磁场

磁场是描述磁场对移动电荷、电流、ch1和磁性材料的影响的矢量场。磁场中的运动电荷受到与其自身速度和磁场垂直的力。此外，随位置变化的磁场将通过影响其外部原子电子的运动对一系列非磁性材料施加力。磁场围绕磁化材料，由电流产生，例如用于电磁铁，以及随时间变化的电场。由于磁场的强度和方向都可能随位置而变化，因此它在数学上通过一个函数来描述，该函数将向量分配给空间的每个点，称为向量场。

在电磁学中，术语磁场用于两个不同但密切相关的矢量场，分别用符号B和H表示。在国际单位制中，H，磁场强度，以SI基本单位安培每米（是）。B，磁通密度，单位为特斯拉（SI基本单位：千克每秒2每安培），相当于牛顿每米每安培。H和B在如何解释磁化方面有所不同。在真空中，这两个场通过真空渗透率相关联。

磁场是由移动电荷和与基本量子特性相关的基本粒子的固有磁矩产生的，它们的自旋。：ch1磁场和电场是相互关联的，都是电磁力的组成部分，电磁力是四种基本力之一自然。

磁场在现代技术中被广泛使用，特别是在电气工程和机电中。旋转磁场用于电动机和发电机。变压器等电气设备中的磁场相互作用被概念化并作为磁路进行研究。磁力通过霍尔效应提供有关材料中电荷载流子的信息。地球会产生自己的磁场，它可以保护地球的臭氧层免受太阳风的影响，并且在使用指南针进行导航时非常重要。

电荷上的力取决于它的位置、速度和方向。使用两个矢量场来描述这个力。：ch1xxx个是电场，它描述了作用在静止电荷上的力，并给出了与运动无关的力分量。相反，磁场描述了与带电粒子的速度和方向成正比的力分量。：ch13该场由洛伦兹力定律定义，并且在每一时刻，都垂直于带电粒子的运动它所经历的电荷和力。

有两个不同但密切相关的矢量场，有时都被称为磁场，写成B和H。虽然这些场的最佳名称和对这些场所代表的确切解释一直是长期争论的主题，但有关于基础物理如何工作的广泛共识。从历史上看，术语磁场是为H保留的，而对B使用其他术语，但许多最近的教科书使用术语磁场来描述B以及或代替H。两者都有许多替代名称（见边栏）。

永磁体是产生自身持久磁场的物体。它们由已磁化的铁磁材料（例如铁和镍）制成，并且具有北极和南极。

永磁体的磁场可能相当复杂，尤其是在磁铁附近。小直磁铁的磁场与磁铁的强度（称为磁偶极矩m）成正比。这些方程很重要，并且还取决于与磁铁的距离和磁铁的方向。对于简单的磁铁，m指向从磁铁的南极到北极的直线方向。翻转条形磁铁相当于将其m旋转180度。

较大磁体的磁场可以通过将它们建模为大量称为偶极子的小磁体的集合来获得，每个磁体都有自己的m。磁铁产生的磁场就是这些偶极子的净磁场；磁铁上的任何净力都是单个偶极子上的力相加的结果。

这些偶极子的性质有两个简化模型。这两个模型产生两个不同的磁场，H和B。但是，在材料之外，两者是相同的（与乘法常数相同），因此在许多情况下可以忽略区别。对于不是由磁性材料产生的磁场，例如由电流引起的磁场，尤其如此。

一个真实的磁性模型比这两个模型中的任何一个都复杂。两种模型都不能完全解释材料为何具有磁性。单极模型没有实验支持。安培模型解释了材料的部分磁矩，但不是全部。就像安培模型所预测的那样，原子内电子的运动与这些电子的轨道磁偶极矩有关，而这些轨道矩确实有助于在宏观层面上看到的磁性。然而，电子的运动不是经典的，电子的自旋磁矩（这两个模型都没有解释）也是对磁体总矩的重要贡献。

电荷电流既会产生磁场，又会因磁场B场而感受到力。

在处理整个电流时，上述磁场导出的公式是正确的。然而，放置在磁场内的磁性材料会产生自己的束缚电流，这可能是计算上的挑战。（这个束缚电流是由于原子大小的电流回路和构成材料的亚原子粒子（例如电子）的自旋之和。）上面定义的H场有助于分解出这个束缚电流。但要了解如何，首先介绍磁化的概念会有所帮助。

需要能量来产生磁场，以对抗变化的磁场产生的电场并改变磁场内任何材料的磁化强度。对于非色散材料，当磁场被破坏时会释放相同的能量，因此可以将能量建模为存储在磁场中。一旦知道H和B之间的关系，这个方程就可以用来确定达到给定磁态所需的功。对于铁磁体和超导体等磁滞材料，所需的工作还取决于磁场的产生方式。然而，对于线性非色散材料，一般方程直接导致上面给出的更简单的能量密度方程。

