磁场模块总结

《大学物理》磁场模块总结，主要包括：磁场、电磁感应定律、麦克斯韦方程组等内容，很详细的内容，值得收藏。

磁场模块

• 1为什么要学习磁场（学习前思考）
  • 什么是磁场
    • 物理概念，是指传递实物间磁力作用的场
      • 场是什么
        • 指某种空间区域，其中具有一定性质的物体能对与之不相接触的类似物体施加一种力
        • 场指物体在空间中的分布情况。场是用空间位置函数来表征的。
        • 场是一种特殊物质，看不见、摸不着，但它确实存在。
      • 场的物理性质
        • 场是物质存在的空间。表现为物质时空环境中各种因素的相互作用
        • 场是物质发生作用的范围
      • 场的属性
        • 场的一个重要属性是它占有一个空间，它把物理状态作为空间和时间的函数来描述
        • 场是物质存在的基本形态之一。例如，天地之间的相互吸引是借助于物质之间的引力场，光和无线电的传播要借助于电磁场。场存在于相互作用的物质之间的空间。
    • 磁场是一种看不见、摸不着的特殊的物质。
    • 磁场不是由原子或分子组成的，但磁场是客观存在的。
    • 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
  • 为什么会产生磁场(产生原理）
    • 磁场由电荷运动和变化的电场产生。
      • 即电生磁
  • 怎么产生磁场
  • 什么条件下会有磁场
  • 有哪些磁场
    • 常见磁场
      • 电磁场
        • 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
      • 地磁场
    • 主要种类
      • 恒定磁场
      • 交变磁场
      • 脉冲磁场
  • 生活中有哪些地方需要用到磁场
• 2关于磁场的主要内容有哪些
  • 基础知识掌握
    • 恒定磁场
      • 概念：当产生磁场的电流恒定时，它所产生的磁场也不随时间变化，这种磁场称为恒定磁场。
      • 主要知识点
        • 磁场计算式
          • 若认为磁场是由电流产生的，按照毕奥-萨伐尔定律，磁力线都是闭合曲线，这一性质称为磁通连续性定理
        • 磁介质
          • 磁场对在其中的磁介质产生磁化作用，即在磁场的作用下介质中出现分子电流。
          • 总的磁场由自由电流与分子电流共同产生。
        • 磁感应强度
          • 描述磁场强弱和方向的基本物理量
            • 区别于磁场强度H
              • 含义不同
                • 磁场强度在历史上最先由磁荷观点引出。 类比于电荷的库仑定律，人们认为存在正负两种磁荷，并提出磁荷的库仑定律。 单位正点磁荷在磁场中所受的力被称为磁场强度H。 后来安培提出分子电流假说，认为并不存在磁荷，磁现象的本质是分子电流。 但是在磁介质的磁化问题中，磁场强度H作为一个导出的辅助量仍然发挥着重要作用。
              • 单位不同
                • 1、磁感应强度的单位：国际通用单位为特斯拉（符号为T）。 2、磁场强度的单位：安培/米。
              • 计算公式不同
                • 1、磁感应强度的计算公式：点电荷q以速度v在磁场中运动时受到力f 的作用。 在磁场给定的条件下，f的大小与电荷运动的方向有关 。 当v沿某个特殊方向或与之反向时，受力为零；当v与这个特殊方向垂直时受力最大，为Fm。 Fm与|q|及v成正比，比值 与运动电荷无关，反映磁场本身的性质，定义为磁感应强度的大小，即。 B的方向定义为：由正电荷所受最大力Fm的方向转向电荷运动方向v时，右手螺旋前进的方向 。 定义了B之后，运动电荷在磁场B中所受的力可表为F= QVB，此即洛伦兹力公式。 除利用洛伦兹力定义B外，也可以根据电流元Idl在磁场中所受安培力df=Idl×B来定义B，或根据磁矩m在磁场中所受力矩M=m×B来定义B，三种定义，方法雷同，完全等价
                • 2、磁场强度的计算公式：磁场强度描写磁场性质的物理量。 其定义式为H=B/μ0-M，式中B是磁感应强度，M是磁化强度，μ0是真空中的磁导率，μ0=4π×10-7韦伯/(米·安)。 H的单位是安/米。 在高斯单位制中H的单位是奥斯特。 1安/米=4π×10-3奥斯特。
        • 安培环路定律
          • 磁场强度H沿闭合回路的积分，等于穿过该回路所限定的面上的自由电流。这里回路的方向与电流的正向按右螺旋规则选定。
    • 电磁感应
      • 引入：磁场是由电生磁而来，是否存在磁生电的情况？
      • 主要知识点顺序
        • 发现电磁感应现象
          • 法拉第电磁感应的定律
            • 调用物理量进行实际计算
              • 动生感生电动势
    • 麦克斯韦方程
      • 方程组意义：一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程，可以推论出电磁波在真空中以光速传播，并进而做出光是电磁波的猜想
      • 四个方程
        • 描述电荷如何产生电场的高斯定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律、描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律。
• 3磁场知识点
  • 恒定磁场
    • 磁场 磁感应强度
      • 基本现象和基本规律
        • 磁性
          • 磁铁吸引金属
        • 磁极
          • N极，S极
        • 地磁偏角、地磁倾角
          • 地理磁极曾经多次反转，通过岩层的研究推测出
        • 电流的磁效应
          • 1820.4丹麦奥斯特于哥本哈根
        • 电力的种类
          • 电荷之间的作用力受场源电荷、受力电荷二者的静止或运动
          • 四种组合
            • 静止，静止
