| 词条 | 磁场 |
| 释义 | § 定义 磁场对放入其中的小磁针有磁力的作用的物质叫做磁场。磁场是一种看不见，而又摸不着的特殊物质。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。[1] § 基本概述 磁场磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力，磁场对电流、对磁体的作用力或力矩皆源于此。而现代理论则说明，磁力是电场力的相对论效应。 与电场相仿，磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场，描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量B，也可以用磁感线形象地图示。然而，作为一个矢量场，磁场的性质与电场颇为不同。运动电荷或变化电场产生的磁场，或两者之和的总磁场，都是无源有旋的矢量场，磁力线是闭合的曲线族，不中断，不交叉。换言之，在磁场中不存在发出磁力线的源头，也不存在会聚磁力线的尾闾，磁力线闭合表明沿磁力线的环路积分不为零，即磁场是有旋场而不是势场（保守场），不存在类似于电势那样的标量函数。 磁感应强度：与磁力线方向垂直的单位面积上所通过的磁力线数目，又叫磁力线的密度，也叫磁通密度，用B表示，单位为特（斯拉）T。磁场 磁通：磁通是通过某一截面积的磁力线总数，用Φ表示，单位为韦（伯）Wb。通过一线圈的磁通的表达式为：Φ=B*S（其中B为磁感应强度，S为该线圈的面积。） 磁场方向：规定小磁针的北极在磁场中某点所受磁场力的方向为该电磁场的方向。 磁感线：在磁场中画一些曲线，使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同，这些曲线叫磁力线。磁力线是闭合曲线。规定小磁针的北极所指的方向为磁力线的方向。磁铁周围的磁力线都是从N极出来进入S极，在磁体内部磁力线从S极到N极。 电磁场是电磁作用的媒递物，是统一的整体，电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电磁场以波动形式在空间传播。电磁波以有限的速度传播，具有可交换的能量和动量，电磁波与实物的相互作用，电磁波与粒子的相互转化等等，都证明电磁场是客观存在的物质，它的“特殊”只在于没有静质量。 磁现象是最早被人类认识的物理现象之一，指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的，地球，恒星(如太阳)，星系（如银河系），行星、卫星，以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。为了认识和解释其中的许多物理现象和过程，必须考虑磁场这一重要因素。在现代科学技术和人类生活中，处处可遇到磁场，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。地球的磁级与地理的两极相反。 § 历史 最早出现的几副磁场绘图之一，绘者为勒内·笛卡儿，1644年。虽然很早以前，人类就已知道磁石和其奥妙的磁性，最早出现的几个学术性论述之一，是由法国学者皮埃·德马立克（Pierre de Maricourt）于公元1269 年写成[notes 3]。德马立克仔细标明了铁针在块型磁石附近各个位置的定向，从这些记号，又描绘出很多条磁场线。他发现这些磁场线相会于磁石的相反两端位置，就好像地球的经线相会于南极与北极。因此，他称这两位置为磁极[2]。几乎三个世纪后，威廉·吉尔伯特主张地球本身就是一个大磁石，其两个磁极分别位于南极与北极。出版于1600 年，吉尔伯特的巨著《论磁石》（De Magnete）开创磁学为一门正统科学学术领域。 于1824年，西莫恩·泊松发展出一种物理模型，比较能够描述磁场。泊松认为磁性是由磁荷产生的，同类磁荷相排斥，异类磁荷相吸引。他的模型完全类比现代静电模型；磁荷产生磁场，就如同电荷产生电场一般。这理论甚至能够正确地预测储存于磁场的能量。 尽管泊松模型有其成功之处，这模型也有两点严峻瑕疵。第一，磁荷并不存在。将磁铁切为两半，并不会造成两个分离的磁极，所得到的两个分离的磁铁，每一个都有自己的指南极和指北极。第二，这模型不能解释电场与磁场之间的奇异关系。 于1820年，一系列的革命性发现，促使开启了现代磁学理论。首先，丹麦物理学家汉斯·奥斯特于7月发现载流导线的电流会施加作用力于磁针，使磁针偏转指向。稍后，于9月，在这新闻抵达法国科学院仅仅一周之后，安德烈-玛丽·安培成功地做实验展示出，假若所载电流的流向相同，则两条平行的载流导线会互相吸引；否则，假若流向相反，则会互相排斥。紧接着，法国物理学家让-巴蒂斯特·毕奥和菲利克斯·沙伐于10月共同发表了毕奥-萨伐尔定律；这定律能够正确地计算出在载流导线四周的磁场。 