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磁场 编辑

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什么是磁场

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磁场是描述磁场对移动电荷、电流、ch1和磁性材料的影响的矢量场。磁场中的运动电荷受到与其自身速度和磁场垂直的力。此外,随位置变化的磁场将通过影响其外部原子电子的运动对一系列非磁性材料施加力。磁场围绕磁化材料,由电流产生,例如用于电磁铁,以及随时间变化的电场。由于磁场的强度和方向都可能随位置而变化,因此它在数学上通过一个函数来描述,该函数将向量分配给空间的每个点,称为向量场。

电磁学中,术语磁场用于两个不同但密切相关的矢量场,分别用符号B和H表示。在国际单位制中,H,磁场强度,以SI基本单位安培每米(是)。B,磁通密度,单位为特斯拉(SI基本单位:千克每秒2每安培),相当于牛顿每米每安培。H和B在如何解释磁化方面有所不同。在真空中,这两个场通过真空渗透率相关联。

磁场是由移动电荷和与基本量子特性相关的基本粒子的固有磁矩产生的,它们的自旋。:ch1磁场和电场是相互关联的,都是电磁力的组成部分,电磁力是四种基本力之一自然。

磁场在现代技术中被广泛使用,特别是在电气工程和机电中。旋转磁场用于电动机和发电机。变压器等电气设备中的磁场相互作用被概念化并作为磁路进行研究。磁力通过霍尔效应提供有关材料中电荷载流子的信息。地球会产生自己的磁场,它可以保护地球的臭氧层免受太阳风的影响,并且在使用指南针进行导航时非常重要。

描述

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电荷上的力取决于它的位置、速度和方向。使用两个矢量场来描述这个力。:ch1xxx个是电场,它描述了作用在静止电荷上的力,并给出了与运动无关的力分量。相反,磁场描述了与带电粒子的速度和方向成正比的力分量。:ch13该场由洛伦兹力定律定义,并且在每一时刻,都垂直于带电粒子的运动它所经历的电荷和力。

有两个不同但密切相关的矢量场,有时都被称为磁场,写成B和H。虽然这些场的最佳名称和对这些场所代表的确切解释一直是长期争论的主题,但有关于基础物理如何工作的广泛共识。从历史上看,术语磁场是为H保留的,而对B使用其他术语,但许多最近的教科书使用术语磁场来描述B以及或代替H。两者都有许多替代名称(见边栏)。

B场

这里F是粒子上的力,q是粒子的电荷,v是粒子的速度,×表示叉积。电荷的受力方向可以通过助记符来确定称为右手定则(见图)。用右手,拇指指向电流方向,手指指向磁场方向,电荷的合力从手掌向外指向。带负电粒子的作用力方向相反。如果速度和电荷都相反,则力的方向保持不变。因此,磁场测量(本身)无法区分是向右移动的正电荷还是向左移动的负电荷。(这两种情况都会产生相同的电流。)另一方面,结合电场的磁场可以区分这些,请参见下面的霍尔效应。

其中Fmagnetic、v和B是它们各自矢量的标量大小,θ是粒子速度与磁场之间的角度。矢量B定义为使洛伦兹力定律正确描述带电粒子运动所必需的矢量场。换句话说,

he命令,在某某地点测量矢量B的方向和大小,需要以下操作:取一个已知电荷q的粒子。测量静止时q上的力,以确定E。然后测量粒子速度为v时的力;用v在其他方向重复。现在找到一个B使洛伦兹力定律适合所有这些结果——这就是所讨论位置的磁场。

B场也可以由磁偶极子上的转矩m定义。

在SI单位中,B以特斯拉为单位(符号:T)。在Gaussian-cgs单位中,B以高斯(符号:G)测量。(转换为1T=10000G。)一纳特斯拉相当于1伽马(符号:γ)。

