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    磁场[物理概念]

    磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质,磁场不是由原子或分子组成的,但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。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,所以两磁体不用在物理层面接触就能发生作用。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电场的变化而产生的。用现代物理的观点来考察,物质中能够形成电荷的终极成分只有电子(带单位负电荷)和质子(带单位正电荷) ,因此负电荷就是带有过剩电子的点物体,正电荷就是带有过剩质子的点物体。运动电荷产生磁场的真正场源是运动电子或运动质子所产生的磁场。例如电流所产生的磁场就是在导线中运动的电子 所产生的磁场。

    编辑摘要

    目录

    汉语解释/磁场[物理概念] 编辑

    1. 传递实物间磁力作用的场。

    2. 借指有巨大吸引力的场所。《花城》1981年第6期:“离开祖国已有两个半月,那边有我的依恋,我怎么能留下呢?但这里却出现了一个磁场。”

    磁现象

    永磁体——磁铁的性质

    永磁体具有磁性(magnetism),能吸引铁、钴、镍等物质;

    永磁体具有磁极(magnetic pole),分磁北极N 和磁南极S ;

    磁极之间存在相互作用,同性相斥,异性相吸;

    磁极不能单独存在.

    历史沿革/磁场[物理概念] 编辑

    最早出现的几副磁场绘图之一,绘者为勒内·笛卡尔,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,这模型也有两点严重瑕疵。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。

    强磁场在铁磁流体显示正常场不稳定性 强磁场在铁磁流体显示正常场不稳定性

    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·鲁道夫·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。

    1820年丹麦物理学家奥斯特发现在通电的导体周围存在着磁场,从而知道了电和磁相互依存的关系。由导体中电流所产生的磁场的极性和电流的流动方向有关,它服从右手法则。

    产生原理/磁场[物理概念] 编辑

    由于经典物理中至今还拒绝使用基本粒子的概念来研究磁场问题,致使电磁学和电动力学都将产生磁场的原因定义为点电荷的定向运动,并将磁铁的成因解释为磁畴。现代物理证明,任何物质的终极结构组成都是电子(带单位负电荷),质子(带单位正电荷)和中子(对外显示电中性)。[1]点电荷就是含有过剩电子(带单位负电荷)或质子(带单位正电荷)的物质点,因此电流产生磁场的原因只能归结为运动电子产生磁场。

    一个静止的电子具有静止电子质量和单位负电荷,因此对外产生引力和单位负电场力作用。当外力对静止电子加速并使之运动时,该外力不但要为电子的整体运动提供动能,还要为运动电荷所产生的磁场提供磁能。可见,磁场是外力通过能量转换的方式在运动电子内注入的磁能物质。电流产生磁场或带负电的点电荷产生磁场都是大量运动电子产生磁场的宏观表现。

    同样道理,由一个运动的带正电的点电荷所产生的磁场,是其中过剩的质子从外力所获取的磁能物质的宏观体现。但其磁能物质又分别依附于其中带有电荷的夸克。

    磁感线分布(磁场示意图) 磁感线分布(磁场示意图)

    传递运动电荷或电流之间相互作用的物理场, 由运动电荷或电流产生,同时对产生场中其它运动电荷或电流发生力的作用。磁场是物质的一种形态。

    磁铁与磁铁之间,通过各自产生的磁场,互相施加作用力和力矩于对方。运动中的电荷会产生磁场。磁性物质产生的磁场可以用电荷运动模型来解释。

    电场是由电荷产生的。电场与磁场有密切的关系;有时磁场会生成电场,有时电场会生成磁场。麦克斯韦方程组可以描述电场、磁场、产生这些矢量场的电流和电荷,这些物理量之间的详细关系。根据狭义相对论,电场和磁场是电磁场的两面。设定两个参考系A和B,相对于参考系A,参考系B以有限速度移动。从参考系A观察为静止电荷产生的纯电场,在参考系B观察则成为移动中的电荷所产生的电场和磁场。

    基本特点/磁场[物理概念] 编辑

    与电场相仿, 磁场是在一定空间区域内连续分布的向量场,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表示。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簇,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。

