磁场思维导图

一、磁场的概念与产生

• 定义：
  • 存在于磁体、电流或变化电场周围的一种特殊物质，能传递磁力。
  • 是描述磁相互作用的物理量，是一种场。
• 产生原因：
  • 运动的电荷：
    • 本质：电荷的相对论效应。
    • 电流：大量定向移动的电荷。
    • 电荷加速运动：会产生变化的磁场。
  • 永磁体：
    • 内部存在未抵消的原子磁矩，宏观表现为磁性。
    • 原子磁矩源于电子的自旋和轨道运动。
    • 分子电流假说：永磁体内部存在大量的分子电流。
  • 变化电场：
    • 麦克斯韦预言：变化的电场会产生磁场。
    • 这是电磁波产生的基本原理。
• 磁场的基本性质：
  • 对运动电荷的作用力：洛伦兹力。
    • 方向：垂直于速度和磁场方向，遵循左手定则。
    • 大小：f = qvBsinθ，其中θ是速度和磁场方向的夹角。
    • 当速度与磁场平行时，不受磁场力作用。
    • 只改变速度方向，不改变速度大小（不做功）。
  • 对载流导线的作用力：安培力。
    • 方向：垂直于电流和磁场方向，遵循左手定则。
    • 大小：F = BILsinθ，其中θ是电流和磁场方向的夹角。
    • 可以用来定义磁感应强度B。
  • 对磁体的作用力：磁极间的相互作用。
    • 同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。
    • 磁偶极子在非均匀磁场中受到力矩和力的作用。
• 磁场的分类：
  • 恒定磁场：
    • 磁场强度和方向不随时间变化的磁场。
    • 例如：永磁体的磁场，稳恒电流的磁场。
  • 变化磁场：
    • 磁场强度和/或方向随时间变化的磁场。
    • 例如：交流电产生的磁场，电磁波。
  • 均匀磁场：
    • 磁场中各点磁感应强度的大小和方向都相同的磁场。
    • 可以用平行且等间距的磁感线表示。
  • 非均匀磁场：
    • 磁场中各点磁感应强度的大小和/或方向不相同的磁场。

二、磁感应强度 B

• 定义：
  • 描述磁场强弱和方向的物理量。
  • 定义式：B = F / (ILsinθ)，其中F是载流导线受到的安培力，I是电流强度，L是导线长度，θ是电流和磁场方向的夹角。
• 单位：
  • 特斯拉（Tesla，T）。
  • 1 T = 1 N / (A·m)
• 方向：
  • 小磁针静止时，N极所指的方向。
  • 可用磁感线表示，磁感线方向为磁感应强度的方向。
• 磁感线：
  • 假想的曲线，用来形象地描述磁场。
  • 疏密程度表示磁场强弱，磁感线越密磁场越强。
  • 磁感线是闭合曲线，在磁体外部从N极指向S极，在磁体内部从S极指向N极。
  • 磁感线不相交。
  • 匀强磁场的磁感线是平行且等间距的直线。
• 磁通量 Φ：
  • 定义：通过某一面积的磁感线条数。
  • 公式：Φ = BAcosθ，其中B是磁感应强度，A是面积，θ是磁场方向与面积法线方向的夹角。
  • 单位：韦伯（Weber，Wb）。 1 Wb = 1 T·m²
  • 磁通量的变化是电磁感应现象的基础。

三、常见磁场

• 条形磁铁/蹄形磁铁的磁场：
  • 磁感线从N极发出，回到S极。
  • 磁极附近磁场最强。
• 螺线管（通电线圈）的磁场：
  • 类似于条形磁铁的磁场。
  • 磁感线从一端发出，回到另一端。
  • 螺线管内部磁场近似为匀强磁场，方向平行于螺线管轴线。
  • 磁场强度与电流强度、线圈密度有关。
• 环形电流的磁场：
  • 磁感线为闭合曲线，环绕电流。
  • 环中心磁场强度最大。
  • 可用右手螺旋定则判断磁场方向。
• 地球磁场：
  • 地球是一个巨大的磁体。
  • 地磁两极与地理两极不重合，存在地磁偏角。
  • 地球磁场对带电宇宙粒子的运动有影响。

四、磁场与电流的相互作用

• 电流的磁效应：
  • 奥斯特实验：电流周围存在磁场。
  • 是电磁学的基本发现之一。
• 安培力：
  • 磁场对载流导线的作用力。
  • 方向：用左手定则判断。
  • 大小：F = BILsinθ
  • 应用：电动机、扬声器。
• 洛伦兹力：
  • 磁场对运动电荷的作用力。
  • 方向：用左手定则判断（正电荷）。负电荷方向相反。
  • 大小：f = qvBsinθ
  • 应用：质谱仪、回旋加速器、磁流体发电。
• 电磁感应：
  • 闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，电路中会产生感应电动势，从而产生感应电流。
  • 法拉第电磁感应定律：E = nΔΦ/Δt。
  • 应用：发电机、变压器。
• 电磁波：
  • 变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，电磁场以波的形式在空间传播。
  • 麦克斯韦方程组：描述电磁场的基本规律。
  • 应用：无线电通信、微波炉、雷达。

五、磁场的应用

• 电动机：
  • 利用安培力，将电能转化为机械能。
  • 结构：线圈、磁铁、换向器。
• 发电机：
  • 利用电磁感应，将机械能转化为电能。
  • 结构：线圈、磁铁。
• 变压器：
  • 利用电磁感应，改变交流电压。
  • 结构：两个线圈绕在同一个铁芯上。
• 质谱仪：
  • 利用磁场对运动电荷的偏转，分离不同质量的离子。
• 回旋加速器：
  • 利用磁场对运动电荷的偏转，加速带电粒子。
• 磁悬浮列车：
  • 利用磁铁间的相互作用，使列车悬浮。
• 核磁共振（NMR）：
  • 利用磁场对原子核自旋的相互作用，进行物质结构分析。
• 磁记录：
  • 利用磁性材料记录信息，如磁盘、磁带。
• 医疗应用：
  • 磁共振成像（MRI）：利用磁场和射频信号，获得人体内部图像。
  • 磁疗：利用磁场治疗疾病，尚存在争议。