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磁場與電場

2017/09/08

一、磁場及其基本物理量
   電和磁是一對孿生兄弟,變化的電流可以產生磁場,變化的磁場也可以產生電流,二者是分不開的。自從電磁感應現象及其規律發現以來,人類對自然的認識和利用進入了新的階段,電能的使用極大地改變了人類的生活。
二、電磁學上的幾位先驅:
   奧斯特,全名漢斯·克里斯蒂安·奧斯特(Hans Christian Oersted,1777年8月14日-1851年3月9日),丹麥物理學家、化學家。1820年4月終于發現了電流對磁針的作用,即電流的磁效應。同年7月21日以《關于磁針上電沖突作用的實驗》為題發表了他的發現。這篇短短的論文使歐洲物理學界產生了極大震動,導致了大批實驗成果的出現,由此開辟了物理學的新領域──電磁學。
   楞次在物理學上的主要成就是發現了電磁感應的楞次定律和電熱效應的焦耳-楞次定律.
   法拉第于1791年出生在英國倫敦附近的一個小村里,父親是鐵匠,自幼家境貧寒,無錢上學讀書。13歲時到一家書店里當報童,次年轉為裝訂學徒工。在學徒工期間,法拉第除工作外,利用書店的條件,在業余時間貪婪地閱讀了許多科學著作,例如《化學對話》、《大英百科全書》的《電學》條目等,這些著作開拓了他的視野,激發了他對科學的濃厚興趣。
   1812年,學徒期滿,法拉第打算專門從事科學研究。次年,經著名化學家戴維推薦,法拉第到皇家研究院實驗室當助理研究員。這年底,作為助手和仆人,他隨戴維到歐洲大陸考察漫游,結識了不少知名科學家,如安培、伏特等,這進一步擴大了他的眼界。1815年春回到倫敦后,在戴維的支持和指導下做了好多化學方面的研究工作。1821年開始擔任實驗室主任,一直到1865年。1824年,被推選為皇家學會會員。次年法拉第正式成為皇家學院教授。1851年,曾被一致推選為英國皇家學會會長,但被他堅決推辭掉了。1867年8月25日,他坐在書房的椅子上安祥地離開了人世。遵照他的遺言,在他的墓碑上只刻了名字和生死年月。
   1821年法拉第讀到了奧斯特的描述他發現電流磁效應的論文《關于磁針上的電碰撞的實驗》。該文給了他很大的啟發,使他開始研究電磁現象。經過十年的實驗研究(中間曾因研究合金和光學玻璃等而中斷過),在1831年,他終于發現了電磁感應現象。
   1833年,法拉第發現了電解定律,1837年發現了電解質對電容的影響,引入了電容率概念。1845年發現了磁光效應,后又發現物質可分為順磁質和抗磁質等。