测量

用于测量局部磁场的仪器称为磁力计。重要类别的磁力计包括使用仅测量变化磁场的感应磁力计(或搜索线圈磁力计)、旋转线圈磁力计、霍尔效应磁力计、NMR磁力计、SQUID磁力计和磁通门磁力计。遥远天体的磁场是通过它们对局部带电粒子的影响来测量的。例如,围绕场线盘旋的电子会产生可在无线电波中检测到的同步辐射.GravityProbeB在5aT(5×10−18T)下获得了磁场测量的最高精度。

可视化

该场可以通过一组磁力线来可视化,这些磁力线遵循每个点的场方向。这些线可以通过测量大量点(或空间中的每个点)的磁场强度和方向来构建。然后,用指向局部磁场方向的箭头(称为矢量)标记每个位置,其大小与磁场强度成正比。连接这些箭头然后形成一组磁场线。任何一点的磁场方向都与附近磁力线的方向平行,并且可以使磁力线的局部密度与其强度成正比。磁场线就像流体流动中的流线,因为它们代表连续分布,并且不同的分辨率会显示更多或更少的线条。

使用磁场线作为表示的一个优点是可以使用简单的概念(例如通过表面的磁场线的数量)完整而简洁地说明许多磁性(和电磁学)定律。这些概念可以快速转化为它们的数学形式。例如,通过给定表面的磁力线的数量是磁场的表面积分。

各种现象显示磁场线,就好像磁场线是物理现象一样。例如,放置在磁场中的铁屑形成与场线相对应的线。极光中也可以直观地显示磁场线,其中等离子体粒子偶极子相互作用会产生与地球磁场的局部方向一致的可见光条纹。

场线可用作可视化磁力的定性工具。在铁磁物质(如铁和等离子体)中,磁力可以通过想象场线沿其长度施加张力(如橡皮筋)以及在相邻场线上施加垂直于其长度的压力来理解。与磁铁的磁极不同,因为它们由许多磁力线相连;就像两极相互排斥,因为它们的磁力线不相交,而是平行运行,相互推动。

永磁体的磁场

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永磁体是产生自身持久磁场的物体。它们由已磁化的铁磁材料(例如铁和镍)制成,并且具有北极和南极。

永磁体的磁场可能相当复杂,尤其是在磁铁附近。小直磁铁的磁场与磁铁的强度(称为磁偶极矩m)成正比。这些方程很重要,并且还取决于与磁铁的距离和磁铁的方向。对于简单的磁铁,m指向从磁铁的南极到北极的直线方向。翻转条形磁铁相当于将其m旋转180度。

较大磁体的磁场可以通过将它们建模为大量称为偶极子的小磁体的集合来获得,每个磁体都有自己的m。磁铁产生的磁场就是这些偶极子的净磁场;磁铁上的任何净力都是单个偶极子上的力相加的结果。

这些偶极子的性质有两个简化模型。这两个模型产生两个不同的磁场,H和B。但是,在材料之外,两者是相同的(与乘法常数相同),因此在许多情况下可以忽略区别。对于不是由磁性材料产生的磁场,例如由电流引起的磁场,尤其如此。

一个真实的磁性模型比这两个模型中的任何一个都复杂。两种模型都不能完全解释材料为何具有磁性。单极模型没有实验支持。安培模型解释了材料的部分磁矩,但不是全部。就像安培模型所预测的那样,原子内电子的运动与这些电子的轨道磁偶极矩有关,而这些轨道矩确实有助于在宏观层面上看到的磁性。然而,电子的运动不是经典的,电子的自旋磁矩(这两个模型都没有解释)也是对磁体总矩的重要贡献。

磁极模型

从历史上看,早期的物理教科书会将两个磁铁之间的力和扭矩模拟为由于磁极相互排斥或吸引,其方式与电荷之间的库仑力相同。在微观层面,该模型与实验证据相矛盾,磁极模型不再是引入该概念的典型方式。然而,由于其数学简单性,它有时仍被用作铁磁性的宏观模型。

在这个模型中,磁场是由散布在每个磁极表面上的虚构磁荷产生的。这些磁荷实际上与磁化场M相关。因此,H场类似于电场E,它以正电荷开始,以负电荷结束。因此,在北极附近,所有H场线都指向远离北极(无论是在磁铁内部还是外部),而在南极附近,所有H场线都指向南极(无论是在磁铁内部还是外部)。同样,北极在H场方向上感受到力,而南极上的力与H场相反。