    在量子力学里,科学家认为,纯磁场(和纯电场)是虚光子所造成的效应。以标准模型的术语来表达,光子是所有电磁作用的显现所依赖的媒介。在低场能量状况,其中的差别是可以忽略的。

    磁场的运动相对性/磁场[物理概念] 编辑

    磁场的运动相对性是指与场源同速运动的观察者及其检测仪器都不能测到运动中的场源所产生的磁场,而与场源不同速时则可测到场源的磁场。例如在地球表面参考系中,我们测定静止于地球表面的电子不产生磁场,但是这个静止于地球表面的电子却在不停地随同地表进行自转并围绕太阳公转。[2]又例如,使导线对外产生磁场的电流是大量电子定向运动的结果。该载流导线在对外产生磁场的同时,其中的每一个运动电子并不被与其同行的其它电子的磁场所干扰,因为所有同行的电子都具有同等磁化而无法感受到其它电子磁场的存在。

    主要功能/磁场[物理概念] 编辑

    地磁场 地磁场

    磁场是对放入其中的磁体有磁力的作用的物质叫做磁场,磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力,即通电导体在磁场中受到磁场的作用力。磁场对电流、对磁体的作用力或力距皆源于此。而现代理论则说明,磁力是电场力的相对论效应,受到磁性影响的区域,显示出穿越该区域的电荷或置于该区域中的磁极会受到机械力的作用。

    当施加外磁场于物质时,磁性物质的内部会被磁化,会出现很多微小的磁偶极子。磁化强度估量物质被磁化的程度。知道磁性物质的磁化强度,就可以计算出磁性物质本身产生的磁场。创建磁场需要输入能量。当磁场被湮灭时,这能量可以再回收利用,因此,这能量被视为储存于磁场。

    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。

    磁感应强度是用来表示磁场的强弱和方向的物理量,是矢量,单位:(T),1T=1N/A?m。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。

    磁场方向/磁场[物理概念] 编辑

    三维磁场图 三维磁场图

    规定小磁针的北极在磁场中某点所受磁场力的方向为该点磁场的方向 在磁体外部,磁感线从北极出发到南极的方向,在磁体内部是由南极到北极,在外可表现为磁感线的切线方向或放入磁场的小磁针在静止时北极所指的方向!磁场的南北极与地理的南北极正好相反,且一端的两种极之间存在一个偏角,称为磁偏角。磁偏角不断地发生缓慢变化。掌握磁偏角的变化对于应用指南针指向具有重要意义。磁偏角最早是由我国宋代科学家沈括发现,他将这个写入《梦溪笔谈》。书中指出“常微偏东,不全南也”。

    应用领域/磁场[物理概念] 编辑

    透过铁粉显示出的磁场线。 透过铁粉显示出的磁场线。

    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。

    在古今社会里,很多对世界文明有重大贡献的发明都涉及到磁场的概念。地球能够产生自己的磁场,这在导航方面非常重要,因为指南针的指北极准确地指向位置在地球的地理北极附近的地磁南极(地理北极实际上是地磁南极,地理南极实际上是地磁北极)。电动机和发电机的运作都依赖因磁铁转动而随着时间改变的磁场。通过霍尔效应,可以给出物质的带电粒子的性质。磁路学专门研讨,各种各样像变压器一类的电子元件,其内部磁场的相互作用。[3]

    主要种类/磁场[物理概念] 编辑

    计算机模拟演示地球的磁场 计算机模拟演示地球的磁场

    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。

    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。

    常见磁场/磁场[物理概念] 编辑

    以下是两种常见的磁场:

    电磁场

    电磁场(electromagnetic field)是有内在联系、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。

    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。

    在电磁学里,磁石、磁铁、电流、含时电场,都会产生 磁场[1]。处于磁场中的磁性物质或电流,会因为磁场的作用而感受到磁力,因而显示出磁场的存在。磁场是一种矢量场;磁场在空间里的任意位置都具有方向和数值大小。

    主要应用领域

    电磁场(或波)为能量一种形式,是当今世界最重要的能源,研究领域涉及电磁能产生、存储、变换、传输和应用。

    电磁波作为信息的载体,成为信息发布与通信的主要手段,研究内容包括信息发布、交换、传输、储存、处理、再现和应用.

