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磁场

磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质,磁场不是由原子或分子组成的,但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场,磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的,所以两磁体不用接触就能发生作用。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流,电流是电荷的运动,因而概括地说,磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。用现代物理的观点来考察,物质中能够形成电荷的终极成分只有电子(带单位负电荷)和质子(带单位正电荷),因此负电荷就是带有过剩电子的点物体,正电荷就是带有过剩质子的点物体。运动电荷产生磁场的真正场源是运动电子或运动质子所产生的磁场。例如电流所产生的磁场就是在导线中运动的电子所产生的磁场。

1. 传递实物间磁力作用的场。

2. 借指有巨大吸引力的场所。《花城》1981年第6期:"离开祖国已有两个半月,那边有我的依恋,我怎么能留下呢?但这里却出现了一个磁场。"

磁现象

永磁体--磁铁的性质

⑴永磁体具有磁性(magnetism),能吸引铁、钴、镍等物质;

⑵永磁体具有磁极(magnetic pole),分磁北极N 和磁南极S 。

特点

⑴磁极之间存在相互作用,同名磁极相斥,异名磁极相吸;

⑵磁极不能单独存在.既单独的N极或单独的S极不能存在。

最早出现的几副磁场绘图之一,绘者为勒内笛卡尔,1644年。

虽然很早以前,人类就已知道磁石和其奥妙的磁性,最早出现的几个学术性论述之一,是由法国学者皮埃德马立克(Pierre de Maricourt)于公元1269 年写成[notes 3]。德马立克仔细标明了铁针在块型磁石附近各个位置的定向,从这些记号,又描绘出很多条磁场线。他发现这些磁场线相会于磁石的相反两端位置,就好像地球的经线相会于南极与北极。因此,他称这两位置为磁极[2]。几乎三个世纪后,威廉吉尔伯特主张地球本身就是一个大磁石,其两个磁极分别位于南极与北极。出版于1600 年,吉尔伯特的巨著《论磁石》(De Magnete)开创磁学为一门正统科学学术领域。

于1824年,西莫恩泊松发展出一种物理模型,比较能够描述磁场。泊松认为磁性是由磁荷产生的,同类磁荷相排斥,异类磁荷相吸引。他的模型完全类比现代静电模型;磁荷产生磁场,就如同电荷产生电场一般。这理论甚至能够正确地预测储存于磁场的能量。

尽管泊松模型有其成功之处,这模型也有两点严重瑕疵。第一,磁荷并不存在。将磁铁切为两半,并不会造成两个分离的磁极,所得到的两个分离的磁铁,每一个都有自己的指南极和指北极。第二,这模型不能解释电场与磁场之间的奇异关系。

1820年,一系列的革命性发现,促使开启了现代磁学理论。首先,丹麦物理学家汉斯奥斯特于7月发现载流导线的电流会施加作用力于磁针,使磁针偏转指向。稍后,于9月,在这新闻抵达法国科学院仅仅一周之后,安德烈玛丽安培成功地做实验展示出,假若所载电流的流向相同,则两条平行的载流导线会互相吸引;否则,假若流向相反,则会互相排斥。紧接着,法国物理学家让巴蒂斯特毕奥和菲利克斯沙伐于10月共同发表了毕奥-萨伐尔定律;这定律能够正确地计算出在载流导线四周的磁场。1825年,安培又发表了安培定律。这定律也能够描述载流导线产生的磁场。更重要的,这定律帮助建立整个电磁理论的基础。于1831年,麦可法拉第证实,随着时间演进而变化的磁场会生成电场。这实验结果展示出电与磁之间更密切的关系。

从1861年到1865之间,詹姆斯麦克斯韦将经典电学和磁学杂乱无章的方程加以整合,发展成功麦克斯韦方程组。最先发表于他的1861年论文《论物理力线》,这方程组能够解释经典电学和磁学的各种现象。在论文里,他提出了"分子涡流模型",并成功地将安培定律加以延伸,增加入了一个有关于位移电流的项目,称为"麦克斯韦修正项目"。由于分子涡包具有弹性,这模型可以描述电磁波的物理行为。因此,麦克斯韦推导出电磁波方程。他又计算出电磁波的传播速度,发现这数值与光速非常接近。警觉的麦克斯韦立刻断定光波就是一种电磁波。后来,于1887年,海因里希鲁道夫赫兹做实验证明了这事实。麦克斯韦统一了电学、磁学、光学理论。