三、磁體及其性質
1、能夠吸引鐵、鈷、鎳等物質的物體稱為磁體。
2、磁體分為天然磁體(吸鐵石)和人造磁體(條形磁鐵和蹄形磁體)。
3、任何磁體都具有兩個磁極,而且無論把磁體怎樣分割,總保持兩個異性磁極,即N極和S極總是成對出現的。
4、同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引。
四、磁場與磁感線
   兩個磁極互不接觸,卻存在相互作用力,就是通過磁場進行傳遞的。
   磁場——磁體周圍的空間存在的一種特殊的物質。
   磁感線——為描述磁場的分布,在磁場中畫出的一些有方向的曲線。(磁感線越密則說明磁場越強,反之則磁場越弱)。
   磁感線方向的規定:磁體外部由N極指向S極,在磁體內部由S極指向N極。磁感線是閉合曲線。
五、電流產生的磁場
   電流產生磁場的現象稱為電流的磁效應。
   電流產生的磁場的方向可用右手螺旋定則(安培定則)來判斷。
1、直線電流產生的磁場
2、環形電流產生的磁場
六、磁場及基本物理量
(1)磁感應強度
(2)磁通
(3)磁導率
(4)磁感應強度
1、磁感應強度
   磁場中垂直于磁場方向的通電直導線,所受的磁場力F與電流I和導線長度L的乘積的比值叫做通電直導線所在處的磁感應強度B。即:磁感應強度是描述磁場強弱和方向的物理量。(B=F/IL,F=BIL)
   磁感應強度是一個矢量,它的方向即為該點的磁場方向。在國際單位制中,磁感應強度的單位是:特斯拉(T)。
   用磁感線可形象的描述磁感應強度B的大小,B較大的地方,磁場較強,磁感線較密;B較小的地方,磁場較弱,磁感線較??;磁感線的切線方向即為該點磁感應強度B的方向。
   勻強磁場中各點的磁感應強度大小和方向均相同。
2、磁通
   在磁感應強度為B 的勻強磁場中取一個與磁場方向垂直,面積為S 的平面,則B與S的乘積,叫做穿過這個平面的磁通量Φ,簡稱磁通。
          Φ= BS
   磁通的國際單位是韋伯(Wb)。
   由磁通的定義式,可得B =Φ/S
   即:磁感應強度Φ可看作是通過單位面積的磁通,因此磁感應強度B也常叫做磁通密度,并Wb/m2作為單位。
3、磁導率
(1)磁導率μ在磁場中各點的磁感應強度B 的大小不僅與產生磁場的電流和導體有關,還與磁場內媒介質(又叫做磁介質)的導磁性質有關。在磁場中放入磁介質時,介質的磁感應強度B將發生變化,磁介質對磁場的影響程度取決于它本身的導磁性能。
   物質導磁性能的強弱用磁導率μ 來表示。 μ的單位是:亨利/米(H/m)。不同的物質磁導率不同。在相同的條件下,μ值越大,磁感應強度B越大,磁場越強;μ值越小,磁感應強度B越小,磁場越弱。
   真空中的磁導率是一個常數,用μ0表示。
   μ0 =4π×10-7韋伯/(安培·米)
(2)相對磁導率μr
   以真空磁導率μ0為基準,將其他物質的磁導率μ 與μ0比較,其比值叫相對磁導率,用μr表示,即
                            μr = μ/ μ0
   根據相對磁導率μr的大小,可將物質分為三類:
4、磁場強度
    在各向同性的媒介質中,某點的磁感應強度B與磁導率  μ之比稱為該點的磁場強度,記做H。即
          H=B/μ
    磁場強度H也是矢量,其方向與磁感應強度B同向,國際單位是:安培/米(A/m)。
    必須注意:磁場中各點的磁場強度H的大小只與產生磁場的電流I的大小和導體的形狀有關,與磁介質的性質無關。
5、電場與磁場的關系      
    均勻變化的電場產生穩定的磁場,均勻變化的磁場產生穩定的電場周期性變化的電場產生周期性變化的的磁場,周期性變化的磁場產生周期性變化的的電場 。
    相同點:電場和磁場均為矢量場,即都具有大小和方向。
    不同點:電場為有源場,即散度不為零,磁場為無源場,散度為零。
    電場不存在閉合的電場線,即電場是無旋場。磁場總是存在閉合的磁場線,即磁場為有旋場。
小結:
磁體:能夠吸引鐵、鈷、鎳等物質的物體稱為磁體
磁感線:為描述磁場的分布,在磁場中畫出的一些有方向的曲線
電流產生的磁場:用右手螺旋定則去判斷
磁感應強度:B=F/IL,F=BIL(導體和磁場垂直的時候),單位:T
磁通:Φ=BS,(磁場垂直于面的時候),單位:Wb
磁導率:衡量物質導磁性能的物理量。
相對磁導率:μr=μ/μ0
物質可分為三類,順磁物質,反磁物質,鐵磁物質。
磁場強度:H=B/μ
電場與磁場的關系:變化的電場產生磁場,變化的磁場也產生電場

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