在磁极模型中,基本磁偶极子m由两个磁极强度为qm的相反磁极相隔一小距离矢量d构成,使得m=qmd。磁极模型正确地预测了磁性材料内部和外部的磁场H,特别是H与永磁体内部的磁化场M相反这一事实。

由于它基于磁荷密度的虚构概念,因此极模型具有局限性。磁极不能像电荷那样彼此分开存在,但总是以南北对的形式出现。如果将一个被磁化的物体分成两半,每一块表面都会出现一个新的磁极,因此每个磁极都有一对互补的磁极。磁极模型不考虑电流产生的磁性,也不考虑角动量和磁性之间的内在联系。

极点模型通常将磁荷视为一种数学抽象,而不是粒子的物理性质。然而,磁单极子是一种假设的粒子(或粒子类别),它在物理上只有一个磁极(北极或南极)。换句话说,它将具有类似于电荷的磁荷。磁力线将在磁单极子上开始或结束,因此如果它们存在,它们将为磁力线既不开始也不结束的规则提供例外。一些理论(如大统一理论)已经预测了磁单极子的存在,但到目前为止,还没有观察到。

安培回路模型

在Ampere开发的模型中,构成所有磁体的基本磁偶极子是电流I的足够小的安培回路。该回路的偶极矩为m=IA,其中A是回路的面积。

这些磁偶极子产生磁场B场。

磁偶极子的磁场如图所示。从外观上看,理想磁偶极子与相同强度的理想电偶极子相同。

其中m的方向垂直于环路区域,并取决于使用右手定则的电流方向。一个理想的磁偶极子被建模为一个真实的磁偶极子,其面积a已减小到零,其电流I增​​加到无穷大,因此m=Ia的乘积是有限的。该模型阐明了角动量和磁矩之间的联系,这是爱因斯坦-德哈斯效应的磁化旋转及其逆效应、巴尼特效应或旋转磁化的基础。例如,更快地旋转环路(沿相同方向)会增加电流,从而增加磁矩。

与磁铁的相互作用

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磁铁之间的力

指定两个小磁铁之间的力非常复杂,因为它取决于两个磁铁的强度和方向以及它们相对于彼此的距离和方向。由于磁扭矩,该力对磁体的旋转特别敏感。每个磁铁上的力取决于它的磁矩和另一个磁铁的磁场。

要了解磁铁之间的力,检查上面给出的磁极模型很有用。在这个模型中,一个磁铁的H场推动和拉动第二个磁铁的两个磁极。如果该H场在第二个磁体的两个磁极处相同,则该磁体上没有净力,因为相反磁极的力是相反的。但是,如果xxx个磁体的磁场不均匀(例如其一个磁极附近的H),则第二个磁体的每个磁极都会看到不同的磁场并受到不同的力。两种力的这种差异使磁体沿磁场增加的方向移动,并且还可能导致净扭矩。

这是磁体被吸引(或根据磁体的方向排斥)进入较高磁场区域的一般规则的具体示例。任何不均匀的磁场,无论是由永磁体还是电流引起的,都会以这种方式在小磁体上施加力。

安培环路模型的细节不同且更复杂,但产生相同的结果:磁偶极子被吸引/排斥到更高磁场的区域。

其中梯度∇是m·B每单位距离的变化量,方向是m·B的xxx增加量。点积m·B=mBcos(θ),其中m和B表示m和B向量,θ是它们之间的角度。如果m与B方向相同,则点积为正,梯度指向上坡,将磁体拉入更高B场的区域(更严格地,更大的m·B)。这个方程严格只对零尺寸的磁体有效,但对于不太大的磁体通常是一个很好的近似值。较大磁体上的磁力是通过将它们分成更小的区域来确定的,每个区域都有自己的m,然后将这些非常小的区域中的每一个上的力相加。