虽然,有了极具功能的麦克斯韦方程组,经典电动力学基本上已经完备,在理论方面,二十世纪带来了更多的改良与延伸。阿尔伯特爱因斯坦,于1905年,在他的论文里表明,电场和磁场是处于不同参考系的观察者所观察到的同样现象(帮助爱因斯坦发展出狭义相对论的思想实验,关于其详尽细节,请参阅移动中的磁铁与导体问题)。后来,电动力学又与量子力学合并为量子电动力学。

1820年丹麦物理学家奥斯特发现在通电的导体周围存在着磁场,从而知道了电和磁相互依存的关系。由导体中电流所产生的磁场的极性和电流的流动方向有关,它服从右手法则。

由于经典物理中至今还拒绝使用基本粒子的概念来研究磁场问题,致使电磁学和电动力学都将产生磁场的原因定义为点电荷的定向运动,并将磁铁的成因解释为磁畴。现代物理证明,任何物质的终极结构组成都是电子(带单位负电荷),质子(带单位正电荷)和中子(对外显示电中性)。点电荷就是含有过剩电子(带单位负电荷)或质子(带单位正电荷)的物质点,因此电流产生磁场的原因只能归结为运动电子产生磁场。

一个静止的电子具有静止电子质量和单位负电荷,因此对外产生引力和单位负电场力作用。当外力对静止电子加速并使之运动时,该外力不但要为电子的整体运动提供动能,还要为运动电荷所产生的磁场提供磁能。可见,磁场是外力通过能量转换的方式在运动电子内注入的磁能物质。电流产生磁场或带负电的点电荷产生磁场都是大量运动电子产生磁场的宏观表现。

同样道理,由一个运动的带正电点电荷所产生的磁场,是其中过剩的质子从外力所获取的磁能物质的宏观体现。但其磁能物质又分别依附于其中带有电荷的夸克

传递运动电荷或电流之间相互作用的物理场,由运动电荷或电流产生,同时对产生场中其它运动电荷或电流发生力的作用。磁场是物质的一种形态。

磁铁与磁铁之间,通过各自产生的磁场,互相施加作用力力矩于对方。运动中的电荷会产生磁场。磁性物质产生的磁场可以用电荷运动模型来解释。

电场是由电荷产生的。电场与磁场有密切的关系;有时磁场会生成电场,有时电场会生成磁场。麦克斯韦方程组可以描述电场、磁场、产生这些矢量场的电流和电荷,这些物理量之间的详细关系。根据狭义相对论,电场和磁场是电磁场的两面。设定两个参考系A和B,相对于参考系A,参考系B以有限速度移动。从参考系A观察为静止电荷产生的纯电场,在参考系B观察则成为移动中的电荷所产生的电场和磁场。

与电场相仿,磁场是在一定空间区域内连续分布的向量场,描述磁场的基本物理量是磁感应强度B ,也可以用磁感线形象地表示。然而,作为一个矢量场,磁场的性质与电场颇为不同。

运动电荷或变化电场产生的磁场,或两者之和的总磁场,都是无源有旋的矢量场,磁力线是闭合的曲线簇,不中断,不交叉。换言之,在磁场中不存在发出磁力线的源头,也不存在会聚磁力线的尾闾,磁力线闭合表明沿磁力线的环路积分不为零,即磁场是有旋场而不是势场(保守场),不存在类似于电势那样的标量函数。

在量子力学里,科学家认为,纯磁场(和纯电场)是虚光子所造成的效应。以标准模型的术语来表达,光子是所有电磁作用的显现所依赖的媒介。在低场能量状况,其中的差别是可以忽略的。

磁场的运动相对性是指与场源同速运动的观察者及其检测仪器都不能测到运动中的场源所产生的磁场,而与场源不同速时则可测到场源的磁场。例如在地球表面参考系中,我们测定静止于地球表面的电子不产生磁场,但是这个静止于地球表面的电子却在不停地随同地表进行自转并围绕太阳公转。又例如,使导线对外产生磁场的电流是大量电子定向运动的结果。该载流导线在对外产生磁场的同时,其中的每一个运动电子并不被与其同行的其它电子的磁场所干扰,因为所有同行的电子都具有同等磁化而无法感受到其它电子磁场的存在。

磁场是对放入其中的磁体有磁力的作用的物质叫做磁场,磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力,即通电导体在磁场中受到磁场的作用力。磁场对电流、对磁体的作用力或力距皆源于此。而现代理论则说明,磁力是电场力的相对论效应,受到磁性影响的区域,显示出穿越该区域的电荷或置于该区域中的磁极会受到机械力的作用。

