(yuǎn)的江西臨川，于1985年出土了世界上最早的堪輿旱羅盤模型，正可與《因話錄》的記載相互印證。1985年5月，江西臨川南宋朱濟(jì)南墓(葬于1198年)出土了座底墨書“張仙人”的瓷傭一式兩件。風(fēng)水先生“張仙人”傭 ，左手抱一羅盤。值得注意的是，該羅盤的磁針與水羅盤的磁針根本不同，中部增大呈菱形，菱形中央有一明顯圓孔，明確現(xiàn)象地表示這是一種用軸支承的旱羅盤。
中國(guó)的磁針和羅盤先后經(jīng)由陸水兩路西傳，曾給人類的文明的進(jìn)程帶來(lái)重大的影響。以前史學(xué)界認(rèn)為磁針在水中的水羅盤與指南針一脈相承，是中國(guó)的發(fā)明，但旱羅盤是歐洲所發(fā)明，16世紀(jì)才經(jīng)由日本船傳入中國(guó)。而今臨川羅盤證明：旱羅盤的發(fā)明權(quán)也屬于中國(guó)。
③磁化技術(shù)和磁偏現(xiàn)象的記述
北宋時(shí)磁化技術(shù)取得了突破，這些技術(shù)加速了磁性指向器的普及，并且導(dǎo)致指向器形制新的演變。指南魚的磁性是很弱的，作為一種“天然的”缺陷，圓形的魚首也使它的指向精度受到限制。雖然這種簡(jiǎn)易的磁化技術(shù)使指南魚的制作容易了許多，但它的形狀造成與勺形司南有類似的缺陷。
同樣，具有實(shí)用性的磁化技術(shù)，與曾公亮同時(shí)代的沈括在《夢(mèng)溪筆談》中也有記載。他寫道：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也”(卷24)。這種形制易流行、且簡(jiǎn)單，磁化效果也相當(dāng)好，特別是，它對(duì)指向器形制的改進(jìn)產(chǎn)生了另一個(gè)突破--針狀。用針指向，它的指向精度可以得到極大的提高。這樣，司南就衍變成了指南針，而且這種指南針也更容易普及了。無(wú)疑，這是磁性指向器形制的最重要的改進(jìn)。
由于指針指向精度得以提高，人們?cè)谑褂弥改厢槙r(shí)很快就注意到，它所指的方向有時(shí)并非正南，這就是磁偏現(xiàn)象--“然常微偏東，不全南也”。
3、近代電磁的發(fā)展簡(jiǎn)介
眾所周知，“電生磁、磁生電”。通?！半妼W(xué)”的發(fā)展史為人熟知，伏特、安培、瓦特、和歐姆等科學(xué)家在初中物理里就有介紹。而對(duì)“磁學(xué)”發(fā)展史的了解對(duì)于目前各行各業(yè)面臨的電磁兼容問題十分重要。
“磁學(xué)”發(fā)展史又可以分為“近代”和“現(xiàn)代”磁學(xué)發(fā)展史?！敖贝艑W(xué)主要以法拉第、麥克斯韋和洛倫茲為代表，奠定了電磁現(xiàn)象、電磁場(chǎng)和電磁波的基礎(chǔ)理論；而“現(xiàn)代”磁學(xué)主要以皮埃爾.外斯為代表，確定了主要基礎(chǔ)磁材的磁特性、磁疇等基礎(chǔ)理論，為磁材的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
①電磁感應(yīng)定律—1831年
法拉第定律最初是一條基于觀察的實(shí)驗(yàn)定律。后來(lái)被正式化，其偏導(dǎo)數(shù)的限制版本，跟其他的電磁學(xué)定律一塊被列麥克斯韋方程組的現(xiàn)代赫維賽德版本。
法拉第電磁感應(yīng)定律是基于法拉第于1831年所作的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)效應(yīng)被約瑟·亨利于大約同時(shí)發(fā)現(xiàn)，但法拉第的發(fā)表時(shí)間較早。
俄國(guó)物理學(xué)家海因里?！だ愦?H.F.E.Lenz，1804-1865)在概括了大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一條判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律，稱為楞次定律(Lenz law)。
電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對(duì)其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場(chǎng)之間的聯(lián)系，對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立具有重大意義。
