磁學(xué)

作者：時(shí)間：2025-03-24 來源：EEPW編譯

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電磁力是當(dāng)電流通過簡單導(dǎo)體（如電線或電纜）時(shí)產(chǎn)生的力。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202503/468483.htm

雖然磁鐵可以由鐵磁材料制成，這些材料吸引（并排斥）其他材料，主要是金屬。磁力是磁鐵在相互吸引或排斥時(shí)施加的力。在導(dǎo)體周圍會(huì)形成一個(gè)小磁場，該磁場的方向相對于其“北極”和“南極”由通過導(dǎo)體的電流方向決定。

磁學(xué)在電氣和電子工程中扮演著重要角色，因?yàn)槿绻麤]有磁學(xué)，繼電器、螺線管、電感器、扼流圈、線圈、揚(yáng)聲器、電機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器和電表等組件將無法工作。

然后，當(dāng)電流通過時(shí)，每一圈電線都會(huì)利用電磁效應(yīng)。但在我們更詳細(xì)地了解磁學(xué)，尤其是電磁學(xué)之前，我們需要回顧一下物理課上關(guān)于磁鐵和磁學(xué)如何工作的內(nèi)容。

磁學(xué)的本質(zhì)

磁鐵可以以磁性礦石的形式在自然狀態(tài)下找到，兩種主要類型是磁鐵礦（也稱為“氧化鐵”，F(xiàn)E3O4）和磁石（也稱為“引導(dǎo)石”）。如果這兩種天然磁鐵用繩子懸掛起來，它們會(huì)與地球磁場保持一致，始終指向北方。

這種效應(yīng)的一個(gè)很好的例子是指南針的指針。對于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用，這些天然磁鐵可以被忽略，因?yàn)樗鼈兊拇判苑浅５停胰缃?，人造磁鐵可以以許多不同的形狀、尺寸和磁力強(qiáng)度生產(chǎn)。

基本上有兩種形式的磁學(xué)，“永磁體”和“臨時(shí)磁體”，使用的類型取決于其應(yīng)用。有許多不同類型的材料可用于制造磁鐵，如鐵、鎳、鎳合金、鉻和鈷，在它們的自然狀態(tài)下，其中一些元素如鎳和鈷本身顯示出非常弱的磁性。

然而，當(dāng)它們與其他材料（如鐵或過氧化鋁）混合或“合金化”時(shí)，它們會(huì)變成非常強(qiáng)的磁鐵，產(chǎn)生不尋常的名稱，如“alcomax”、“hycomax”、“alni”和“alnico”。

非磁性狀態(tài)下的磁性材料的分子結(jié)構(gòu)以松散的磁性鏈或單獨(dú)的小磁鐵松散排列成隨機(jī)模式。這種排列的整體效果導(dǎo)致零或非常弱的磁性，因?yàn)槊總€(gè)分子磁鐵的這種隨意排列往往會(huì)中和其鄰居。

當(dāng)材料被磁化時(shí)，這種隨機(jī)排列的分子會(huì)發(fā)生變化，未對齊的隨機(jī)分子磁鐵會(huì)“排列”起來，以產(chǎn)生一系列磁性排列。這種鐵磁材料的分子排列的想法被稱為韋伯理論，如下圖所示。

一塊鐵和磁鐵的磁性分子排列

磁性分子

韋伯的理論基于所有原子由于原子電子的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作而具有磁性。原子群結(jié)合在一起，使它們的磁場都在同一方向上旋轉(zhuǎn)。磁性材料由圍繞原子的分子級的小磁鐵群組成，磁化材料的大部分小磁鐵將僅在一個(gè)方向上排列，以在一個(gè)方向上產(chǎn)生北極，在另一個(gè)方向上產(chǎn)生南極。

同樣，一個(gè)材料的小分子磁鐵指向所有方向，其分子磁鐵將被其相鄰的磁鐵中和，從而中和任何磁性效應(yīng)。這些分子磁鐵的區(qū)域被稱為“磁疇”。

任何磁性材料本身都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場，這取決于由軌道和旋轉(zhuǎn)電子建立的材料中磁疇的排列程度。這種排列程度可以通過稱為磁化強(qiáng)度M的量來指定。

在未磁化的材料中，M = 0，但一旦磁場被移除，一些磁疇在材料的小區(qū)域內(nèi)仍然保持對齊。對材料施加磁化力的效果是使一些磁疇對齊，產(chǎn)生非零的磁化強(qiáng)度值。