当施加外磁场于物质时,磁性物质的内部会被磁化,会出现很多微小的磁偶极子。磁化强度估量物质被磁化的程度。知道磁性物质的磁化强度,就可以计算出磁性物质本身产生的磁场。创建磁场需要输入能量。当磁场被湮灭时,这能量可以再回收利用,因此,这能量被视为储存于磁场。

磁体周围存在磁场,磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流,电流是电荷的运动,因而概括地说,磁场是由运动电荷或变化电场产生的。

磁感应强度是用来表示磁场的强弱和方向的物理量,是矢量,单位:(T),1T=1N/A?m。对放入其中的小磁针有磁力的作用的物质叫做磁场。磁场是一种看不见,而又摸不着的特殊物质。

规定小磁针的北极在磁场中某点所受磁场力的方向为该点磁场的方向 在磁体外部,磁感线从北极出发到南极的方向,在磁体内部是由南极到北极,在外可表现为磁感线的切线方向或放入磁场的小磁针在静止时北极所指的方向!磁场的南北极与地理的南北极正好相反,且一端的两种极之间存在一个偏角,称为磁偏角。磁偏角不断地发生缓慢变化。掌握磁偏角的变化对于应用指南针指向具有重要意义。磁偏角最早是由我国宋代科学家沈括发现,他将这个写入《梦溪笔谈》。书中指出"常微偏东,不全南也"。

磁现象是最早被人类认识的物理现象之一,指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的,地球,恒星(如太阳),星系(如银河系),行星、卫星,以及星际空间和星系际空间,都存在着磁场。为了认识和解释其中的许多物理现象和过程,必须考虑磁场这一重要因素。在现代科学技术和人类生活中,处处可遇到磁场,发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。甚至在人体内,伴随着生命活动,一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。地球的磁级与地理的两极相反。

在古今社会里,很多对世界文明有重大贡献的发明都涉及到磁场的概念。地球能够产生自己的磁场,这在导航方面非常重要,因为指南针的指北极准确地指向位置在地球的地理北极附近的地磁南极(地理北极实际上是地磁南极,地理南极实际上是地磁北极)。电动机和发电机的运作都依赖因磁铁转动而随着时间改变的磁场。通过霍尔效应,可以给出物质的带电粒子的性质。磁路学专门研讨,各种各样像变压器一类的电子元件,其内部磁场的相互作用。

恒磁场又称为静磁场,而交变磁场,脉动磁场和脉冲磁场属于动磁场。磁场的空间各处的磁场强度相等或大致相等的称为均匀磁场,否则就称为非均匀磁场。离开磁极表面越远,磁场越弱,磁场强度呈梯度变化。

1.恒定磁场磁场强度和方向保持不变的磁场称为恒定磁场或恒磁场,如铁磁片和通以直流电的电磁铁所产生的磁场。

2.交变磁场磁场强度和方向在规律变化的磁场,如工频磁疗机和异极旋转磁疗器产生的磁场。

3.脉动磁场磁场强度有规律变化而磁场方向不发生变化的磁场,如同极旋转磁疗器、通过脉动直流电磁铁产生的磁场。

4.脉冲磁场用间歇振荡器产生间歇脉冲电流,将这种电流通入电磁铁的线圈即可产生各种形状的脉冲磁场。脉冲磁场的特点是间歇式出现磁场,磁场的变化频率、波形和峰值可根据需要进行调节。

以下是两种常见的磁场:

电磁场

电磁场(electromagnetic field)是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称。随时间变化的电场产生磁场,随时间变化的磁场产生电场,两者互为因果,形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起,也可由强弱变化的电流引起,不论原因如何,电磁场总是以光速向四周传播,形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物,具有能量和动量,是物质存在的一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。

电磁场电磁作用的媒递物,是统一的整体,电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,变化的电磁场以波动形式在空间传播。电磁波以有限的速度传播,具有可交换的能量和动量,电磁波与实物的相互作用,电磁波与粒子的相互转化等等,都证明电磁场是客观存在的物质,它的"特殊"只在于没有静质量。

电磁学里,磁石、磁铁、电流、含时电场,都会产生磁场[1]。处于磁场中的磁性物质或电流,会因为磁场的作用而感受到磁力,因而显示出磁场的存在。磁场是一种矢量场;磁场在空间里的任意位置都具有方向和数值大小。

主要应用领域

电磁场(或波)为能量一种形式,是当今世界最重要的能源,研究领域涉及电磁能产生、存储、变换、传输和应用。

电磁波作为信息的载体,成为信息发布与通信的主要手段,研究内容包括信息发布、交换、传输、储存、处理、再现和应用.

