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磁場所屬現代詞,指的是對放入其中的小磁針有磁力的作用的物質。

1 磁場 -定義

磁場磁場
對放入其中的小磁針有磁力的作用的物質叫做磁場。磁場是一種看不見,而又摸不著的特殊物質。磁體周圍存在磁場,磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的。電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態的物質。由於磁體的磁性來源於電流,電流是電荷的運動,因而概括地說,磁場是由運動電荷或變化電場產生的。

2 磁場 -基本概述

磁場磁場
磁場的基本特徵是能對其中的運動電荷施加作用力,磁場對電流、對磁體的作用力或力矩皆源於此。而現代理論則說明,磁力是電場力的相對論效應。

與電場相仿,磁場是在一定空間區域內連續分佈的矢量場,描述磁場的基本物理量是磁感應強度矢量B,也可以用磁感線形象地圖示。然而,作為一個矢量場,磁場的性質與電場頗為不同。運動電荷或變化電場產生的磁場,或兩者之和的總磁場,都是無源有旋的矢量場,磁力線是閉合的曲線族,不中斷,不交叉。換言之,在磁場中不存在發出磁力線的源頭,也不存在會聚磁力線的尾閭,磁力線閉合表明沿磁力線的環路積分不為零,即磁場是有旋場而不是勢場(保守場),不存在類似於電勢那樣的標量函數。

磁感應強度:與磁力線方向垂直的單位面積上所通過的磁力線數目,又叫磁力線的密度,也叫磁通密度,用B表示,單位為特(斯拉)T。

磁場磁場

磁通:磁通是通過某一截面積的磁力線總數,用Φ表示,單位為韋(伯)Wb。通過一線圈的磁通的表達式為:Φ=B*S(其中B為磁感應強度,S為該線圈的面積。)

磁場方向:規定小磁針的北極在磁場中某點所受磁場力的方向為該電磁場的方向。

磁感線:在磁場中畫一些曲線,使曲線上任何一點的切線方向都跟這一點的磁場方向相同,這些曲線叫磁力線。磁力線是閉合曲線。規定小磁針的北極所指的方向為磁力線的方向。磁鐵周圍的磁力線都是從N極出來進入S極,在磁體內部磁力線從S極到N極。

電磁場是電磁作用的媒遞物,是統一的整體,電場和磁場是它緊密聯繫、相互依存的兩個側面,變化的電場產生磁場,變化的磁場產生電場,變化的電磁場以波動形式在空間傳播。電磁波以有限的速度傳播,具有可交換的能量和動量,電磁波與實物的相互作用,電磁波與粒子的相互轉化等等,都證明電磁場是客觀存在的物質,它的「特殊」只在於沒有靜質量。

磁現象是最早被人類認識的物理現象之一,指南針是中國古代一大發明。磁場是廣泛存在的,地球,恆星(如太陽),星系(如銀河系),行星、衛星,以及星際空間和星系際空間,都存在著磁場。為了認識和解釋其中的許多物理現象和過程,必須考慮磁場這一重要因素。在現代科學技術和人類生活中,處處可遇到磁場,發電機、電動機、變壓器、電報、電話、收音機以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀錶等無不與磁現象有關。甚至在人體內,伴隨著生命活動,一些組織和器官內也會產生微弱的磁場。地球的磁級與地理的兩極相反。

3 磁場 -歷史

磁場最早出現的幾副磁場繪圖之一,繪者為勒內·笛卡兒,1644年。
雖然很早以前,人類就已知道磁石和其奧妙的磁性,最早出現的幾個學術性論述之一,是由法國學者皮埃·德馬立克(Pierre de Maricourt)於公元1269 年寫成[notes 3]。德馬立克仔細標明了鐵針在塊型磁石附近各個位置的定向,從這些記號,又描繪出很多條磁場線。他發現這些磁場線相會於磁石的相反兩端位置,就好像地球的經線相會於南極與北極。因此,他稱這兩位置為磁極[2]。幾乎三個世紀后,威廉·吉爾伯特主張地球本身就是一個大磁石,其兩個磁極分別位於南極與北極。出版於1600 年,吉爾伯特的巨著《論磁石》(De Magnete)開創磁學為一門正統科學學術領域。

