引入

为什么指南针总是指向南北?

为什么通电导线周围的小磁针会偏转?

为什么磁场线总是闭合的,而电场线有起点和终点?

电场描述电荷之间的作用,但运动电荷(电流)之间还存在另一种力——磁力。描述这种力的场就是磁场。指南针、电动机、MRI 都源于它。

正文

定义

磁感应强度 是描述磁场强弱和方向的物理量,单位特斯拉()。它通过运动电荷所受的洛伦兹力定义。

定义方式

电荷 以速度 通过磁场 时受到的磁力:

力的大小 ,方向由右手定则确定。

由此定义: 的大小等于单位电荷以单位速度垂直穿过磁场时受到的力。

磁感应强度的来源

磁场由运动电荷(电流)产生。电流元 在空间某点产生的磁场由毕奥-萨伐尔定律给出:

其中 是真空磁导率。

常见磁场的 值

磁场源 的大致量级
地磁场
普通磁铁–
NMR 超导磁体–
中子星表面

磁感应线

磁感应线是闭合曲线,不像电场线有起点和终点。这反映了磁场的无源性:不存在磁单极子。

磁感应线的特征:

特征说明
闭合无起点无终点
切线方向该点磁场方向
疏密反映磁场强弱
不相交同一点只有一个磁场方向

磁通量

通过某面积的磁通量:

匀强磁场中,若面积与磁场垂直:

单位韦伯(),。

磁通量是电磁感应的核心量,详见法拉第电磁感应定律。

安培力

载流导线在磁场中受到的力称为安培力,是洛伦兹力的宏观表现:

大小为 ,方向由左手定则确定。

情形受力
电流与磁场平行
电流与磁场垂直
电流与磁场成角

载流线圈在磁场中的力矩:矩形线圈通电流置于磁场中,两侧边受力方向相反,形成力偶:

其中 为匝数, 为线圈面积, 为线圈平面与磁场的夹角。这是电动机转动的原理。

安培力做功:导线在磁场中移动时

这个关系在电磁感应和电动机分析中常用。

与电场的对比

项目电场磁场
源电荷运动电荷(电流)
场线起于正电荷,止于负电荷闭合曲线
高斯定理
是否保守静电场保守非保守(有旋)
对静止电荷有力无力

物质的磁化

物质放入磁场后会产生附加磁场,按响应方式分为三类:

类型机制相对磁导率 例子
顺磁性有未成对电子,磁矩部分取向略大于 1、
抗磁性电子轨道受感应,产生反向磁矩略小于 1、水
铁磁性磁畴有序排列,强磁化远大于 1、、

介质中的磁感应强度:

顺磁和抗磁效应都很弱(约 量级),铁磁效应可以强几个数量级。铁磁性来自磁畴:原子磁矩在自发磁化区域内同向排列。

与化学的关联

  • 核磁共振原理:NMR 需要强而均匀的磁场(),磁场越强分辨率越高。
  • 顺磁性和抗磁性:分子中电子的轨道运动和自旋在外磁场中的响应。 因有两个未成对电子而呈顺磁性。

引出

磁场对运动电荷的力就是洛伦兹力。

磁场的环路规律由安培环路定理描述。

为什么不存在磁单极子?

铁磁体为什么会有“磁饱和”现象?