              • 库仑定律
            • 运动，静止
              • 电场变换
            • 静止，运动
              • 电场强度
            • 运动，运动
              • 磁力
        • 磁场定义
          • 右手定则求磁场力
        • 安培定律
          • 指出受力方向
            • 形式上违背牛顿第三定律
              • 作用在两个物体上的力不是等大相反方向
          • 概念：右手螺旋定则，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则
          • 两种运用法
            • 通电直导线
              • 用右手握住通电直导线，让大拇指指向直导线中电流方向，那么四指指向就是通电导线周围磁场的方向
                • 物理方法都是为了处理问题更加简便而使用的，切莫死记硬背，需要灵活运用
            • 通电螺线管
              • 用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。
      • 毕奥萨伐尔定律
        • 电场库仑
          • 叠加定理
        • 磁场安培定律
          • 找出检验电流元
        • 毕奥萨伐尔定律
      • 磁场分布的计算
        • 方法：毕奥萨伐尔定律和磁场的叠加定理
          • 对电流回路积分
            • 无限长直导线
            • 载流圆线圈
            • 载流均匀密绕长直螺线管
          • 小结
    • 磁场的高斯定理
      • 磁感应线 磁通量
        • 地球磁场位形及太阳风
          • 极光
        • 几何上，磁场线可以描述磁感应强度
        • 磁通量
          • 设在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个面积为S且与磁场方向垂直的平面，磁感应强度B与面积S的乘积，叫做穿过这个平面的磁通量，简称磁通（Magnetic Flux）。标量，符号“Φ”
      • 高斯定理（面）
        • 磁感应线是闭合曲线，磁通量总为0，无源场
        • 通过任意闭合曲面的磁通量总为0
    • 安培环路定理及应用
      • 安培环路定理（线）
        • 在稳恒磁场中，磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分，等于这闭合路径所包围的各个电流的代数和乘以磁导率
        • 计算式
          • 积分形式
          • 微分形式
            • • 磁场B 的旋度等于（产生该磁场的）传导电流密度J
        • 讨论：选取环路L对安培环路定理适用性的影响
          • 引入：在静电场中，电场强度E沿任意闭合环路的线积分都为0
          • 举例：无限长载流直导线的周围磁场的环流
            • 安培环路套住电流
              • 公式成立
            • 安培环路未套住电流
              • 该电流对此闭合环路B的线积分无贡献，但该电流仍产生磁场
        • 应用
          • 举例：计算具有对称性的载流导线的磁场分布
            • 均匀载流无限长圆柱导体内外的磁场分布
            • 载流螺绕环的磁场分布
    • 带电粒子在磁场中的运动
      • 洛伦兹力
        • 运动电荷在磁场中受到力的作用
        • 计算式
      • 带电粒子在均匀磁场上的运动
        • 运动受洛伦兹力作用，与其速度有关
        • v//B
        • v⊥B
          • 在垂直于B的平面内做匀速圆周运动
        • v与B有夹角
        • 应用
          • 霍尔效应
            • 当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。
            • 左手定则判断
          • 质谱仪工作原理
      • 带电粒子在非均匀磁场上的运动
        • 较为复杂，常在地磁场上
    • 磁场对电流的作用
      • 引入：自由电子受磁场的洛伦兹力作用，导线中的电流是其自由电子的定向运动形成的，所以表现为载流导线在磁场中会受到磁场力的作用，此力便是安培力
      • 作用表现
        • 载流导线在磁场中受安培力
        • 载流线圈在磁场中受力矩
    • 磁介质
      • 引入：前面讨论的都是真空中磁场的规律，在实际应用中，需要了解物质中磁场的规律
      • 概念：凡在磁场中受磁场影响，反过来又影响磁场的物质
      • 内容
        • 磁场强度H及其环路定理
    • 铁磁质
  • 电磁感应
    • 解决哪些问题
      • 磁场能否产生电流
    • 计算公式有哪些
    • 主要内容
      • 法拉第电磁感应定律
        • 法拉第电磁感应定律
          • 内容
            • 电磁感应
              • 不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生
              • 回路产生电流意味着回路中有电动势存在，此电动势由磁通量变化引起，故称感应电动势
            • 法拉第电磁感应定律
          • 如何发现的
        • 楞次定律
          • 内容
            • 感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化