电磁波作为探测未知世界的一种重要手段,主要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性、目标探测及其特征的获取。

电磁波作为测控和定位技的手段,构成现代工业、交通、国防等领域的应用基础

电、磁现象是大自然最重要的往来现象,也最早被科学家们关心和研究的物理现象,其中贡献最大的有来顿、富兰克林、伏打等科学家。

19世纪以前,电、磁现象作为两个独立的物理现象被广泛的关注和研究。正是由于这些研究为电磁学理论的建立奠定了基础。18世纪末期,德国哲学家谢林认为,宇宙是有活力的, 而不是僵死的, 认为电是宇宙的活力和灵魂;电-磁-光-热现象相互联系。奥斯特是谢林的信徒,从1807年开始研究电与磁之间的关系。1820年发现电流以力作用于磁针安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直,并定量建立了若干数学公式。这表明,电流与磁之间存在着密切的联系。法拉第相信电、磁、光、热相互 联系。奥斯特1820年发现电流以力作用于磁针后,法拉第敏锐地意识到磁也一定能够对电产生影响。1821年他开始探索磁生电效应。1831年他发现;当磁捧插入导体线圈时;线圈中产生电流。表明电与磁之间存在密切联系。麦克斯韦深入研究并探讨了电与磁之间发生作用的问题,发展了场的概念。在法拉第实验的基础上,总结了宏观电磁现象规律,引进位移电流的概念,提出了一组描述电磁现象的规律偏微分方程,即麦克斯韦方程组,建立了宏观经典电磁场理论德国科学家赫兹, 1887 年用火花隙激励一个环状天线,用另一个带隙的环状天线接收,证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言,这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场和电磁波理论的应用与发展时代。

地磁场

地磁场(geomagnetic field)是从地心至磁层顶的空间范围内的磁场。地磁学的主要研究对象。人类对于地磁场存在的早期认识,来源于天然磁石和磁针的指极性。地磁的北磁极在地理的南极附近;地磁的南磁极在地理的北极附近。磁针的指极性是由于地球的北磁极(磁性为S极)吸引着磁针的N极,地球的南磁极(磁性为N极)吸引着磁针的S极。这个解释最初是英国W.吉伯于1600年提出的。吉伯所作出的地磁场来源于地球本体的假定是正确的。这已为1839年德国数学家C.F.高斯首次运用球谐函数分析法所证实。

地磁的磁感线和地理的经线是不平行的,它们之间的夹角叫做磁偏角。中国古代的著名科学家沈括是第一个注意到磁偏角现象的科学家。

地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分,其强度约占地磁场总强度的90%,产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程,即自激发电机效应。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域,平均强度约占地磁场的10%。地磁异常又分为区域异常和局部异常,与岩石和矿体的分布有关。

地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化,其场源分布在电离层中。干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等,场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰,持续时间约为1~3天,幅度可达10纳特。其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区内。除外源场外,变化磁场还有内源场。内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。将高斯球谐分析用于变化磁场,可将这种内、外场区分开。根据变化磁场的内、外场相互关系,可以得出地球内部电导率的分布。这已成为地磁学的一个重要领域,叫做地球电磁感应

地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系,又和地壳上地幔的电性结构有关,所以在空间物理学和固体地球物理学的研究中都具有重要意义。

磁感线(Magnetic Induction Iine):在磁场中画一些曲线,用(虚线或实线表示)使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同(且磁感线互不交叉),这些曲线叫磁感线。磁感线是闭合曲线。规定小磁针的北极所指的方向为磁感线的方向。磁铁周围的磁感线都是从N极出来进入S极或传向无穷远处,在磁体内部磁感线从S极到N极。

磁感线是为了形象地研究磁场而人为假想的曲线,并不是客观存在于磁场中的真实曲线。但可以根据磁感线的疏密,判断磁性的强弱。磁感线密集,则磁性强,稀疏,则弱。

磁感应强度:与磁力线方向垂直的单位面积上所通过的磁力线数目,又叫磁力线的密度,也叫磁通密度,用B表示,单位为特斯拉(T)。

磁通量:磁通量是通过某一截面积的磁力线总数,用Φ表示,单位为韦伯(Weber),符号是Wb。 通过一线圈的磁通的表达式为:Φ=BS(其中B为磁感应强度,S为该线圈的面积。) 1Wb=1Tm