永磁体上的磁转矩

如果将两个独立磁体的两个相同磁极彼此靠近,并且允许其中一个磁体转动,它会迅速旋转以与xxx个磁体对齐。在此示例中,固定磁铁的磁场在可自由旋转的磁铁上产生磁扭矩。该磁转矩τ倾向于将磁体的磁极与磁力线对齐。因此,指南针会转动以使其与地球磁场对齐。

就极模型而言,经历相同H的两个相等且相反的磁荷也承受相等且相反的力。由于这些相等和相反的力位于不同的位置,因此会产生与它们之间的距离(垂直于力)成比例的扭矩。将m定义为磁极强度乘以磁极之间的距离,这导致τ=μ0mHsinθ,其中μ0是称为真空磁导率的常数,测量值为4π×10−7V·s/(A·m)和θ是H和m之间的角度。其中×表示向量叉积。该等式包括上面包含的所有定性信息。如果m与磁场方向相同,则磁铁上没有转矩,因为对于相同方向的两个向量,叉积为零。此外,所有其他方向都会感受到将它们向磁场方向扭转的扭矩。

与电流的相互作用

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电荷电流既会产生磁场,又会因磁场B场而感受到力。

由移动电荷和电流产生的磁场

所有移动的带电粒子都会产生磁场。移动点电荷(例如电子)会产生复杂但众所周知的磁场,这些磁场取决于粒子的电荷、速度和加速度。

磁场线在圆柱形载流导体(例如一段导线)周围形成同心圆。这种磁场的方向可以通过使用右手握力法则来确定。磁场强度随着与电线的距离而减小。(对于无限长的电线,强度与距离成反比。)

将载流导线弯曲成环路会集中环路内部的磁场,同时削弱外部的磁场。将电线弯曲成多个紧密间隔的环以形成线圈或螺线管可增强这种效果。围绕铁芯形成的装置可以充当电磁体,产生强大的、可控的磁场。无限长的圆柱形电磁铁内部有均匀的磁场,外部没有磁场。有限长度的电磁体产生的磁场看起来类似于由均匀永磁体产生的磁场,其强度和极性由流过线圈的电流决定。

在考虑时变电场的修改形式中,安培定律是描述电和磁的四个麦克斯韦方程之一。

对移动电荷和电流施加的力

带电粒子上的力

洛伦兹力总是垂直于粒子的速度和产生它的磁场。当带电粒子在静磁场中运动时,它会沿着一条螺旋轴平行于磁场的螺旋路径移动,并且粒子的速度保持不变。因为磁力总是垂直于运动,所以磁场不能对孤立的电荷做功。它只能通过变化的磁场产生的电场间接地工作。人们经常声称磁力可以对非基本磁偶极子做功,或运动受其他力约束的带电粒子,但这是不正确的,因为在这些情况下,工作是由磁场偏转的电荷的电力完成的。

载流导线上的力

正如预期的那样,载流线上的力类似于移动电荷的力,因为载流线是移动电荷的集合。载流导线在存在磁场的情况下会感觉到力。宏观电流上的洛伦兹力通常称为拉普拉斯力。考虑一个长度为ℓ、横截面为A的导体,以及电流i引起的电荷q。

H和B之间的关系

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在处理整个电流时,上述磁场导出的公式是正确的。然而,放置在磁场内的磁性材料会产生自己的束缚电流,这可能是计算上的挑战。(这个束缚电流是由于原子大小的电流回路和构成材料的亚原子粒子(例如电子)的自旋之和。)上面定义的H场有助于分解出这个束缚电流。但要了解如何,首先介绍磁化的概念会有所帮助。

磁化

磁化矢量场M表示材料区域被磁化的强度。它被定义为该区域每单位体积的净磁偶极矩。因此,均匀磁体的磁化强度是材料常数,等于磁体的磁矩m除以其体积。由于磁矩的SI单位是A⋅m2,磁化强度M的SI单位是安培每米,与H场的相同。

一个区域的磁化M场指向该区域的平均磁偶极矩方向。因此,磁化场线开始于磁南极附近,结束于磁北极附近。(磁化在磁铁之外不存在。)