像所有矢量场一样，磁场有两个重要的数学属性，将其与其来源联系起来。（对于B，源是电流和变化的电场。）这两个属性，以及电场的两个相应属性，构成了麦克斯韦方程。麦克斯韦方程与洛伦兹力定律一起构成了对经典电动力学的完整描述，包括电学和磁学。

xxx个属性是矢量场A的散度，∇·A，它表示A如何从给定点向外流动。如上所述，B场线从不在一个点开始或结束，而是形成一个完整的回路。这在数学上相当于说B的散度为零。（这种矢量场称为螺线管矢量场。）这种性质称为磁的高斯定律，相当于没有孤立磁极或磁单极子的陈述。

第二个数学属性称为curl，因此∇×A表示A如何围绕给定点卷曲或循环。卷曲的结果称为循环源。B和E的旋度方程分别称为安培-麦克斯韦方程和法拉第定律。

虽然古代社会知道磁铁和一些磁性特性，但磁场的研究始于1269年，当时法国学者PetrusPeregrinusdeMaricourt使用铁针绘制了球形磁铁表面的磁场。注意到由此产生的场线在两点交叉，他将这些点命名为极点，类似于地球的两极。他还阐明了磁体总是同时具有北极和南极的原理，无论将它们切成多细。

大约三个世纪后，科尔切斯特的威廉吉尔伯特复制了佩特鲁斯佩雷格里努斯的工作，并且是xxx个明确指出地球是磁体的人。：34吉尔伯特的工作《德磁体》于1600年出版，帮助将磁力确立为科学。

1750年，约翰·米歇尔指出，磁极根据平方反比定律吸引和排斥：56Charles-AugustindeCoulomb在1785年通过实验验证了这一点，并明确指出北极和南极不能分开。建立在这种力之间SiméonDenisPoisson(1781–1840)创造了xxx个成功的磁场模型，并于1824年提出。在这个模型中，磁场H场由磁极产生，磁性是由小对南北磁极。

1820年的三项发现挑战了这一磁性基础。HansChristianØrsted证明了载流导线被圆形磁场包围。然后André-MarieAmpère表明，如果电流方向相同，带电流的平行线会相互吸引，如果电流方向相反，则相互排斥。最后，Jean-BaptisteBiot和FélixSavart宣布了关于力的经验结果载流长直导线施加在小磁铁上，确定力与从导线到磁铁的垂直距离成反比。Laplace后来，由于拉普拉斯没有发表他的发现，因此根据导线的微分部分的微分作用推导出了一个力定律，该定律被称为Biot-Savart定律。

扩展这些实验，Ampère于1825年发表了他自己成功的磁性模型。在其中，他展示了电流与磁铁的等效性并提出磁性是由于xxx流动的电流回路而不是泊松磁荷的偶极子的型号。此外，安培导出了描述两个电流之间的力的安培力定律和安培定律，该定律与毕奥-萨伐尔定律一样，正确地描述了由稳定电流产生的磁场。同样在这项工作中，安培引入了术语电动力学来描述电和磁之间的关系。

1831年，迈克尔·法拉第发现了电磁感应，他发现变化的磁场会产生环绕的电场，从而制定了现在称为法拉第感应定律的内容。后来，弗朗茨·恩斯特·诺伊曼证明，对于一个在磁场中运动的导体，感应是安培力定律的结果。在这个过程中，他引入了磁矢量势，后来证明这与法拉第提出的基本机制等价。

1850年，开尔文勋爵（当时称为威廉汤姆森）区分了现在表示为H和B的两个磁场。前者适用于泊松模型，后者适用于安培模型和感应。此外，他推导出H和B如何相互关联并创造了术语渗透性。

1861年至1865年间，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)开发并发表了麦克斯韦方程组，它解释并统一了所有经典的电学和磁学。这些方程的xxx组发表在1861年题为《论物理力线》的论文中。这些方程有效但不完整。麦克斯韦在他后来1865年的论文《电磁场动力学理论》中完成了他的方程组，并证明了光是电磁波的事实。海因里希赫兹在1887年和1888年发表的论文通过实验证实了这一事实。

1887年，特斯拉开发了一种以交流电运行的感应电动机。电机使用多相电流，产生旋转磁场来转动电机（特斯拉声称在1882年设想了这一原理）。特斯拉于1888年5月获得了他的电动机专利。1885年，伽利略费拉里斯独立研究了旋转磁场，随后在都灵皇家科学院的一篇论文中发表了他的研究成果，就在特斯拉获得专利前两个月，1888年3月。

二十世纪表明，经典电动力学已经与狭义相对论一致，并将经典电动力学扩展到与量子力学一起工作。阿尔伯特·爱因斯坦在他1905年建立相对论的论文中表明，从不同的参考系来看，电场和磁场都是相同现象的一部分。最后，将量子力学的出射场与电动力学相结合，形成了量子电动力学，它首先形式化了电磁场能量以光子的形式量子化的概念。