於1824年,西莫恩·泊松發展出一種物理模型,比較能夠描述磁場。泊松認為磁性是由磁荷產生的,同類磁荷相排斥,異類磁荷相吸引。他的模型完全類比現代靜電模型;磁荷產生磁場,就如同電荷產生電場一般。這理論甚至能夠正確地預測儲存於磁場的能量。

儘管泊松模型有其成功之處,這模型也有兩點嚴峻瑕疵。第一,磁荷並不存在。將磁鐵切為兩半,並不會造成兩個分離的磁極,所得到的兩個分離的磁鐵,每一個都有自己的指南極和指北極。第二,這模型不能解釋電場與磁場之間的奇異關係。

於1820年,一系列的革命性發現,促使開啟了現代磁學理論。首先,丹麥物理學家漢斯·奧斯特於7月發現載流導線的電流會施加作用力於磁針,使磁針偏轉指向。稍後,於9月,在這新聞抵達法國科學院僅僅一周之後,安德烈-瑪麗·安培成功地做實驗展示出,假若所載電流的流向相同,則兩條平行的載流導線會互相吸引;否則,假若流向相反,則會互相排斥。緊接著,法國物理學家讓-巴蒂斯特·畢奧和菲利克斯·沙伐於10月共同發表了畢奧-薩伐爾定律;這定律能夠正確地計算出在載流導線四周的磁場。

1825年,安培又發表了安培定律。這定律也能夠描述載流導線產生的磁場。更重要的,這定律幫助建立整個電磁理論的基礎。於1831年,麥可·法拉第證實,隨著時間演進而變化的磁場會生成電場。這實驗結果展示出電與磁之間更密切的關係。

從1861年到1865之間,詹姆斯·麥克斯韋將經典電學和磁學雜亂無章的方程加以整合,發展成功麥克斯韋方程組。最先發表於他的1861年論文《論物理力線》,這方程組能夠解釋經典電學和磁學的各種現象。在論文里,他提出了「分子渦流模型」,並成功地將安培定律加以延伸,增加入了一個有關於位移電流的項目,稱為「麥克斯韋修正項目」。由於分子渦包具有彈性,這模型可以描述電磁波的物理行為。因此,麥克斯韋推導出電磁波方程。他又計算出電磁波的傳播速度,發現這數值與光速非常接近。警覺的麥克斯韋立刻斷定光波就是一種電磁波。後來,於1887年,海因里希·赫茲做實驗證明了這事實。麥克斯韋統一了電學、磁學、光學理論。

雖然,有了極具功能的麥克斯韋方程組,經典電動力學基本上已經完備,在理論方面,二十世紀帶來了更多的改良與延伸。阿爾伯特·愛因斯坦,於1905年,在他的論文里表明,電場和磁場是處於不同參考系的觀察者所觀察到的同樣現象(幫助愛因斯坦發展出狹義相對論的思想實驗,關於其詳盡細節,請參閱移動中的磁鐵與導體問題)。後來,電動力學又與量子力學合併為量子電動力學。

4 磁場 -類型

磁場磁場

1、恆定磁場 磁場強度和方向保持不變的磁場稱為恆定磁場或恆磁場,如鐵磁片和通以直流電的電磁鐵所產生的磁場。

2、交變磁場 磁場強度和方向在規律變化的磁場,如工頻磁療機和異極旋轉磁療器產生的磁場。

3、脈動磁場 磁場強度有規律變化而磁場方向不發生變化的磁場,如同極旋轉磁療器、通過脈動直流電磁鐵產生的磁場。

4、脈衝磁場 用間歇振蕩器產生間歇脈衝電流,將這種電流通入電磁鐵的線圈即可產生各種形狀的脈衝磁場。脈衝磁場的特點是間歇式出現磁場,磁場的變化頻率、波形和峰值可根據需要進行調節。

恆磁場又稱為靜磁場,而交變磁場,脈動磁場和脈衝磁場屬於動磁場。磁場的空間各處的磁場強度相等或大致相等的稱為均勻磁場,否則就稱為非均勻磁場。離開磁極表面越遠,磁場越弱,磁場強度呈梯度變化。

