AQA A-Level 物理/磁场

磁场是围绕磁体或载流导线的区域，该区域作用于放置在该场中的任何其他磁体或载流导线。磁力线总是形成闭合回路。一些图示中描绘了开端磁力线；然而，如果完整绘制这些图示，这些线总是会连接起来。

磁通密度 (B)：磁通密度 B 是垂直于磁场作用于载流导线上的单位长度单位电流的力 F。它也被称为磁场强度。测量单位是特斯拉 (T)

电动势

当电流通过磁场中的导线时，导线上会受到一个力。这被称为电动势。作用在导线上的力取决于

导线中的电流及其方向

磁体的强度

磁场中的导线长度

导线/电流相对于磁力线的角度

图中的箭头表示常规电流。实际上，电子从负极移动到正极，但是，按照惯例，电流被认为是从正极移动到负极（这是自古以来的做法）。可以使用左手定则找到力的方向。

为了增加作用在导线上的力，你可以

增加电流

增加磁场强度

确保电流完全垂直于磁力线。

如果电流或磁场的方向反转，则力的方向也会反转。

电动机

电动机是根据电动势原理工作的。一个载流线圈放置在磁场中。电流进入磁场的方向为一个方向，并通过磁场以相反的方向返回。这种方向的变化意味着线圈两侧的力方向相反；这意味着线圈开始旋转。

当使用线圈时，力的影响会因线圈数量 n 而放大

$F$ = 作用在导线上的力

$B$ = 磁场强度

$I$ = 流过导线的电流

$l$ = 磁场中的导线长度

$n$ = 匝数

磁场中的运动电荷

作用在电场 E 和磁场 B 中以速度 v 运动的电荷 q 上的力 F 由洛伦兹力方程给出

对于 A level 大纲，不需要了解这一点。F、E、v 和 B 均带下划线，表示它们是矢量量（大学水平方程。完全不需要这一点）

大多数情况下，我们处理的是磁场或电场。可以看出，当磁场为零时，我们得到了电场定义 $F=qE$ 。当只有磁场并且电荷运动的方向垂直于磁场时，则作用在该电荷上的力 F 由以下公式给出

然而，必须记住，此公式仅在电荷垂直于磁场运动时有效。

圆周运动中的电荷

磁力始终垂直于电荷的运动方向。这意味着作用在磁场中的运动带电粒子上的力是向心力。如果作用在磁场中的电荷上的力为 $F=Bqv$ ，并且向心力为 ${\frac {mv^{2}}{r}}$ ，那么我们知道

由此，我们可以重新排列以找到圆形电荷的曲率半径 r 的表达式

由此，我们可以了解到速度和质量与半径的大小成正比，而磁场强度和电荷的大小与半径成反比。因此，如果质量或速度增加，则半径会增加。而如果电荷或磁场强度增加，则半径会减小，因为这些变量成反比。

回旋加速器

回旋加速器是最早的粒子加速器类型之一，它利用运动电荷在磁场中的磁力将运动电荷弯曲成半圆形路径，并在施加的电场加速下加速。施加的电场加速电子在磁场区域的“D形”之间。该场以回旋频率反转以加速电子穿过间隙。

每次粒子穿过间隙时，它都会获得速度并增加其轨道半径。它由于电场而获得速度。粒子的速度仅在穿过间隙时增加。粒子在其中一个 D 形区域内所花费的时间 t 为

使用上面带电粒子在磁场中得到的半径公式，公式变为

因此，完成一个完整革命所需的时间为 2t，我们可以简单地将其称为周期 T。回旋频率 f 因此为

电磁感应

电磁（EM）感应是指当一个完整的线圈穿过磁场线（磁通线）时在线圈中感应出电动势。当电线是完整电路/线圈的一部分时，电流将流动。通过更快地移动电线或使用更强的磁铁可以增加电动势。这是因为电动势是由线圈与磁通量的变化率引起的，因此，如果穿过场的时间减少或磁通线数量增加，这将直接导致感应电动势增加。然而，重要的是要确保电线/螺线管以 90 度角穿过磁场。

