电子学/磁场

磁场：B

磁场是由以下原因产生的

1. 磁矩。
2. 运动电荷。

• 磁铁有两个极，一个北极和一个南极。
• 同极相斥，异极相吸。

• 磁铁会试图使其磁极对齐。

• 南北极：地球的磁极是反转的；地理北极是磁南极，反之亦然。

• 极性：磁场的排列。
• 磁单极：一个独立的磁极可以存在的概念

• 泡利不相容原理：两个电子不能占据相同的量子态。

• 自旋：电子的量子特性，赋予它们内禀角动量。这意味着，它们的行为就像在自己的轴上永不停息地旋转。

• 永久偶极子：当分子中两个原子的电负性存在显著差异时，就会发生这种情况——一个原子比另一个原子更吸引电子，变得更负，而另一个原子变得更正。参见偶极-偶极吸引。

• 瞬时偶极子：当电子碰巧在一个地方比另一个地方更集中时，由于偶然性而发生，从而产生一个暂时的偶极子。参见瞬时偶极吸引。

• 感应偶极子：当一个具有永久偶极子的分子排斥另一个分子的电子时，就会发生这种情况，“诱导”该分子中的偶极矩。参见诱导偶极吸引。

• 磁偶极子：类似于电偶极子。它指的是一个看起来像是来自一对无限靠近的南北磁单极子的磁场。

• 磁矩 (u)：物体与磁场对齐的趋势。这种对齐产生一个势能 (U)。载流回路具有磁矩。电子和许多原子核由于它们的量子自旋而具有内禀磁矩。电子通常成对出现，其内禀磁矩相互抵消，但它们仍然可能产生磁偶极子，因为它们旋转（具有轨道角动量），或者由于抵消不完全而产生磁四极子。这些内禀磁矩产生了一些磁性的宏观效应，例如核磁共振。
  具有磁矩的物体产生磁偶极子

• 内禀磁矩：事物本身具有的磁矩。由于内禀角动量。

$F=qVxB$

磁导率：μ

• 磁导率：(μ) 材料响应磁场而磁化的程度。

• 真空磁导率：(μ0)：4π × 10-7 N·A^-2（精确值）。

• 相对磁导率：(μ_r) 材料的磁导率与真空磁导率之比。

$\mu _{r}={\mu \over \mu _{o}}$

• 绝对磁导率 (μ)：= μ0(1 + χ)。亨利/米。

• 磁化率 (χ)：相对磁导率的分数部分。

如果 χ 为正，则磁场增强，材料为顺磁性；如果 χ 为负，则磁场减弱，材料为抗磁性。

$\chi ={\frac {M}{H}},$

顺磁性

顺磁性：(具有磁性) 磁偶极子由于自旋效应而与外部磁场对齐的趋势。通过对齐，偶极子增强了外部磁场。（相对磁导率 > 1，磁化率 10-3 至 10-5）当磁场去除时，热运动会迅速破坏磁对齐。顺磁性作用于原子的每个偶极子，偶极子之间没有相互作用。在受到外部磁场作用时表现得像条形磁铁。

$M=C{B \over T}$

M 为磁化强度，B 为磁通量，T 为绝对温度（开尔文），C 为材料特有的居里常数。增加磁场使顺磁性材料的磁性增强，降低温度则反之。居里定律在饱和度低时是准确的，并且当材料变得饱和时就不再起作用。

抗磁性

• 抗磁性：(抵抗磁性) 电子的轨道运动形成一个具有磁偶极矩的微观电流环。纯抗磁性材料是超导体，超导体是一种没有磁场和没有电阻的相变。

• 迈斯纳效应：磁场从超导体内部被排斥出去。也称为**完全抗磁性**。

• 库珀对：当具有相反自旋的电子由于低能量而配对时。就像原子键合一样。处于库珀对中将电子结合在一起，因此它们不会从材料中的离子散射。这导致材料的电阻变为零。

• 高温超导：在足够高的温度下实现超导，可以使用液氮而不是液氦作为冷却剂。（重要，因为液氮价格便宜且易于获得）

• 超流性：当原子由于自旋而形成库珀对时出现。将固体转变为气体。一种物质状态，其特征是完全没有粘度。因此，放置在闭合回路中的超流体可以在没有摩擦的情况下无限流动。