5 磁場 -電磁場

電磁場electromagneticfield

有內在聯繫、相互依存的電場和磁場的統一體和總稱。隨時間變化的電場產生磁場,隨時間變化的磁場產生電場,兩者互為因果,形成電磁場。電磁場可由變速運動的帶電粒子引起,也可由強弱變化的電流引起,不論原因如何,電磁場總是以光速向四周傳播,形成電磁波。電磁場是電磁作用的媒遞物,具有能量和動量,是物質存在的一種形式。電磁場的性質、特徵及其運動變化規律由麥克斯韋方程組確定。

6 磁場 -地磁場

磁場磁場
地磁場geomagneticfield

從地心至磁層頂的空間範圍內的磁場。地磁學的主要研究對象。人類對於地磁場存在的早期認識,來源於天然磁石和磁針的指極性。磁針的指極性是由於地球的北磁極(磁性為S極)吸引著磁針的N極,地球的南磁極(磁性為N極)吸引著磁針的S極。這個解釋最初是英國W.吉伯於1600年提出的。吉伯所作出的地磁場來源於地球本體的假定是正確的。這已為1839年德國數學家C.F.高斯首次運用球諧函數分析法所證實。

地磁場是一個向量場。描述空間某一點地磁場的強度和方向,需要3個獨立的地磁要素。常用的地磁要素有7個,即地磁場總強度F,水平強度H,垂直強度Z,X和Y分別為H的北向和東向分量,D和I分別為磁偏角和磁傾角。其中以磁偏角的觀測歷史為最早。在現代的地磁場觀測中,地磁台一般只記錄H,D,Z或X,Y,Z。

近地空間的地磁場,像一個均勻磁化球體的磁場,其強度在地面兩極附近還不到1高斯,所以地磁場是非常弱的磁場。地磁場強度的單位過去通常採用伽馬(γ),即10高斯。1960年決定採用特斯拉作為國際測磁單位,1高斯=10^(-4)特斯拉(T),1伽馬=10^(-9)特斯拉=1納特斯拉(nT),簡稱納特。地磁場雖然很弱,但卻延伸到很遠的空間,保護著地球上的生物和人類,使之免受宇宙輻射的侵害。

地磁場包括基本磁場和變化磁場兩個部分,它們在成因上完全不同。基本磁場是地磁場的主要部分,起源於地球內部,比較穩定,變化非常緩慢。變化磁場包括地磁場的各種短期變化,主要起源於地球外部,並且很微弱。地球的基本磁場可分為偶極子磁場、非偶極子磁場和地磁異常幾個組成部分。偶極子磁場是地磁場的基本成分,其強度約佔地磁場總強度的90%,產生於地球液態外核內的電磁流體力學過程,即自激發電機效應。非偶極子磁場主要分佈在亞洲東部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等幾個地域,平均強度約佔地磁場的10%。地磁異常又分為區域異常和局部異常,與岩石和礦體的分佈有關。

地球變化磁場可分為平靜變化和干擾變化兩大類型。平靜變化主要是以一個太陽日為周期的太陽靜日變化,其場源分佈在電離層中。干擾變化包括磁暴、地磁亞暴、太陽擾日變化和地磁脈動等,場源是太陽粒子輻射同地磁場相互作用在磁層和電離層中產生的各種短暫的電流體系。磁暴是全球同時發生的強烈磁擾,持續時間約為1~3天,幅度可達10納特。其他幾種干擾變化主要分佈在地球的極光區內。除外源場外,變化磁場還有內源場。內源場是由外源場在地球內部感應出來的電流所產生的。將高斯球諧分析用於變化磁場,可將這種內、外場區分開。根據變化磁場的內、外場相互關係,可以得出地球內部電導率的分佈。這已成為地磁學的一個重要領域,叫做地球電磁感應。

地球變化磁場既和磁層、電離層的電磁過程相聯繫,又和地殼上地幔的電性結構有關,所以在空間物理學和固體地球物理學的研究中都具有重要意義。

7 磁場 -模擬地球磁場

磁場磁場
電腦模擬系統破解地球磁場南北顛倒之謎

美國《國家地理雜誌》發表文章解釋了地球磁場「南北顛倒」的原因。1845年德國數學家卡爾·高斯開始記錄地球磁場數據,與那時相比,今天的磁場強度減弱了近10%左右。而且這種勢頭還將繼續。