在安培回路模型中,磁化是由于将许多微小的安培回路组合在一起形成称为束缚电流的合成电流。因此,这个束缚电流是磁铁产生的磁场B的来源。给定磁偶极子的定义,其中积分是任何闭环上的线积分,Ib是该闭环所包围的束缚电流。

在磁极模型中,磁化开始于磁极,结束于磁极。因此,如果给定区域具有净正磁极强度(对应于北极),则进入该区域的磁化场线多于离开该区域的磁力线。

磁场和磁性材料

这不依赖于自由电流。

其中H0是仅由自由电流引起的外加磁场,Hd是仅由束缚电流引起的退磁场。

因此,磁场H场根据磁荷重新考虑束缚电流。H场线仅围绕自由电流循环,并且与磁场B场不同,它也在磁极附近开始和结束。

磁性

大多数材料通过产生自己的磁化强度M和因此产生自己的B场来响应施加的B场。通常,响应较弱并且仅在施加磁场时才存在。术语磁性描述了材料如何在微观水平上对施加的磁场作出反应,并用于对材料的磁相进行分类。然而,超导体和铁磁体具有更复杂的B-to-H关系。见磁滞

储存能量

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需要能量来产生磁场,以对抗变化的磁场产生的电场并改变磁场内任何材料的磁化强度。对于非色散材料,当磁场被破坏时会释放相同的能量,因此可以将能量建模为存储在磁场中。一旦知道H和B之间的关系,这个方程就可以用来确定达到给定磁态所需的功。对于铁磁体和超导体等磁滞材料,所需的工作还取决于磁场的产生方式。然而,对于线性非色散材料,一般方程直接导致上面给出的更简单的能量密度方程。

出现在麦克斯韦方程组中

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像所有矢量场一样,磁场有两个重要的数学属性,将其与其来源联系起来。(对于B,源是电流和变化的电场。)这两个属性,以及电场的两个相应属性,构成了麦克斯韦方程。麦克斯韦方程与洛伦兹力定律一起构成了对经典电动力学的完整描述,包括电学和磁学。

xxx个属性是矢量场A的散度,∇·A,它表示A如何从给定点向外流动。如上所述,B场线从不在一个点开始或结束,而是形成一个完整的回路。这在数学上相当于说B的散度为零。(这种矢量场称为螺线管矢量场。)这种性质称为磁的高斯定律,相当于没有孤立磁极或磁单极子的陈述。

第二个数学属性称为curl,因此∇×A表示A如何围绕给定点卷曲或循环。卷曲的结果称为循环源。B和E的旋度方程分别称为安培-麦克斯韦方程和法拉第定律。

高斯磁定律

以这种方式产生的B场的一个重要特性是磁B场线既不开始也不结束(在数学上,B是螺线管矢量场);一条场线可能只延伸到无限远,或者环绕形成一条闭合曲线,或者沿着一条永无止境的(可能是混乱的)路径。磁力线在其北极附近离开磁铁并在其南极附近进入,但在磁铁内部,B磁场线从南极继续穿过磁铁回到北极。如果B场线进入某处的磁铁,它必须离开其他地方;不允许有终点。

更正式地说,由于进入任何给定区域的所有磁力线也必须离开该区域,因此从退出的数量中减去进入该区域的磁力线的数量相同地为零。

其中积分是闭合曲面S上的曲面积分(闭合曲面是完全围绕没有孔的区域以使任何场线逸出的曲面)。由于dA指向外,积分中的点积对于B场指向为正,对于B场指向为负。

法拉第定律

变化的磁场,例如通过导电线圈移动的磁体,会产生电场(因此往往会在这种线圈中驱动电流)。这被称为法拉第定律,并构成了许多发电机和电动机的基础。(磁通量的这个定义就是为什么B通常被称为磁通量密度。):210负号表示这样一个事实,即线圈中磁场变化产生的任何电流都会产生一个磁场,该磁场与磁通量的变化相反。诱发它的领域。这种现象被称为楞次定律。法拉第定律的这种积分公式可以转换为微分形式,适用于稍有不同的条件。