②Maxwell方程組—1865年
麥克斯韋方程組(Maxwell's equations)是英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋在19世紀(jì)建立的一組偏微分方程，描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷密度、電流密度之間的關(guān)系。它含有的四個(gè)方程分別為：電荷是如何產(chǎn)生電場(chǎng)的高斯定理；論述了磁單極子的不存在的高斯磁定律；電流和變化的電場(chǎng)是怎樣產(chǎn)生磁場(chǎng)的麥克斯韋-安培定律，以及變化的磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生電場(chǎng)的法拉第電磁感應(yīng)定律。從麥克斯韋方程組，可以推論出光波是電磁波。麥克斯韋方程組和洛倫茲力方程共同形成了經(jīng)典電磁學(xué)的完整組合。1865年，麥克斯韋建立了最初形式的方程，是由20個(gè)等式和20個(gè)變量組成。
它由四個(gè)方程組成：描述電荷如何產(chǎn)生電場(chǎng)的高斯定律、論述磁單極子不存在的高斯磁定律、描述電流和時(shí)變電場(chǎng)怎樣產(chǎn)生磁場(chǎng)的麥克斯韋-安培定律、描述時(shí)變磁場(chǎng)如何產(chǎn)生電場(chǎng)的法拉第感應(yīng)定律。
從麥克斯韋方程組，可以推論出光波是電磁波。麥克斯韋方程組和洛倫茲力方程是經(jīng)典電磁學(xué)的基礎(chǔ)方程。從這些基礎(chǔ)方程的相關(guān)理論，發(fā)展出現(xiàn)代的電力科技與電子科技。
1888年，赫茲根據(jù)電容器放電的振蕩性質(zhì)，設(shè)計(jì)制作了電磁波源和電磁波檢測(cè)器，通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到電磁波，測(cè)定了電磁波的波速，并觀察到電磁波與光波一樣，具有偏振性質(zhì)，能夠反射、折射和聚焦。從此麥克斯韋的理論逐漸為人們所接受。
1896年洛倫茲提出的電子論，將麥克斯韋方程組應(yīng)用到微觀領(lǐng)域，并把物質(zhì)的電磁性質(zhì)歸結(jié)為原子中電子的效應(yīng)。這樣不僅可以解釋物質(zhì)的極化、磁化、導(dǎo)電等現(xiàn)象以及物質(zhì)對(duì)光的吸收、散射和色散現(xiàn)象，而且還成功地說(shuō)明了關(guān)于光譜在磁場(chǎng)中分裂的正常塞曼效應(yīng)。此外，洛倫茲還根據(jù)電子論導(dǎo)出了關(guān)于運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中的光速公式，把麥克斯韋理論向前推進(jìn)了一步。
在法拉第、麥克斯韋和洛倫茲的理論體系中，假定了有一種特殊媒質(zhì)“以太”存在，它是電磁波的荷載者，只有在以太參照系中，真空中光速才嚴(yán)格地與方向無(wú)關(guān)，麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式也只在以太參照系中才嚴(yán)格成立。這意味著電磁規(guī)律不符合相對(duì)性原理。
4、現(xiàn)代電磁發(fā)展史簡(jiǎn)介
現(xiàn)代電磁學(xué)的發(fā)展離不開皮埃爾.外斯(1865-1940)，法國(guó)物理學(xué)家。他創(chuàng)建了幾乎整個(gè)鐵磁性理論，他的理論還被應(yīng)用到亞鐵磁性理論中，因此被譽(yù)為“現(xiàn)代磁學(xué)之父”。他幾乎全部的工作都是在斯特拉斯堡大學(xué)完成的。
①外斯假設(shè)-磁疇—1907年
外斯假設(shè)提出外斯分子場(chǎng)理論：(1)分子場(chǎng)引起的自發(fā)磁化假設(shè)；(2)磁疇假設(shè)。
介紹三種主要的導(dǎo)磁材料：鐵、鈷和鎳，同時(shí)提出順磁和反亞鐵磁性，找出錳、過渡元素和稀土金屬釓—Gd，以及相關(guān)的化合物如Fe-Si，F(xiàn)e-Ni，F(xiàn)e-Co，AlNiCo，CrO2，EuO，GdCl3等。這也為目前常用的各種磁材，屏蔽材料提供重要依據(jù)。