電腦模擬系統「助陣」科學家說,這種現象並不罕見。在過去的數十億年中,地球磁場曾多次發生翻轉,這可以在地球岩石中找到大量證據。而他們在最近幾十年中發展的電腦模擬系統,可以很好地演示這個翻轉過程。美國加州大學的地球科學和磁場專家加里·格拉茲邁爾說:「我們可以在岩石上看到翻轉的情形,可是岩石不會告訴我們為什麼。電腦模擬系統能說明這一切。」這一系統就是格拉茲邁爾和他的同事保爾·羅伯茲共同研發的。從地質記錄來看,地球磁場平均大約每20萬年翻轉一次,不過時間也可能相差很大,並不固定,上一次磁場翻轉是在78萬年前。

專家認為,地球磁場來自地球深處的地心部分。固體的地心四周是處在熔解狀的鐵和鎳液體。地心在金屬液中的運動,產生了電流,形成了地球磁場。而該磁場屏蔽了宇宙射線,主要是太陽風暴對地球的襲擊,保護了地球生命的延續。科學家發現,火山岩漿凝固時,其中的鐵總是按磁場方向排列。專家把這一現象稱為地球動力學,地

磁場磁場
球磁場是由地球動力支配的,他們根據這一理論發展的電腦模擬系統發現,地心周圍的液體物質,總是處在不穩定狀態,以非常緩慢的速度轉動,一般大約每年移動一度。然而在受到某種干擾時,這個速度會變得越來越快,使原有的磁場偏離極地越來越遠,最後發生南北極互換的現象。

美國約翰·霍普金斯大學的地球物理學家皮特·奧森正在嚴密關注地球磁場的變化。他說,隨著時間的推移,我們能夠追蹤到它的軌跡。就像颶風預報一樣,我們會知道翻轉現象什麼時候發生。加里·格拉茲邁爾安慰大家說:「這個現象曾發生過多次了,生命不會因此滅絕的。」新聞背景磁場顛倒將危及生物磁場顛倒將危及到生物。首先,許多依靠鑒別地球南北極而遷徙的動物將會「亂了方寸」。

幾萬年來,蜜蜂、鴿子、鯨魚、鮭魚、紅龜、辛巴威鼴鼠等動物一直依賴先天性的本能在磁場的指引下秋移春返,一旦磁場消失,它們的命運很難預測。而對於人類來說,最致命的打擊莫過於直接暴露在強烈的紫外線輻射之下。屆時,皮膚癌等各種災難都將降臨。

8 磁場 -最新應用

可降低​人類血液黏度

美國天普大學物理學家陶榮家(音譯)指出,利用磁場可降低人類血液黏度。研究論文發表在近日出版的《物理評論E輯》上。目前,稀釋血液的唯一方法是利用阿司匹林等藥物,但這些葯會帶來副作用。曾發明過用電場或磁場降低發動機或管道中油脂黏度這一方法的天普大學教授陶榮家將這種方法推廣到血液黏度的控制中,通過測試大量血液樣本后發現,利用磁場也可稀釋人類循環系統中的血液。

紅細胞含鐵

因為紅細胞含鐵,施加磁場能將紅血細胞極化,使它們以短鏈、流線運動的形式連在一起,由於這些短鏈比單個的血細胞要大,它們向著中心流下來時,與血管壁的摩擦就會減少。這種連接效果降低了血液黏度,有助於它們更加順暢地流動。給血液施加一個1.3特斯拉的磁場約1分鐘,就能將血液黏稠度降低20%到30%,且這個強度只相當於核磁共振成像的磁場強度。當磁場被移開時,血液在血管中會慢慢恢復為原來的黏稠狀態,但這要經過幾個小時。

不僅安全還可重複

「通過選擇合適的磁場強度和脈衝時間,我們就能控制紅細胞聚集成鏈的大小,由此控制血液黏度。這種磁流變的方法提供了一個有效的途徑,能在可選擇的範圍內控制血液黏度。」陶榮家解釋說,這種方法不僅安全,還可重複,可以通過多次施加磁場的方式來降低血液黏度,而且黏度降低並不影響紅細胞的正常功能。陶榮家還表示,該方法仍需要進一步研究,以此為基礎能最終開發出一種預防心臟病發作的新療法。

9 磁場 -視頻

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