安培定律和麦克斯韦修正

与变化的磁场产生电场的方式类似,变化的电场产生磁场。这一事实被称为麦克斯韦对安培定律的修正,并被应用为上面给出的安培定律的附加项。这个附加项与电通量的时间变化率成正比,类似于上面的法拉第定律,但前面有一个不同的正常数。(通过面积的电通量与面积乘以电场的垂直部分成正比。)

包括修正项的完整定律被称为麦克斯韦-安培方程。它通常不以积分形式给出,因为影响非常小,以至于在使用积分形式的大多数情况下通常可以忽略。

麦克斯韦项在电磁波的产生和传播中至关重要。麦克斯韦对安培定律和法拉第感应定律的修正描述了相互变化的电场和磁场如何相互作用以相互维持,从而形成电磁波,例如光:变化的电场产生变化的磁场,它再次产生变化的电场。

如上所述,材料通过产生它们自己的内部束缚电荷和电流分布来响应施加的电场E场和施加的磁场B场,这些电荷和电流分布对E和B有贡献,但难以计算。

这些方程并不比原始方程更通用(如果材料中的束缚电荷和电流已知)。它们还必须由B和H之间以及E和D之间的关系来补充。另一方面,对于这些量之间的简单关系,这种形式的麦克斯韦方程可以避免计算束缚电荷和电流。

狭义相对论和量子电动力学中的公式

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电场和磁场:同一现象的不同方面

根据狭义相对论,将电磁力划分为单独的电和磁分量不是基本的,而是随着观察参考系的不同而变化:一个观察者感知到的电力可能被另一个观察者感知(在不同的框架中)参考)作为磁力,或电力和磁力的混合物。

形式上,狭义相对论将电场和磁场组合成一个2阶张量,称为电磁张量。更改参考框架会混合这些组件。这类似于狭义相对论将空间和时间混合成时空,将质量、动量和能量混合成四个动量。类似地,存储在磁场中的能量与存储在电场中的能量混合在电磁应力-能量张量中。

磁矢量势

量子力学和相对论等高级主题中,使用电动力学的潜在公式通常比使用电场和磁场更容易。矢量势A可以解释为每单位电荷的广义势动量,正如φ被解释为每单位电荷的广义势能一样。

麦克斯韦方程当用势表示时,可以毫不费力地转换成符合狭义相对论的形式。在相对论中,A与φ一起形成四势,类似于结合了粒子的动量和能量的四动量。使用四势代替电磁张量具有更简单的优点,并且可以轻松修改以与量子力学一起使用。

量子电动力学

现代物理学中,电磁场被理解为不是经典场,而是量子场;它不是在每个点上表示为三个数字的向量,而是在每个点上表示为三个量子算子的向量。对电磁相互作用(以及其他许多)最准确的现代描述是量子电动力学(QED),它被纳入了一个更完整的理论,即粒子物理学的标准模型。

在QED中,带电粒子(及其反粒子)之间的电磁相互作用的大小是使用微扰理论计算的。这些相当复杂的公式产生了一个非凡的图形表示,如费曼图,其中交换了虚拟光子。

磁场的用途和例子

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地球磁场

地球磁场是由外核中液态铁合金的对流产生的。在发电机过程中,运动驱动反馈过程,其中电流产生电场和磁场,这些电场和磁场反过来作用于电流。

地球表面的磁场与位于地球中心并与地球旋转​​轴倾斜约11°角的巨型条形磁铁大致相同。磁罗盘指针的北极大致指向北方,朝向北极。然而,由于一个磁极被它的对面所吸引,北极实际上是地磁场的南极。术语上的这种混淆是因为磁铁的磁极是由它所指向的地理方向定义的。

地球的磁场不是恒定的——磁场的强度和磁极的位置是不同的。此外,两极在称为地磁反转的过程中周期性地反转它们的方向。最近的逆转发生在78万年前。

旋转磁场

旋转磁场是交流电机运行的关键原理。在这样的场中的永磁体旋转以保持其与外部场的对准。这种效应是由尼古拉特斯拉概念化的,后来在他和其他人的早期交流(交流)电动机中得到应用。