    电磁波作为探测未知世界的一种重要手段,主要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性、目标探测及其特征的获取。

    电磁波作为测控和定位技的手段,构成现代工业、交通、国防等领域的应用基础[4]

    电、磁现象是大自然最重要的往来现象,也最早被科学家们关心和研究的物理现象,其中贡献最大的有来顿、富兰克林、伏打等科学家。

    19世纪以前,电、磁现象作为两个独立的物理现象被广泛的关注和研究。正是由于这些研究为电磁学理论的建立奠定了基础。18世纪末期,德国哲学家谢林认为,宇宙是有活力的, 而不是僵死的, 认为电是宇宙的活力和灵魂;电-磁-光-热现象相互联系。奥斯特是谢林的信徒,从1807年开始研究电与磁之间的关系。1820年发现电流以力作用于磁针安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直,并定量建立了若干数学公式。这表明,电流与磁之间存在着密切的联系。法拉第相信电、磁、光、热相互 联系。奥斯特1820年发现电流以力作用于磁针后,法拉第敏锐地意识到磁也一定能够对电产生影响。1821年他开始探索磁生电效应。1831年他发现;当磁捧插入导体线圈时;线圈中产生电流。表明电与磁之间存在密切联系。麦克斯韦深入研究并探讨了电与磁之间发生作用的问题,发展了场的概念。在法拉第实验的基础上,总结了宏观电磁现象规律,引进位移电流的概念,提出了一组描述电磁现象的规律偏微分方程,即麦克斯韦方程组,建立了宏观经典电磁场理论德国科学家赫兹, 1887 年用火花隙激励一个环状天线,用另一个带隙的环状天线接收,证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言,这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场和电磁波理论的应用与发展时代。[4]

    地磁场

    一个指向右方的磁偶极子的磁场线。 一个指向右方的磁偶极子的磁场线。

    地磁场(geomagnetic field)是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。地磁的北磁极在地理的南极附近;地磁的南磁极在地理的北极附近。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。

    地磁的磁感线和地理的经线是不平行的,它们之间的夹角叫做磁偏角。中国古代的著名科学家沈括是第一个注意到磁偏角现象的科学家。

    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。

    地球核心的流体部分对地球磁场的影响 地球核心的流体部分对地球磁场的影响

    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。

    宇宙磁场/磁场[物理概念] 编辑

    太阳

    太阳普遍磁场指日面宁静区的微弱磁场,强度约1×10~3×10特斯拉,它在太阳南北两极区极性相反,观测发现,通过光球的大多数磁通量管被集中在太阳表面称作磁元的区域,其半径为100~300千米,场强为0.1~0.2特斯拉,大多数磁元出现在米粒和超米粒边界及活动区内。如果把太阳当做一颗恒星,可测到它的整体磁场约3×10-5特斯拉,这个磁场是东西方向的。

    太阳活动区磁场

    太阳黑子磁场 太阳黑子磁场

    太阳黑子磁场

    一般说来,一个黑子群中有两个主要黑子,它们的磁极性相反。如果前导黑子是N极的,则后随黑子就是S极的。在同一半球(例如北半球),各黑子群的磁极性分布状况是相同的;而在另一半球(南半球)情况则与此相反。在一个太阳活动周期(约11年)结束、另一个周期开始时,上述磁极性分布便全部颠倒过来。因此,每隔22年黑子磁场的极性分布经历一个循环,称为一个磁周。强磁场是太阳黑子最基本的特征。黑子的低温、物质运动和结构模型都与磁场息息相关。

    耀斑与磁场的关系

    耀斑是最强烈的太阳活动现象。一次大耀斑爆发可以释放1030~1033尔格的能量,这个能量可能来自磁场。在活动区内一个强度为几百高斯的磁场一旦湮没,它所蕴藏的磁能便全部释放出来,足够供给一次大耀斑爆发。在耀斑爆发前后,附近活动区的磁场往往有剧烈的变化。本来是结构复杂的磁场,在耀斑发生后就变得比较简单了。这就是耀斑爆发的磁场湮没理论的证据。