• 声子：固体中的热能。以振动形式存在。当固体变冷时，它停止振动并形成库珀对。负责电子配对和电导率，即材料导电的程度。

铜，铋

铁磁性

• 磁化强度：在居里温度以上为零。

• 自发磁化：在没有外加磁场的情况下，自旋排列的趋势。

• 铁磁性：（铁磁性）材料表现出自发磁化的现象。最常见且最强的磁性形式之一。存在于条形磁铁和永磁体中。磁矩在磁畴中部分排列。温度升高会导致热波动并破坏排列。在居里温度以上，如果没有外磁场，铁磁畴会熔化（没有净自发磁化），材料变成纯顺磁性。泡利不相容原理导致磁偶极子以较低的能量（称为**交换能**）沿相同方向排列。在一定距离内，偶极子相互排斥。这是磁畴背后的原理。**布洛赫墙**是磁区域之间的过渡。强磁铁会使磁畴排列。

铁、钢、镍、钴以及一些合金和陶瓷。

• 居里温度：铁磁材料发生相变并变成顺磁性的温度。在此温度下，磁化率理论上是无限的。相变。

• 居里点：高于此温度，材料变成顺磁性。当与铁磁性结合时，遵循具有外加磁场的磁滞曲线。用作烙铁的温度控制。

• 居里点：镝 -188 °C 钆 16 °C 镍 358 °C 铁 770 °C 钴 1131 °C

• 反铁磁性：电子的自旋以规则的模式排列。

• 奈尔温度：反铁磁材料发生相变并由于热能而变成顺磁性的温度。

• 自旋玻璃：表现出高度的磁挫败。

• 磁挫败：即使在低温下，其磁结构也是无序的。

永磁体

铁磁材料构成永磁体。

要了解永磁体是如何制造和破坏的，有必要观察铁等磁性材料的微观结构。一块铁由许多许多称为磁畴的小磁体组成。在未磁化的铁中，这些磁畴的北极指向各个方向，以随机的方式排列，但是当铁置于强磁场中时，磁畴会与磁场对齐。铁被磁化。

一旦磁化，即使在从外部磁场中取出后，磁铁自身的磁场也足够强大以保持自身磁化。

磁滞曲线图

磁滞曲线。如果材料加热到其居里点以上，热量会破坏磁性。

• 剩磁：（Bd，Mr）去除磁场后剩余的磁性量。小于外加磁场。

• 剩余磁感应强度

• 保磁性：保留一些剩余磁性。

• 饱和：由于磁场，磁铁中可能发生的磁畴最大排列量。当材料中的大部分偶极子与外部磁场对齐时。

• 矫顽力：将磁铁从饱和状态降低到零所需的磁场强度。

• 磁通密度：以特斯拉 (T) 为单位。

• 磁场强度：安培/米。

• 指南针：一个小的条形磁铁，它自身与外部磁场对齐。讨论地球的磁场，其南极是我们的北极，它如何不断切换且磁场较弱。

• 分子磁体

• 磁滞：当施加外部磁场时，铁磁体吸收部分磁场

并变得更加对齐。当去除磁场时，磁铁保留部分磁场并被磁化。

• 磁滞回线：当交变磁场施加到铁磁材料上时。材料的磁化强度小于磁场。

• 电磁滞：发生在铁电材料中，其中极化畴对总极化做出贡献。极化是电偶极矩（单位为 C·m-2 或 C·m）。

• 电偶极矩

运动电荷

当带负电的粒子（如电子）穿过空间或导线时，它会产生一个在垂直于它的平面上逆时针旋转的磁场。这是安培定律的一部分。对于带正电的粒子，磁场是顺时针方向的。带电粒子运动越快，磁场越大。