磁转矩用于驱动电动机。在一种简单的电机设计中,磁铁固定在自由旋转的轴上,并受到来自电磁铁阵列的磁场的影响。通过不断地切换流过每个电磁铁的电流,从而翻转它们的磁场极性,使相同的磁极保持在转子旁边;产生的扭矩被传递到轴上。

旋转磁场可以使用两个正交线圈构成,它们的交流电流具有90度的相位差。然而,在实践中,这样的系统将通过具有不等电流的三线布置供电。

这种不等式会导致导体尺寸标准化的严重问题,因此,为了克服它,使用三相系统,其中三个电流大小相等且具有120度相位差。在这种情况下,三个具有120度相互几何角度的相似线圈会产生旋转磁场。三相系统产生旋转场的能力,用于电动机,是三相系统主导世界电力供应系统的主要原因之一。

同步电机使用直流电压馈电转子绕组,可以控制机器的励磁——感应电机使用短路转子(而不是磁铁)跟随多线圈定子的旋转磁场。转子的短路匝在定子的旋转磁场中产生涡流,这些电流又通过洛伦兹力移动转子。

1882年,尼古拉·特斯拉确定了旋转磁场的概念。1885年,伽利略费拉里斯独立研究了这一概念。1888年,特斯拉因其工作获得美国专利381,968。同样在1888年,Ferraris在都灵皇家科学院的论文中发表了他的研究。

霍尔效应

放置在横向磁场中的载流导体的电荷载流子会受到侧向洛伦兹力;这导致电荷在垂直于电流和磁场的方向上分离。该方向上的合成电压与施加的磁场成比例。这被称为霍尔效应。

霍尔效应通常用于测量磁场的大小。它还用于查找半导体材料(负电子或正空穴)中主要电荷载流子的符号。

磁路

H的一个重要用途是在线性材料内B=μH的磁路中。其中,μ是材料的磁导率。这里的磁阻Rm是一个本质上类似于磁通电阻的量。使用这个类比,通过使用电路理论的所有可用技术,可以直接计算复杂磁场几何形状的磁通量。

xxx磁场

截至2018年10月,在实验室环境外的宏观体积上产生的xxx磁场为2.8kT(俄罗斯萨罗夫的VNIIEF,1998年)。截至2018年10月,东京大学的研究人员于2018年在实验室产生的宏观体积xxx磁场为1.2kT。实验室产生的xxx磁场发生在粒子加速器中,例如RHIC,在碰撞内部重离子,其中微观场达到1014T。磁星具有任何天然存在的物体中xxx的已知磁场,范围从0.1到100GT(108到1011T)。

磁场的历史

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虽然古代社会知道磁铁和一些磁性特性,但磁场的研究始于1269年,当时法国学者PetrusPeregrinusdeMaricourt使用铁针绘制了球形磁铁表面的磁场。注意到由此产生的场线在两点交叉,他将这些点命名为极点,类似于地球的两极。他还阐明了磁体总是同时具有北极和南极的原理,无论将它们切成多细。

大约三个世纪后,科尔切斯特的威廉吉尔伯特复制了佩特鲁斯佩雷格里努斯的工作,并且是xxx个明确指出地球是磁体的人。:34吉尔伯特的工作《德磁体》于1600年出版,帮助将磁力确立为科学。

数学发展

1750年,约翰·米歇尔指出,磁极根据平方反比定律吸引和排斥:56Charles-AugustindeCoulomb在1785年通过实验验证了这一点,并明确指出北极和南极不能分开。建立在这种力之间SiméonDenisPoisson(1781–1840)创造了xxx个成功的磁场模型,并于1824年提出。在这个模型中,磁场H场由磁极产生,磁性是由小对南北磁极。