一旦磁化力被移除，材料內(nèi)的磁性將要么保留，要么迅速衰減，這取決于所使用的磁性材料。材料保留其磁性的能力稱為剩磁。

需要保留其磁性的材料將具有相當(dāng)高的剩磁，因此用于制造永磁體，而那些需要迅速失去磁性的材料（如繼電器和螺線管的軟鐵芯）將具有非常低的剩磁。

磁通量

所有磁鐵，無論其形狀如何，都有兩個(gè)稱為磁極的區(qū)域，磁路內(nèi)外的磁性在其周圍產(chǎn)生一系列有組織和平衡的不可見磁力線。這些磁力線統(tǒng)稱為磁鐵的“磁場”。這種磁場的形狀在某些部分比其他部分更強(qiáng)烈，磁鐵中具有最大磁性的區(qū)域稱為“極”。磁鐵的每一端都有一個(gè)極。

這些磁力線（稱為矢量場）不能用肉眼看到，但可以通過將鐵屑撒在一張紙上或使用小指南針來追蹤它們。磁極總是成對出現(xiàn)，磁鐵總有一個(gè)稱為北極的區(qū)域，總有一個(gè)相反的區(qū)域稱為南極。

磁場總是以力線的形式視覺上顯示，在材料的兩端給出一個(gè)明確的極，其中磁力線更密集和集中。組成磁場的線顯示方向和強(qiáng)度，稱為力線或更常見的“磁通量”，并賦予希臘符號(hào)Phi（Φ），如下所示。

條形磁鐵磁場的力線

磁力線中的磁學(xué)

如上所示，磁場在磁鐵的極附近最強(qiáng)，磁力線更緊密地排列。磁通量流動(dòng)的一般方向是從北極（N）到南極（S）。此外，這些磁力線形成閉合環(huán)，離開磁鐵的北極并進(jìn)入南極。磁極總是成對出現(xiàn)。

然而，磁通量實(shí)際上并不從北極流向南極或流向任何地方，因?yàn)榇磐渴谴盆F周圍的靜態(tài)區(qū)域，其中存在磁力。換句話說，磁通量不流動(dòng)或移動(dòng)，它就在那里，不受重力影響。在繪制力線時(shí)出現(xiàn)了一些重要的事實(shí)：

力線從不交叉。

力線是連續(xù)的。

力線總是在磁鐵周圍形成單獨(dú)的閉合環(huán)。

力線有明確的方向，從北到南。

力線靠近在一起表示強(qiáng)磁場。

力線相距較遠(yuǎn)表示弱磁場。

磁力像電力一樣吸引和排斥，當(dāng)兩條力線靠近在一起時(shí)，兩個(gè)磁場之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致以下兩種情況之一發(fā)生：

1. – 當(dāng)相鄰的極相同時(shí)，（北-北或南-南）它們相互排斥。

2. – 當(dāng)相鄰的極不同時(shí)，（北-南或南-北）它們相互吸引。

這種效應(yīng)很容易通過著名的表達(dá)“異性相吸”來記住，并且可以使用鐵屑來展示磁鐵周圍的力線，以展示磁場的相互作用。各種極組合對磁場的影響如下所示，如同極相斥，異極相吸。

同極和異極的磁場

磁極中的磁學(xué)

當(dāng)用指南針繪制磁場線時(shí)，會(huì)看到力線的產(chǎn)生方式是在磁鐵的每一端給出一個(gè)明確的極，其中力線離開北極并重新進(jìn)入南極。磁性可以通過加熱或錘擊磁性材料來破壞，但不能通過簡單地打破磁鐵成兩片來破壞或隔離。

所以如果你拿一個(gè)普通的條形磁鐵并把它分成兩片，你不會(huì)有兩半磁鐵，而是每一片都會(huì)有它自己的北極和南極。如果你拿其中一片再分成兩片，每一片較小的磁鐵都會(huì)有一個(gè)北極和南極，依此類推。無論磁鐵的碎片變得多小，每一片仍然會(huì)有一個(gè)北極和南極，瘋狂！

然后，為了我們在電氣或電子計(jì)算中利用磁學(xué)，有必要定義磁學(xué)的各個(gè)方面。

磁學(xué)的大小

我們現(xiàn)在知道，力線或更常見的磁性材料周圍的磁通量被賦予希臘符號(hào)Phi（Φ），磁通量的單位是韋伯（Wb），以Wilhelm Eduard Weber命名。但在給定單位面積內(nèi)的力線數(shù)量稱為“磁通密度”，由于磁通量（Φ）以（Wb）測量，面積（A）以平方米（m2）測量，因此磁通密度以韋伯/平方米或（Wb/m2）測量，并賦予符號(hào)B。

然而，當(dāng)在磁學(xué)中提及磁通密度時(shí)，磁通密度被賦予特斯拉單位，以Nikola Tesla命名，因此1Wb/m2等于1特斯拉，1Wb/m2 = 1T。磁通密度與力線成正比，與面積成反比，因此我們可以定義磁通密度為：

磁通密度