    日珥的磁场

    日珥的温度约为一万度,它却能长期存在于温度高达一、两百万度的日冕中,既不迅速瓦解,也不下坠到太阳表面,这主要是靠磁力线的隔热和支撑作用。宁静日珥的磁场强度约为10高斯,磁力线基本上与太阳表面平行;活动日珥的磁场强一些,可达200高斯,磁场结构较为复杂。

    太阳普遍磁场

    除太阳活动区外,日面宁静区也有微弱的磁场。整个说来,太阳和地球相似,也有一个普遍磁场。不过由于局部活动区磁场的干扰,太阳普遍磁场只是在两极区域比较显著,而不象地球磁场那样完整。太阳极区的磁场强度只有1~2高斯。太阳普遍磁场的强度经常变化,甚至极性会突然转换。这种情况在1957~1958年和1971~1972年曾两次观测到。

    太阳整体磁场

    如果把太阳当作一颗恒星,让不成像的太阳光束射进磁像仪,就可测出日面各处混合而成的整体磁场。这种磁场的强度呈现出有规则的变化,极性由正变负,又由负变正。大致来说,在每个太阳自转周(约27天)内变化两次。对这个现象很容易作这样的解释:日面上有东西对峙的极性相反的大片磁区,随着太阳由东向西自转,科学家们就可以交替地观察到正和负的整体磁场。总之,太阳上既有普遍磁场,又有整体磁场。前者是南北相反的,后者是东西对峙的。

    太阳系磁场结构

    太阳磁场的精细结构

    太阳系磁场 太阳系磁场

    通过高分辨率的观测表明,太阳磁场有很复杂的精细结构。就活动区来说,在同一个黑子范围内各处磁场强度往往相差悬殊;并且在一个就整体说来是某一极性(例如N极)的黑子里,常含有另一极性(S极)的小磁结点。因此,严格说来,单极黑子并不存在。在横向磁场图上,不仅各处强度不同,方位角也不一样。在黑子半影中,较亮条纹与它们之间的较暗区域的磁场也有明显的差异。在活动区中,磁结点的直径约为1,000公里,磁场强度为1,000~2,000高斯。黑子磁场的自然衰减时间是很长的。

    在日面宁静区,过去认为只有微弱的磁场,其强度约为1~10高斯。可是新的观测表明,宁静区的磁场的强度同样是很不均匀的,也含有许多磁结点。它们在日面上所占面积很小,却含有日面宁静区绝大部分的磁通量。具体说来,宁静区磁结点的范围还不到200公里,而它们含的磁通量竟占整个宁静区的90%左右。由于磁通量集中,磁结点的磁场强度可达上千高斯,远远超过宁静区大范围的平均磁场强度。

    行星际磁场的扇形结构

    在磁场“冻结”的情况下,太阳风的粒子带着磁力线跑,于是太阳磁场便弥漫于整个太阳系空间。因为太阳在自转,太阳风所携带的磁力线就不是直线,而是螺旋线。此外,日面上有整体磁场,相邻磁区的极性是相反的。这些因素同时起作用,形成行星际磁场的扇形结构。它和太阳整体磁场密切相关,它们的极性几乎完全一致。太阳整体磁场的极性一旦转换,行星际磁场的极性立即跟着转换。

    随着太阳磁场向外扩张,它的强度也就越来越弱。在地球外围空间,磁场强度还不到万分之一高斯。然而由于行星际空间的气体极为稀薄,这样弱的磁场也能对物质运动产生支配作用。在太阳风的作用下,地磁场被压缩在地球磁层的范围内,不能向外延伸。

    人们对太阳磁场测量只限于太阳大气。至于太阳内部磁场,还不能直接测量,只能用理论方法作粗略的估计。有人认为它可能比大气的磁场强得多。

    磁星

    magnetic star

    “磁星”(Magnetar)是中子星的一种,它们均拥有极强的磁场,透过其产生的衰变,使之能源源不绝地释出高能量电磁辐射,以X射线及伽玛射线为主。磁星的理论于1992年由科学家罗伯特·邓肯(Robert Duncan)及克里斯托佛·汤普森(Christopher Thompson)首先提出,在其后几年间,这个假设得到广泛接纳,去解释软伽玛射线复发源(soft gamma repeater)及不规则X射线脉冲星(anomalous X-ray pulsar)等可观测天体。