电感

自感 当你在电感器中打开直流电时会发生这种情况。

1. 当你打开开关时，电压会非常迅速地（在几毫秒内）升高。
2. 这会导致电流非常迅速地变化。
3. 此电流具有相关的磁场，该磁场也变化非常迅速。
4. 变化迅速的磁场会感应出电动势（法拉第定律），该电动势倾向于阻止电流增加（楞次定律）。但是它不能完全阻止电流增加，只能减缓其增加速度。
5. 一旦电流达到最大值（由电压和导线的普通电阻决定），它就会停止变化，磁场变得恒定，反电动势变为零。

一切平静，直到你试图关闭它

1. 磁场非常突然地崩溃
2. 变化的磁场会感应出反电动势，试图阻止磁场的崩溃（再次是楞次定律）

对于大线圈，电动势可能非常大，可能会产生火花！

对于直流电来说，这并不是真正的问题，除非在打开和关闭时。但是对于交流电，电流一直在变化，因此事物永远不会稳定下来。频率越高，变化越快，因此电感越大。我希望现在这一切都比较清楚。Theresa knott 13:49, 2004年4月30日 (UTC)

电磁铁

一个像条形磁铁一样起作用的磁性软管。随着电流的增加，磁铁对其他磁铁的排斥力变得更强。用作磁性材料的开关，以及拾取报废场中的汽车等磁性材料。

为了制造一个好的电磁铁，我们使用“软铁”芯。软铁具有易于磁化的特性。一旦电流关闭，它也很容易失去磁性。钢也可以用作电磁铁的铁芯，但钢在电流关闭后不会失去磁性。它保持磁化状态。

当电流打开或关闭时，它会产生变化的磁场，进而产生阻碍电流的电压。这是电感的基础。

通过将导线盘绕起来，我们可以制造一个螺线管。螺线管的磁场看起来像普通条形磁铁的磁场。

螺线管本身产生的条形磁铁相当弱，但是如果将一块铁放入螺线管中，磁场就会变得非常强。尝试以下实验

• 将一段包覆塑料的导线缠绕在铅笔上。取下铅笔，然后连接到设置为 1V 直流电流的电源。在导线线圈周围撒上铁粉。将绘图指南针放在导线附近。尝试拾取一个回形针。
• 将一段包覆塑料的导线缠绕在一个大钉子上。重复上述所有实验

你会发现带有铁芯的螺线管比带有空气芯的螺线管强得多。

Q1) 为什么使用包覆塑料的导线很重要？

互感

• 感应电流：磁场产生电流。

• 涡流：由电磁波感应的电流。

互感就像电感，只是来自一个螺线管中电流的磁场除了在自身中产生电压外，还在另一个不同的螺线管中产生电压。

• 变压器：变压器和变压器设计：变压器设计

环形磁芯

环形磁芯图片

环形磁芯是一种绕自身缠绕的螺线管。

环形磁芯：一种磁场包含在其中的甜甜圈形电感器。具有气隙。

环形磁芯是一个由环面封闭的甜甜圈状物体。它具有通过旋转一个圆围绕不与圆相交的轴线生成的环形表面。通常，环形磁芯由一个甜甜圈形状的绝缘线圈组成（通常由铁或类似金属组成）。

环形磁芯是电路中的电感器。它们主要用于低频收发，以满足所需的电感特性。与结构相似的螺线管相比，环形磁芯具有更大的电感特性并承载更大的电流。由于直径和匝数的原因，环形线圈降低了电阻。在环形磁芯中，磁通量被限制在环形磁芯的核心。

环形磁芯放大电流。

磁场和电场

注意磁力和电力的相似之处。电力吸引中性物质（回想一下摩擦过的气球拾起小纸片）。电力有两种形式：正电和负电。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。很久以前，物理学家就意识到这些相似之处很重要。现在认识到电力和磁力是密切相关的力。它们实际上是同一种力的两个不同方面！我们将这种力称为电磁力。电力模块的下一部分可能最难，但也是最有趣的。在学习过程中解决文本中的问题，你就能应对。