1825年，安培又发表了安培定律。这定律也能够描述载流导线产生的磁场。更重要的，这定律帮助建立整个电磁理论的基础。于1831年，麦可·法拉第证实，随着时间演进而变化的磁场会生成电场。这实验结果展示出电与磁之间更密切的关系。 从1861年到1865之间，詹姆斯·麦克斯韦将经典电学和磁学杂乱无章的方程加以整合，发展成功麦克斯韦方程组。最先发表于他的1861年论文《论物理力线》，这方程组能够解释经典电学和磁学的各种现象。在论文里，他提出了“分子涡流模型”，并成功地将安培定律加以延伸，增加入了一个有关于位移电流的项目，称为“麦克斯韦修正项目”。由于分子涡包具有弹性，这模型可以描述电磁波的物理行为。因此，麦克斯韦推导出电磁波方程。他又计算出电磁波的传播速度，发现这数值与光速非常接近。警觉的麦克斯韦立刻断定光波就是一种电磁波。后来，于1887年，海因里希·赫兹做实验证明了这事实。麦克斯韦统一了电学、磁学、光学理论。 虽然，有了极具功能的麦克斯韦方程组，经典电动力学基本上已经完备，在理论方面，二十世纪带来了更多的改良与延伸。阿尔伯特·爱因斯坦，于1905年，在他的论文里表明，电场和磁场是处于不同参考系的观察者所观察到的同样现象（帮助爱因斯坦发展出狭义相对论的思想实验，关于其详尽细节，请参阅移动中的磁铁与导体问题）。后来，电动力学又与量子力学合并为量子电动力学。 § 类型 磁场 1、恒定磁场 磁场强度和方向保持不变的磁场称为恒定磁场或恒磁场，如铁磁片和通以直流电的电磁铁所产生的磁场。 2、交变磁场 磁场强度和方向在规律变化的磁场，如工频磁疗机和异极旋转磁疗器产生的磁场。 3、脉动磁场 磁场强度有规律变化而磁场方向不发生变化的磁场，如同极旋转磁疗器、通过脉动直流电磁铁产生的磁场。 4、脉冲磁场 用间歇振荡器产生间歇脉冲电流，将这种电流通入电磁铁的线圈即可产生各种形状的脉冲磁场。脉冲磁场的特点是间歇式出现磁场，磁场的变化频率、波形和峰值可根据需要进行调节。 恒磁场又称为静磁场，而交变磁场，脉动磁场和脉冲磁场属于动磁场。磁场的空间各处的磁场强度相等或大致相等的称为均匀磁场，否则就称为非均匀磁场。离开磁极表面越远，磁场越弱，磁场强度呈梯度变化。 § 电磁场 电磁场electromagneticfield 有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。 § 地磁场 磁场地磁场geomagneticfield 从地心至磁层顶的空间范围内的磁场。地磁学的主要研究对象。人类对于地磁场存在的早期认识，来源于天然磁石和磁针的指极性。磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为S极）吸引着磁针的N极，地球的南磁极（磁性为N极）吸引着磁针的S极。这个解释最初是英国W.吉伯于1600年提出的。吉伯所作出的地磁场来源于地球本体的假定是正确的。这已为1839年德国数学家C.F.高斯首次运用球谐函数分析法所证实。 地磁场是一个向量场。描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要3个独立的地磁要素。常用的地磁要素有7个，即地磁场总强度F，水平强度H，垂直强度Z，X和Y分别为H的北向和东向分量，D和I分别为磁偏角和磁倾角。其中以磁偏角的观测历史为最早。在现代的地磁场观测中，地磁台一般只记录H，D，Z或X，Y，Z。 近地空间的地磁场，像一个均匀磁化球体的磁场，其强度在地面两极附近还不到1高斯，所以地磁场是非常弱的磁场。地磁场强度的单位过去通常采用伽马（γ），即10高斯。1960年决定采用特斯拉作为国际测磁单位，1高斯＝10^(-4)特斯拉（T），1伽马＝10^(-9)特斯拉＝1纳特斯拉（nT），简称纳特。地磁场虽然很弱，但却延伸到很远的空间，保护着地球上的生物和人类，使之免受宇宙辐射的侵害。 地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们在成因上完全不同。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，变化非常缓慢。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球外部，并且很微弱。地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁场总强度的90％，产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程，即自激发电机效应。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域，平均强度约占地磁场的10％。地磁异常又分为区域异常和局部异常，与岩石和矿体的分布有关。 地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化，其场源分布在电离层中。