            • 如果感应电流是由组成回路的导体作切割磁感线运动而产生的，那么楞次定律可具体表述为：“运动导体上的感应电流受的磁场力（安培力）总是反抗（或阻碍）导体的运动。”我们不妨称这个表述为力表述，这里感应电流的“效果”是受到磁场力；而产生感应电流的“原因”是导体作切割磁感线的运动。
          • 特点
            • “增反减同，来拒去留，增缩减扩”
      • 动生电动势和感生电动势
        • 如何产生
          • 磁通量变化
            • 回路或其中的一部分在恒定磁场中有相对运动
              • 动生电动势
            • 回路在磁场中无相对运动，磁场在变化
              • 感生电动势
        • 动生电动势
          • 相关物理量
            • 洛伦兹力
              • 总洛伦兹力不做功
              • 动生电动势由洛伦兹力引起，非静电力就是洛伦兹力（电子运动）
            • 动生电动势
        • 感生电动势和感生电场
          • 相关物理量
            • 感生电动势
              • 变化的磁场在其周围空间激发感生电场（又称有旋电场），这种感生电场迫使导体内的电荷作定向移动而形成感生电动势。
              • 在闭合导体L中产生
              • 在一段导体ab两端上
          • 感生电场
            • 变化的磁场在其周围空间激发感生电场（又称有旋电场），如同涡旋一般
            • 感生电场力是产生电动势的非静电力，其感应电场的存在与是否存在闭合电路无关，没有电势的概念
            • 如何求感生电场的分布
              • 微元思想
          • 应用
            • 电子感应加速器
              • 利用感生电场
        • 涡电流
          • 内容
            • 当大块导体放在变化着的磁场中或相对于磁场运动时，在这块导体中也会出现电动势。由于导体内部处处可以构成回路，任意回路所包围面积的磁通量都在变化，若回路中动生电动势总和不为0，则形成涡旋状感应电流，故称为涡电流，以“i涡”表示
          • 损害
            • 在变压器、交流电机等交流设备的铁芯中，线圈中交变电流所引起的涡电流导致能量损耗，叫做涡流损耗。
          • 改善手法
            • 变压器中用电阻率大的铁芯
      • 自感和互感
        • 引入：在实际电路中，磁场的变化通常是由电流的变化引起的，把感应电动势与产生磁场的电流联系起来有重要意义
        • 互感
          • 内容
            • 当一线圈中的电流发生变化时，将在它周围空间激发变化的磁场（电流磁效应），穿过它附近的另一个线圈的磁通量也随之改变，在临近的另一线圈中产生感应电动势，叫做互感现象
          • 相关物理量
            • 互感系数M
              • 与线圈电流无关
              • 一般由实验测得
            • 互感电动势
            • 一个线圈的激发磁场穿过另一个线圈的全磁通
        • 自感
          • 内容
            • 由于导体线圈本身电流的变化而激发的磁场穿过线圈自身的磁通量变化，从而在线圈自身回路中产生感应电流、感应电动势的现象叫做自感现象
          • 相关物理量
            • 自感系数L
            • 穿过线圈自身的全磁通
            • 时间常数
      • 磁场能量
        • 内容
          • 当线圈中通有电流时，线圈中就要储存磁场能量，通过线圈的电流越大，线圈越多，储存的能量就越多；在通有相同电流的线圈中，电感越大的线圈，储存的能量越多，因此线圈的电感也反映了它储存磁场能量的能力
        • 相关物理量
          • 磁场能量
            • 切断电源后，线圈中储存的磁场能量通过自感电动势做功全部释放出来，转变为焦耳热
            • 如何求磁场能量
              • 1.由安培环路定理求出磁场分布
              • 2.能量密度公式
          • 磁场能量密度
            • • 非铁磁质
            • • 非铁磁质
  • 麦克斯韦方程组
    • 麦克斯韦方程组 电磁场
      • 位移电流
        • 引入:电磁感应定律指出变化的磁场对电场有影响，但恒定磁场的安培定理没有体现电场的变化对磁场的影响。
        • 内容
          • 指穿过某曲面的电位移通量φD的时间变化率
          • 位移电流也可以描述成：电容器充电时，极板间变化的电场变化可被视为等效电流。
        • 与传导电流的本质区别
          • (1)位移电流的本质是变化着的电场，而传导电流则是自由电荷的定向运动； (2)传导电流在通过导体时会产生焦耳热，而位移电流则不会产生焦耳热；位移电流也不会产生化学效应。 (3)位移电流也即变化着的电场可以存在于真空、导体、电介质中，而传导电流只能存在于导体中 (4)位移电流的磁效应服从安培环路定理。
          • 但从产生磁场角度来说，位移电流（变化电场）与传导电流等价
        • 计算位移电流
      • 全电流安培环路定理
        • 全电流
          • 传导电流+位移电流
      • 麦克斯韦方程组积分式
      • 电磁波
        • 概念：电磁波(Electromagnetic wave)是由同相 [1]  且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性，其粒子形态称为光子，电磁波与光子不是非黑即白的关系，而是根据实际研究的不同，其性质所体现出的两个侧面。
• 4磁场知识难点
  • 大学物理的磁场内容比较浅，在计算上需要学好微积分、勤加练习
  • 麦克斯韦方程组需要反复理解