②EMC法規(guī)強(qiáng)制推行
隨著電氣電子技術(shù)的發(fā)展，家用電器產(chǎn)品日益普及和電子化，廣播電視、郵電通訊和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)達(dá)，電磁環(huán)境日益復(fù)雜和惡化，使得電氣電子產(chǎn)品的電磁兼容性(EMC電磁干擾EMI與電磁抗EMS)問題也受到各國(guó)政府和生產(chǎn)企業(yè)的日益重視。電子、電器產(chǎn)品的電磁兼容性(EMC)是一項(xiàng)非常重要的質(zhì)量指標(biāo)，它不僅關(guān)系到產(chǎn)品本身的工作可靠性和使用安全性，而且還可能影響到其他設(shè)備和系統(tǒng)的正常工作，關(guān)系到電磁環(huán)境的保護(hù)問題。
EMC(電磁兼容性)的全稱是Electro Magnetic Compatibility， 其定義為“設(shè)備和系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力”該定義包含兩個(gè)方面的意思，首先，該設(shè)備應(yīng)能在一定的電磁環(huán)境下正常工作， 即該設(shè)備應(yīng)具備一定的電磁抗擾度(EMS)；其次，該設(shè)備自身產(chǎn)生的電磁騷擾不能對(duì)其他電子產(chǎn)品產(chǎn)生過大的影響，即電磁騷擾(EMI)。
為了規(guī)范電子產(chǎn)品的電磁兼容性，所有的發(fā)達(dá)國(guó)家和部分發(fā)展中國(guó)家都制定了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)是使產(chǎn)品在實(shí)際電磁環(huán)境中能夠正常工作的基本要求。之所以稱為基本要求，也就是說(shuō)，產(chǎn)品即使?jié)M足了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際使用中也可能會(huì)發(fā)生干擾問題。大部分國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)都是基于國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)所制定的標(biāo)準(zhǔn)。
歐共體政府規(guī)定，從1996年1月1起，所有電氣電子產(chǎn)品必須通過EMC認(rèn)證，加貼CE標(biāo)志后才能在歐共體市場(chǎng)上銷售。此舉在世界上引起廣泛影響，各國(guó)政府紛紛采取措施，對(duì)電氣電子產(chǎn)品的RMC性能實(shí)行強(qiáng)制性管理。國(guó)際上比較有影響的，例如歐盟89/336/EEC指令(即EMC指令)、美國(guó)聯(lián)邦法典CFR 47/FCC Rules等都對(duì)電磁兼容認(rèn)證提出了明確的要求。
目前，中國(guó)電子產(chǎn)品需要符合CCC認(rèn)證，其中家用電器產(chǎn)品 EMC認(rèn)證采用的EMC標(biāo)準(zhǔn)有以下三份：
GB 4343-1995《家用和類似用途電動(dòng)、電熱器具，電動(dòng)工具以及類似電器無(wú)線電干擾特性測(cè)量方法和允許值》 該標(biāo)準(zhǔn)己于 1995年8月25日發(fā)布，1996年12月1日起實(shí)施。
GB4343.2-1999《電磁兼容家用電器、電動(dòng)工具以及類似器具的要求 第二部分 抗擾度》 該標(biāo)準(zhǔn)己于1999年3月23日發(fā)布， 2000年4月1日起實(shí)施。
GB 17625.1-1998《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值(設(shè)備每相電流￡16A的設(shè)備)》 該標(biāo)準(zhǔn)己于1998年12月14日發(fā)布， 1999年12月1日起實(shí)施。目前該標(biāo)準(zhǔn)屬于鼓勵(lì)采用，如不合格將不作為認(rèn)證整體判斷之依據(jù)。
作者：黃敏超