    磁星 磁星

    具有强磁场的恒星。通常光谱型为A,磁场可以强到3万T(特斯拉)。磁星的磁场强度还在变化,故又称磁变星。磁变星大多为A型特殊星。一部分磁变星,不仅磁场周期性变化,光度和光谱也变化。光变周期1~25天,变幅一般不超过0.1等。

    形成

    当一颗大型恒星经过超新星爆发后,它会塌缩为一颗中子星,其磁场也会迅速增强。在科学家邓肯及汤普森的计算结果当中,其强度约为一亿特斯拉(108 Tesla),在某些情况更可达1,000亿特斯拉(1011 T,1015 Gauss),这些极强磁场的中子星便被称为“磁星”。而地球表面的天然地磁场强度,在赤道附近约3.5×10T,在两极附近约7×10T。

    强磁场的中子星“磁星”-结构模型图 强磁场的中子星“磁星”-结构模型图

    据估计,每大约十颗超新星爆发中 ,便会有一颗能成为磁星,而非一般的中子星或脉冲星。在它们演变成超新星前,自身需拥有强大磁场及高自转速度,方有机会演化成磁星。有人认为,磁星的磁场可能是在中子星诞生后首十秒左右,透过炽热内核物质的对流所产生的,情形就如一台发动机。如果在对流现象发生期间同时拥有高自转速度(周期约10毫秒左右),其产生的电流足以传遍整颗天体,便足够把其自转动能转为其磁场。相反,如果天体的自转速度较慢,其内核物质的对流所产生的电流不足以传遍整颗天体,只在局部区域流动。

    短寿命

    一颗磁星的外层含有等离子及以铁为主的重元素,在张力产生期间,天体会出现“星震”(starquake),这种地震能使天体释放强大能量,包括释出X射线暴及伽玛射线暴,天文学家把这种天体称为“软伽玛射线复发源”。

    如果把一颗磁星看成为“软伽玛射线复发源”,它们的寿命相当短暂。“星震”会释出大量物质及能量,当中物质被困在自身的强大磁场中,继而在数分钟内蒸发殆尽,另外其他能以放射形式释出的物质,其动能来自天体的角动量,使磁星的自转速度减慢,且比其他中子星减得更快。转速减慢会连带其强大磁场一同减弱,到大约一万年后磁星的“星震”停止,期间仍会释出X射线,天文学家将之称为“不规则X射线脉冲星”。再过大约一万年后,其活动几近停止。“星震”属于一种瞬间的大型破坏,当中一些给人们直接记录,例如2004年12月27日的SGR 1806-20,随着天文望远镜的精确度日高,预计在未来人们能记录更多类似现象。

    火星

    火星磁场消失之谜有新解:行星撞击是元凶

    据国外媒体报道,火星磁场到底是如何消失的?来自加拿大多伦多大学的贾法尔·阿尔卡尼-哈梅德日前就该问题提出了一种新的观点。 阿尔卡尼-哈梅德认为,一颗曾在火星附近运行,后来又与之发生碰撞的较大小行星是导致火星磁场消失的真正原因。

    在40亿年之前,刚形成不久的火星也曾拥有过磁场,而且其强度还与地球磁场非常接近。不过,火星磁场在存在了短暂的时间后便神秘地消失了。

    在解释火星磁场消失的各种观点中,最主要的一种认为:随着火星核的冷却,其中液态金属的对流逐渐减弱,最终导致了磁场的消失。

    为了揭开火星磁场消失的秘密,阿尔卡尼-哈梅德与同事们设计了一套新的计算机模型。他们认为,要想解释磁场消失的原因,首先应查清它是如何出现的。

    加拿大科学家表示,当年推动火星液态核心内金属流运动的力量并非来源于火星内部,而是来自一颗被年轻的火星所俘获的大型小行星。

    根据阿尔卡尼-哈梅德等人的计算,在太阳和木星的联合作用下,这颗小行星可能曾沿一条稳定的轨道绕火星飞行,两者之间的距离约10万公里。不过,在火星引力的作用下,该小行星开始逐渐地向火星靠近。当两者的距离接近到5-7.5万公里时,小行星所产生的引力已足够打破火星核内部原有的平衡,并诱发其中金属流的运动,进而产生出磁场。小行星在火星上诱发磁场的过程持续了大约5000-15000年。