变化的电场会产生磁场。相反，变化的磁场会产生电场。

用于产生光子/无线电波

这意味着电流产生磁场，而变化或移动的磁场产生电流。本模块详细介绍了电场和磁场的这一特性。你将学习由导线和螺线管产生的磁场，然后继续学习电动机、发电机和变压器。

任何处于磁场中的带电粒子都会受到一个垂直于磁场和自身速度的力的作用。

到目前为止，我们已经研究了将电流置于磁场中并观察到载流导线上有力的影响。在本页中，我们将研究一种称为感应的相关效应。

讨论直线磁场和电子在圆形路径中的运动。

讨论磁场如何改变带电粒子的路径。

有关电场和磁场的更面向数学的解释，请参阅电动力学。

注释

• 检流计：（镜式检流计）一种非常灵敏的电流计，可以测量微小的电流。

实验结果

磁铁移入线圈。	光点偏向左侧，表明有微弱电流流动。
磁铁留在线圈内部。	光点回到中间，表明没有电流流动。
磁铁从线圈中拉出。	光点偏向右侧，表明再次有电流流动，但这次方向相反。
重复实验，但这次磁铁非常缓慢地插入线圈。	仍然有偏转，但这次比之前小得多，表明流动的电流更小。
磁铁翻转。	结果与上述相同，只是偏转方向相反。
磁铁保持静止，但线圈移动。	结果如上所述。

结论

1. 如果线圈和磁铁之间存在相对运动，则线圈中会产生感应电流。
2. 运动越快，电流越大。
3. 反转磁铁或运动方向会反转感应电流的方向。

正在发生的事情的理论解释（高级）

所以现在我们知道发生了什么，我们必须提出一个解释。请看下面的图。

在此图中，绿线表示一条进入屏幕或页面内的导线。它与两个条形磁铁之间的磁场成直角。导线向下移动，从而“切割”磁力线。这会在导线上感应出一个电动势（电压）。正是这个电动势导致电流流动（如果形成一个完整的电路）。所以现在我们知道为什么会出现电流。它是由感应电压引起的，但为什么会出现电压呢？

这是从正面看到的导线的特写。蓝色圆圈表示磁力线从屏幕或页面中伸出的位置。它们直接从屏幕中伸出来。

导线由金属制成，因此有许多自由电子。当导线向下移动时，每个电子也向下移动。它们有效地形成了大量向下流动的微小电流。从电动机效应我们知道，如果电流流过磁场，就会有力的作用。在这种情况下，力将电子推向右侧。正是所有电子向上移动到导线的右侧导致了电压差。

因此，电动机效应可以感应出电动势。这是磁场感应电动势的两种方式之一。

Q3) 想象一下多匝线圈穿过磁场。每匝线圈上都会感应出自己的电动势。如果将导线连接起来，就像它们是串联的小电池一样。请填写空格“ 随着螺线管绕组数增加，感应电压的值_______________。

当电流流过导线时，它会产生磁场。要看到这一点，请将一个小罗盘放在导线附近并打开电流。罗盘指针会偏转。导线周围磁场的形状是圆形的。请看右侧的图。导线直接从屏幕中伸出来，所以你只能看到它的横截面（红色圆圈）罗盘显示了磁场如何围绕导线缠绕。

增强磁场

要增强磁场，我们可以

• 使用软铁芯
• 增加流过导线的电流

• 增加螺线管的匝数。

反转磁场

要使南北极互换位置，我们可以

• 通过交换电源上的正负极来反转电流方向。
• 以相反的方向缠绕导线。{所以如果你顺时针缠绕，取下它并逆时针缠绕。

说到南北极，有一个小技巧可以找出哪一端是北极，哪一端是南极。

向下看螺线管并确定电流的流动方向。请记住，电流从电源的正极流向负极。如果电流顺时针流动，则该端将是南极。如果看起来像逆时针流动，则该端将是北极。记住这一点的简单方法是在大写字母 N 和 S 的末端加上箭头，如下所示。