重要提示

-可以使用右手螺旋定则和知道场线总是从北极发出并进入南极来确定螺线管的极性。

-垂直射入磁场的电子束。传统电流实际上与电子运动方向相反。如果它是一个运动的正电荷，则传统电流是流动正电荷的方向。

法拉第和楞次定律

法拉第定律：电路中感应的电动势等于穿过电路的磁通量变化率

楞次定律：感应电流的方向总是使得它阻碍引起该电流的变化

楞次定律-当将条形磁铁推入连接到电流表的线圈时，电流表偏转。从线圈中拉出时，电流表朝相反方向偏转。绕着电路流动的感应电流在线圈周围产生磁场。线圈磁场必须抵抗进入的北极，否则它会更快地将北极拉入，这不可能发生，否则能量将不守恒，并且可以产生无限的能量。

当磁铁进入时，它会在环路中产生电流，从而建立磁场以抵抗磁铁的进入
当磁铁位于线圈的中间时，它处于磁极将切换的点。此时，线圈中没有电流流动，因为电压为零。
当退出线圈时，磁铁移动得更快（因为它受到重力作用而加速），并且它在线圈中感应出电流，从而建立磁场以抵抗磁铁移开，即线圈的磁极改变。

此外，当磁铁离开时，第二个峰值应该更大，因为由于重力作用的加速度，磁铁将移动得更快，因此感应的电动势量更大。此外，电压的方向发生改变，因为电流和磁场都切换以抵抗正在发生的改变，从而导致电压翻转。

法拉第定律

一段长度为 l 的电线是穿过磁通密度为 B 的磁场的完整电路的一部分。导体受到 $F=BIL$ 的力。该力抵抗运动。在磁场中以恒定速度运动需要一个大小相等、方向相反的力

施加的力将电线移动距离 Δs 所做的功 W 为

在此时间内沿导体转移的电荷为

因此，感应电动势为

磁通量和磁通链

磁通量 φ 定义为

磁通量的单位是韦伯。其中 A 是扫过的面积=lΔs

穿过 N 匝线圈的磁通链为

磁通链=BAN

交流发电机

一个简单的交流发电机由一个矩形线圈组成，该线圈在磁场中强制旋转。这会在线圈中产生磁通量变化，从而产生电动势，驱动电流。通量变化率越快或线圈匝数越多，感应电动势越大。当旋转速度更快时，电流的峰值振幅达到最大值，交流电具有更高的频率。当线圈旋转时，磁通链会持续变化（由于线圈的角度）。穿过线圈的磁通链由下式给出

该面积是“对磁场的平面面积”。当环路“平躺”（即平行于磁场）时，磁通链最大，因为 cos（0）=1。当环路平躺时，线圈穿过磁场线并以最大相对速度移动。当线圈直立时，磁通量没有变化（即电动势=0），因为线圈没有“穿过”磁场线。

如果磁通链发生变化，电动势将发生变化

其中 $t$ 是时间， $f$ 是频率，omega 是角速度

当线圈垂直于磁场线时，感应电动势为零；当线圈平行时，感应电动势最大。请记住，感应电动势是磁通量变化率。当线圈垂直穿过磁场线时，这将产生最大的通量变化率，即当线圈平躺时。

变压器

铁芯的作用是放大围绕初级线圈产生的磁场的影响，因为铁容易被磁化，并且它的极性很容易切换。由于电流方向交替，磁场改变方向（即顺时针-逆时针-顺时针-逆时针，等等）

这个交替磁场穿过次级线圈。由于磁场交替，因此会在次级线圈中产生电动势。这是因为当磁通量发生变化时，就会产生电动势，这是由于不断交替的磁场造成的。

效率

变压器效率很高，因为

低电阻绕组减少了通过热量造成的能量损失
叠层铁芯。产生旨在增加磁通量的内部涡流。通过热量造成的能量损失减少了。
使用软铁芯。容易被磁化地“切换”。减少功率（因此减少能量）损失

变压器的效率是输出功率与输入功率的比值