    在此之后,小行星仍在不断地向火星靠近并使后者的磁场又维持了数百万年的时间。阿尔卡尼-哈梅德认为,如果该小行星的自转方向与火星的保持一致,或者其沿相反的方向绕火星旋转,那么火星磁场还有可能维持更长的时间。

    最终,在火星引力的作用下,这颗小行星发生了分裂,有此产生的大量碎片落向火星并孕育出了一些庞大的环形山。

    随着小行星的解体,火星磁场也随之消失了(确切地说,应是减弱为原先的数百分之一)--火星核内部原有的对流现象太弱,不足以孕育强大的磁场。

    而磁场的消失可能还在火星气候变化的过程中发挥了极其重要的作用。据科学家们估价,在磁场消失后,火星的气候逐渐由原先的温暖湿润变得寒冷干旱。

    火星磁场消失之谜有新解: 火星内核被熔化

    瑞士科学家们通过实验室模拟实验得出结论称,数亿年前就消失了的火星磁场不久后将再次恢复。据《新科学家》杂志报道称,科学家们研究发现,火星的部分内核被熔化是导致火星磁场消失的主要祸首。

    以瑞士联邦工学院(位于苏黎世)的安德鲁-斯图阿尔特为首的瑞士科研小组通过模拟实验成功再现了火星内核部分地区的压力和温度。在此次模拟实验中,科学家们利用填充了铁、镍和硫混合物的金刚石密封舱,它的压力被调节到了40兆帕斯卡。通过实验,研究人员成功发现,在火星内核温度达到1500开氏度时,密封舱内的混合物应该处于液态状。不过内核外层会出现固化现象。当然,只有在火星内核中硫的含量不超过10.6%时才会出现上述现象。科学家们称,这可以解释火星的磁场为何消失了,同时也可以解释地球的磁场为何至今仍然存在。科学家们认为,地球磁场之所以至今依然存在,就是因为地核内部是固态的。固态地核内层与被熔化了含大量铁的外层相互摩擦便产生了地球磁场,其工作原理类似于直流发电机。

    科学家们表示,如果火星内核被熔化了的部分能够重新结晶变成固态形式,那么消失已久的火星磁场还将再次出现。

    技术术语/磁场[物理概念] 编辑

    磁感线(Magnetic Induction Iine):在磁场中画一些曲线,用(虚线或实线表示)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(且磁感线互不交叉),这些曲线叫磁感线。磁感线是闭合曲线。规定小磁针的北极所指的方向为磁感线的方向。磁铁周围的磁感线都是从N极出来进入S极或传向无穷远处,在磁体内部磁感线从S极到N极。

    磁感线是为了形象地研究磁场而人为假想的曲线,并不是客观存在于磁场中的真实曲线。但可以根据磁感线的疏密,判断磁性的强弱。磁感线密集,则磁性强,稀疏,则弱。

    磁铁演示磁场 磁铁演示磁场

    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)。

    磁通量:磁通量是通过某一截面积的磁力线总数,用Φ表示,单位为韦伯(Weber),符号是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。) 1Wb=1T·m

    安培力:(左手定则)F=BIL×Sinθ 矢量表达式:F= I×BL

    洛伦兹力:(左手定则)(微观上)F=qvBSinθ 矢量表达式:F=q v×B

    模拟实验/磁场[物理概念] 编辑

    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。

    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。

    近日地空间的地球磁层图 近日地空间的地球磁层图

    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。

    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。

    地球磁极变换不会造成灾难

    大家都知道地球磁极要随着时间流逝而变换,南极变北极,北极变南极。而且两次变换之间的时间间隔不等,平均为25万年。

    活动太阳的磁场 活动太阳的磁场

    科学家发现, 此前的一次变换发生在75万年前,因此他们预料,不久还会发生新的两极变换。这样就产生了一个问题:地球磁极变换会不会使地球磁场短时间消失,从而失去了防止宇宙带电粒子到达地球的能力,引起一些科幻电影所描述的严重自然灾害呢?

