OCR A-Level 物理/场、粒子与物理学前沿/磁场

为了回答考试中的相关问题，必须理解磁场和相关的概念，例如磁通量和磁通密度。

磁力线

与电场一样，磁场可以用磁力线表示。磁力线的方向表示磁场的方向，而磁力线的密度表示磁场强度（称为“磁通密度”）。

载流导线的磁力线呈以导线为中心的同心圆，磁场方向由右手螺旋定则决定。根据这个规则，如果将右手的大拇指指向导线中电流的常规方向，则手指绕大拇指握紧的方向就是磁场的方向。

螺线管（线圈）内部的磁场是均匀的，磁场方向从南极指向北极。线圈外部还有弯曲的磁力线，方向从北极指向南极。

对于任何磁场，磁力线都从北极开始，指向南极。磁力线是平滑的曲线，从不接触或交叉。磁力线的间距表示磁场强度，磁力线越密，磁场越强。

左手定则描述了磁场方向、载流导线中电流方向以及导线所受力的关系。该定则指出，如果将左手的拇指、食指和中指相互垂直，拇指指向导线所受力的方向，食指指向磁场方向从北极指向南极，中指指向导体内部电流方向（+到-），则可以得出导线所受力的方向。

在物理学中，仅仅依靠左手定则是不够的，了解磁力的量级也很重要。磁力的计算公式为 $F=BILsin(\theta )$ ，其中 F 表示导线所受的力，I 为导线中的电流，L 为导线的长度。希腊字母 θ 用于表示磁场方向与导线中电流方向之间的夹角。

磁通密度 (B) 用于描述磁场的强度，其 SI 单位为特斯拉 (T)。磁通密度的定义为 B=F/IL，其中 F 为载流导体所受的力，I 为导体中的电流，L 为导体在磁场中的长度。当 F = 1N，I = 1A 且 L = 1m 时，B 的值为 1 特斯拉。

作用于带电粒子在垂直于磁场方向穿过磁场时所受的磁力由 F=BQv 给出，其中 B 为磁通密度，Q 为电荷，v 为粒子的速度。

该公式的推导如下

与电场不同，在磁场中，作用于穿过磁场的带电粒子的力始终垂直于运动方向。这意味着带电粒子将经历圆周运动，磁力作为向心力。

因此，涉及磁场的题目经常需要使用模块 G484 中学习的圆周运动公式。
$F={\frac {mv^{2}}{r}};a={\frac {v^{2}}{r}};v={\frac {2\pi r}{T}}$

测量带电粒子在均匀磁场中运动路径的一个关键应用是质谱法，这是一种在化学、物理学和材料科学中重要的技术，用于测量离子的质量及其在样品中的相对丰度。

在质谱法中，原子样本在真空环境中被电离，然后在均匀磁场中偏转。离子所遵循的圆周运动半径与其质量成正比，因此，使用照相底片检测离子的运动路径后，就可以很容易地确定离子的质量。

穿过表面的磁通量 (Φ) 定义为磁通密度乘以垂直于磁场的表面的横截面积的成分。磁通量的单位是韦伯 (Wb)，其中 1 Wb 是当磁通密度为 1T 的磁场垂直于表面穿过面积为 1 m² 的表面时产生的磁通量。

虽然上面的定义是考试中预期的，但国际计量局定义的韦伯的官方定义是

韦伯是磁通量，当它穿过一个单匝线圈时，如果它在 1 秒内以均匀速率降至零，将在线圈中产生 1 伏特的电动势。

磁通量的公式为： $\phi =BAcos(\theta )$ ，其中 θ 是表面与磁场法线的夹角。