安培力:(左手定则)F=BIL×Sinθ 矢量表达式:F=I×BL

洛伦兹力:(左手定则)(微观上)F=qvBSinθ 矢量表达式:F=qv×B

电脑模拟系统破解地球磁场南北颠倒之谜

美国《国家地理杂志》发表文章解释了地球磁场"南北颠倒"的原因。1845年德国数学家卡尔高斯开始记录地球磁场数据,与那时相比,今天的磁场强度减弱了近10%左右。而且这种势头还将继续。

从地质记录来看,地球磁场平均大约每20万年翻转一次,不过时间也可能相差很大,并不固定,上一次磁场翻转是在78万年前。

专家认为,地球磁场来自地球深处的地心部分。固体的地心四周是处在熔解状的铁和镍液体。地心在金属液中的运动,产生了电流,形成了地球磁场。而该磁场屏蔽了宇宙射线,主要是太阳风暴对地球的袭击,保护了地球生命的延续。科学家发现,火山岩浆凝固时,其中的铁总是按磁场方向排列。专家把这一现象称为地球动力学,地球磁场是由地球动力支配的,他们根据这一理论发展的电脑模拟系统发现,地心周围的液体物质,总是处在不稳定状态,以非常缓慢的速度转动,一般大约每年移动一度。然而在受到某种干扰时,这个速度会变得越来越快,使原有的磁场偏离极地越来越远,最后发生南北极互换的现象。

几万年来,蜜蜂、鸽子、鲸鱼、鲑鱼、红龟、津巴布韦鼹鼠等动物一直依赖先天性的本能在磁场的指引下秋移春返,一旦磁场消失,它们的命运很难预测。

地球磁极变换不会造成灾难

大家都知道地球磁极要随着时间流逝而变换,南极变北极,北极变南极。而且两次变换之间的时间间隔不等,平均为25万年。

科学家发现,此前的一次变换发生在75万年前,因此他们预料,不久还会发生新的两极变换。这样就产生了一个问题:地球磁极变换会不会使地球磁场短时间消失,从而失去了防止宇宙带电粒子到达地球的能力,引起一些科幻电影所描述的严重自然灾害呢?

德国慕尼黑大学的赫拉德勒施等人的研究发现,不会发生这样的灾难,而其中的拯救英雄就是太阳风。 赫拉德勒施等人发现,由带电粒子组成的太阳风,将在瞬间建立起一个新磁场。

另外,由于太阳风和地球等离子层运动速度相差很大,太阳风将很快在距离地面350公里的高度建立起一个磁保护伞,这个磁保护伞的磁场强度大致与地磁磁场强度一样。它们可以将宇宙中的带电粒子挡在地球大气层外,地球上的生物依然可以高枕无忧

自然界磁辐射对大脑梦幻的影响

在自然界中,存在着地磁和大量的宇宙空间物质射线以及太阳磁暴辐射波,这些磁波会对人类的大脑和脏器形成刺激性影响。这些磁波辐射对生物成长有一种促进作用,同时,人体与磁场也存在一定的内在关联性。宇宙本身就是一个强大的磁场空间,没有宇宙强大的磁场作用力,也就没有自然界生物细胞的合成,地球上面的生物也就不会存在。人类的梦中幻觉,大部分是由于空间磁辐射所引起的,强大的磁波辐射也可以给人类造成重大的伤害,也可以引起空间的人体核磁共振效应。自然界的诸多奇异现象都存在强磁场的力作用,可造成信鸽对地理位置辨别的失效,可造成人类方向性的判别错误,也可造成人类大脑的噩梦幻觉联想。

2014年7月,根据欧洲航天局Swarm卫星阵列搜集到的数据显示,在过去的六个月时间里,地球磁场正在快速减弱。Swarm卫星阵列由三颗独立卫星组成,根据卫星上搭载的磁力计显示,地磁场最大的薄弱点出现在西半球上空,而在南印度洋等地区,地磁场有加强的趋势。

科学家们至今还不能确定地磁场减弱的原因,不过他们认为原因之一可能是地磁场正在为翻转做准备,从数据上分析,地磁场的北极正在往西伯利亚迁徙。磁极的翻转不是一下子就完成的,不用几千年,至少也要好几百年,并且,地球在过去已经发生过很多次磁极翻转。

其实,每隔几十万年地球磁极就会翻转一次。虽然地球磁场的强度变化只是正常磁场翻转周期的一部分,但是Swarm搜集的数据显示,地球磁场的减弱速度比过去都快。此前,按照研究人员的估算,地球磁场应该以每100年5%的强度衰减,但是数据显示地球磁场实际的衰减速度达到了每10年5%,是人们想象中的10倍。按照过去的推断科学家认为地球磁场会在大约2000年后完全翻转,不过按照最新的数据,翻转很可能很快就会发生。

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