磁场

1820年的三项发现挑战了这一磁性基础。HansChristianØrsted证明了载流导线被圆形磁场包围。然后André-MarieAmpère表明,如果电流方向相同,带电流的平行线会相互吸引,如果电流方向相反,则相互排斥。最后,Jean-BaptisteBiot和FélixSavart宣布了关于力的经验结果载流长直导线施加在小磁铁上,确定力与从导线到磁铁的垂直距离成反比。Laplace后来,由于拉普拉斯没有发表他的发现,因此根据导线的微分部分的微分作用推导出了一个力定律,该定律被称为Biot-Savart定律。

扩展这些实验,Ampère于1825年发表了他自己成功的磁性模型。在其中,他展示了电流与磁铁的等效性并提出磁性是由于xxx流动的电流回路而不是泊松磁荷的偶极子\\的型号。此外,安培导出了描述两个电流之间的力的安培力定律和安培定律,该定律与毕奥-萨伐尔定律一样,正确地描述了由稳定电流产生的磁场。同样在这项工作中,安培引入了术语电动力学来描述电和磁之间的关系。

1831年,迈克尔·法拉第发现了电磁感应,他发现变化的磁场会产生环绕的电场,从而制定了现在称为法拉第感应定律的内容。后来,弗朗茨·恩斯特·诺伊曼证明,对于一个在磁场中运动的导体,感应是安培力定律的结果。在这个过程中,他引入了磁矢量势,后来证明这与法拉第提出的基本机制等价。

1850年,开尔文勋爵(当时称为威廉汤姆森)区分了现在表示为H和B的两个磁场。前者适用于泊松模型,后者适用于安培模型和感应。此外,他推导出H和B如何相互关联并创造了术语渗透性。

1861年至1865年间,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)开发并发表了麦克斯韦方程组,它解释并统一了所有经典的电学和磁学。这些方程的xxx组发表在1861年题为《论物理力线》的论文中。这些方程有效但不完整。麦克斯韦在他后来1865年的论文《电磁场动力学理论》中完成了他的方程组,并证明了光是电磁波的事实。海因里希赫兹在1887年和1888年发表的论文通过实验证实了这一事实。

现代发展

1887年,特斯拉开发了一种以交流电运行的感应电动机。电机使用多相电流,产生旋转磁场来转动电机(特斯拉声称在1882年设想了这一原理)。特斯拉于1888年5月获得了他的电动机专利。1885年,伽利略费拉里斯独立研究了旋转磁场,随后在都灵皇家科学院的一篇论文中发表了他的研究成果,就在特斯拉获得专利前两个月,1888年3月。

二十世纪表明,经典电动力学已经与狭义相对论一致,并将经典电动力学扩展到与量子力学一起工作。阿尔伯特·爱因斯坦在他1905年建立相对论的论文中表明,从不同的参考系来看,电场和磁场都是相同现象的一部分。最后,将量子力学的出射场与电动力学相结合,形成了量子电动力学,它首先形式化了电磁场能量以光子的形式量子化的概念。


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词条目录
  1. 什么是磁场
  2. 描述
  3. B场
  4. 测量
  5. 可视化
  6. 永磁体的磁场
  7. 磁极模型
  8. 安培回路模型
  9. 与磁铁的相互作用
  10. 磁铁之间的力
  11. 永磁体上的磁转矩
  12. 与电流的相互作用
  13. 由移动电荷和电流产生的磁场
  14. 对移动电荷和电流施加的力
  15. 带电粒子上的力
  16. 载流导线上的力
  17. H和B之间的关系
  18. 磁化
  19. 磁场和磁性材料
  20. 磁性
  21. 储存能量
  22. 出现在麦克斯韦方程组中
  23. 高斯磁定律
  24. 法拉第定律
  25. 安培定律和麦克斯韦修正
  26. 狭义相对论和量子电动力学中的公式
  27. 电场和磁场:同一现象的不同方面
  28. 磁矢量势
  29. 量子电动力学
  30. 磁场的用途和例子
  31. 地球磁场
  32. 旋转磁场
  33. 霍尔效应
  34. 磁路
  35. 最大磁场
  36. 磁场的历史
  37. 数学发展
  38. 现代发展

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