干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等，场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，持续时间约为1～3天，幅度可达10纳特。其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区内。除外源场外，变化磁场还有内源场。内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。将高斯球谐分析用于变化磁场，可将这种内、外场区分开。根据变化磁场的内、外场相互关系，可以得出地球内部电导率的分布。这已成为地磁学的一个重要领域，叫做地球电磁感应。 地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系，又和地壳上地幔的电性结构有关，所以在空间物理学和固体地球物理学的研究中都具有重要意义。 § 模拟地球磁场 磁场电脑模拟系统破解地球磁场南北颠倒之谜 美国《国家地理杂志》发表文章解释了地球磁场“南北颠倒”的原因。1845年德国数学家卡尔·高斯开始记录地球磁场数据，与那时相比，今天的磁场强度减弱了近10%左右。而且这种势头还将继续。 电脑模拟系统“助阵”科学家说，这种现象并不罕见。在过去的数十亿年中，地球磁场曾多次发生翻转，这可以在地球岩石中找到大量证据。而他们在最近几十年中发展的电脑模拟系统，可以很好地演示这个翻转过程。美国加州大学的地球科学和磁场专家加里·格拉兹迈尔说：“我们可以在岩石上看到翻转的情形，可是岩石不会告诉我们为什么。电脑模拟系统能说明这一切。”这一系统就是格拉兹迈尔和他的同事保尔·罗伯兹共同研发的。从地质记录来看，地球磁场平均大约每20万年翻转一次，不过时间也可能相差很大，并不固定，上一次磁场翻转是在78万年前。 专家认为，地球磁场来自地球深处的地心部分。固体的地心四周是处在熔解状的铁和镍液体。地心在金属液中的运动，产生了电流，形成了地球磁场。而该磁场屏蔽了宇宙射线，主要是太阳风暴对地球的袭击，保护了地球生命的延续。科学家发现，火山岩浆凝固时，其中的铁总是按磁场方向排列。专家把这一现象称为地球动力学，地 磁场球磁场是由地球动力支配的，他们根据这一理论发展的电脑模拟系统发现，地心周围的液体物质，总是处在不稳定状态，以非常缓慢的速度转动，一般大约每年移动一度。然而在受到某种干扰时，这个速度会变得越来越快，使原有的磁场偏离极地越来越远，最后发生南北极互换的现象。 美国约翰·霍普金斯大学的地球物理学家皮特·奥森正在严密关注地球磁场的变化。他说，随着时间的推移，我们能够追踪到它的轨迹。就像飓风预报一样，我们会知道翻转现象什么时候发生。加里·格拉兹迈尔安慰大家说：“这个现象曾发生过多次了，生命不会因此灭绝的。”新闻背景磁场颠倒将危及生物磁场颠倒将危及到生物。首先，许多依靠鉴别地球南北极而迁徙的动物将会“乱了方寸”。 几万年来，蜜蜂、鸽子、鲸鱼、鲑鱼、红龟、津巴布韦鼹鼠等动物一直依赖先天性的本能在磁场的指引下秋移春返，一旦磁场消失，它们的命运很难预测。而对于人类来说，最致命的打击莫过于直接暴露在强烈的紫外线辐射之下。届时，皮肤癌等各种灾难都将降临。[2] § 最新应用 可降低人类血液黏度 美国天普大学物理学家陶荣家（音译）指出，利用磁场可降低人类血液黏度。研究论文发表在近日出版的《物理评论E辑》上。目前，稀释血液的唯一方法是利用阿司匹林等药物，但这些药会带来副作用。曾发明过用电场或磁场降低发动机或管道中油脂黏度这一方法的天普大学教授陶荣家将这种方法推广到血液黏度的控制中，通过测试大量血液样本后发现，利用磁场也可稀释人类循环系统中的血液。 红细胞含铁 因为红细胞含铁，施加磁场能将红血细胞极化，使它们以短链、流线运动的形式连在一起，由于这些短链比单个的血细胞要大，它们向着中心流下来时，与血管壁的摩擦就会减少。这种连接效果降低了血液黏度，有助于它们更加顺畅地流动。给血液施加一个1.3特斯拉的磁场约1分钟，就能将血液黏稠度降低20%到30%，且这个强度只相当于核磁共振成像的磁场强度。当磁场被移开时，血液在血管中会慢慢恢复为原来的黏稠状态，但这要经过几个小时。 不仅安全还可重复 “通过选择合适的磁场强度和脉冲时间，我们就能控制红细胞聚集成链的大小，由此控制血液黏度。这种磁流变的方法提供了一个有效的途径，能在可选择的范围内控制血液黏度。”陶荣家解释说，这种方法不仅安全，还可重复，可以通过多次施加磁场的方式来降低血液黏度，而且黏度降低并不影响红细胞的正常功能。陶荣家还表示，该方法仍需要进一步研究，以此为基础能最终开发出一种预防心脏病发作的新疗法。[3] § 视频 |
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