    德国慕尼黑大学的赫拉德·勒施等人的研究发现,不会发生这样的灾难,而其中的拯救英雄就是太阳风。 赫拉德·勒施等人发现,由带电粒子组成的太阳风,将在瞬间建立起一个新磁场。

    另外,由于太阳风和地球等离子层运动速度相差很大,太阳风将很快在距离地面350公里的高度建立起一个磁保护伞,这个磁保护伞的磁场强度大致与地磁磁场强度一样。它们可以将宇宙中的带电粒子挡在地球大气层外,地球上的生物依然可以高枕无忧。

    生理影响/磁场[物理概念] 编辑

    自然界磁辐射对大脑梦幻的影响

    在自然界中,存在着地磁和大量的宇宙空间物质射线以及太阳磁暴辐射波,这些磁波会对人类的大脑和脏器形成刺激性影响。这些磁波辐射对生物成长有一种促进作用,同时,人体与磁场也存在一定的内在关联性。宇宙本身就是一个强大的磁场空间,没有宇宙强大的磁场作用力,也就没有自然界生物细胞的合成,地球上面的生物也就不会存在。人类的梦中幻觉,大部分是由于空间磁辐射所引起的,强大的磁波辐射也可以给人类造成重大的伤害,也可以引起空间的人体核磁共振效应。自然界的诸多奇异现象都存在强磁场的力作用,可造成信鸽对地理位置辨别的失效,可造成人类方向性的判别错误,也可造成人类大脑的噩梦幻觉联想。

    研究进展/磁场[物理概念] 编辑

    2014年7月,根据欧洲航天局Swarm卫星阵列搜集到的数据显示,在过去的六个月时间里,地球磁场正在快速减弱。Swarm卫星阵列由三颗独立卫星组成,根据卫星上搭载的磁力计显示,地磁场最大的薄弱点出现在西半球上空,而在南印度洋等地区,地磁场有加强的趋势。

    科学家们至今还不能确定地磁场减弱的原因,不过他们认为原因之一可能是地磁场正在为翻转做准备,从数据上分析,地磁场的北极正在往西伯利亚迁徙。磁极的翻转不是一下子就完成的,不用几千年,至少也要好几百年,并且,地球在过去已经发生过很多次磁极翻转。

    其实,每隔几十万年地球磁极就会翻转一次。虽然地球磁场的强度变化只是正常磁场翻转周期的一部分,但是Swarm搜集的数据显示,地球磁场的减弱速度比过去都快。此前,按照研究人员的估算,地球磁场应该以每100年5%的强度衰减,但是数据显示地球磁场实际的衰减速度达到了每10年5%,是人们想象中的10倍。按照过去的推断科学家认为地球磁场会在大约2000年后完全翻转,不过按照最新的数据,翻转很可能很快就会发生。[5]

    霍尔效应

    主条目:霍尔效应霍尔效应实验证实,金属导体的电荷载子是电子,而不是离子。

    如左图所示,假设,处于磁场的一条宽片型载流导线,其电流垂直于磁场,则其电荷载子会因为感受到洛伦兹力而偏向一边,从而在垂直于磁场、电流的方向产生电压于导线两侧。1879年,艾德温·霍尔(Edwin Hall)发现这效应,称为霍尔效应。由于能够辨明电荷载子到底带有正电还是带有负电,这效应最先证实,在载流导线里流动的电流,是由移动中的电子形成的,与质子无关。

    磁强计(magnetometer)应用霍尔效应为运作原理,可以用来测量磁场,或检查像不銹钢管道一类物体因腐蚀而产生的磁通量泄漏(magnetic flux leakage)。由于霍尔效应元件产生的讯号幅值非常微弱,必须加以放大,才能被侦测,所以,现在许多霍尔效应传感器都加入一个高增益集成电路放大器。霍尔效应传感器可以用来测量磁场、旋转速度、液体流速、电流、压力等等。

    在半导体领域,霍尔效应也可以应用于侦测在半导体一类物质内的主要电荷载子是负电子还是正空穴。

    霍尔效应推进器是一种低功率的离子推进器。当太空船进入轨道或太空时,可以用霍尔效应推进器来推进太空船。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2014-12-13
    [2]^引用日期:2014-12-13
    [3]^引用日期:2019-07-31
    [4]^引用日期:2015-03-04
    [5]^引用日期:2014-07-10
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