電子學/磁場

磁場：B

磁場是由以下原因產生的

1. 磁矩。
2. 運動電荷。

• 磁鐵有兩個極，一個北極和一個南極。
• 同極相斥，異極相吸。

• 磁鐵會試圖使其磁極對齊。

• 南北極：地球的磁極是反轉的；地理北極是磁南極，反之亦然。

• 極性：磁場的排列。
• 磁單極：一個獨立的磁極可以存在的概念

• 泡利不相容原理：兩個電子不能佔據相同的量子態。

• 自旋：電子的量子特性，賦予它們內稟角動量。這意味著，它們的行為就像在自己的軸上永不停息地旋轉。

• 永久偶極子：當分子中兩個原子的電負性存在顯著差異時，就會發生這種情況——一個原子比另一個原子更吸引電子，變得更負，而另一個原子變得更正。參見偶極-偶極吸引。

• 瞬時偶極子：當電子碰巧在一個地方比另一個地方更集中時，由於偶然性而發生，從而產生一個暫時的偶極子。參見瞬時偶極吸引。

• 感應偶極子：當一個具有永久偶極子的分子排斥另一個分子的電子時，就會發生這種情況，“誘導”該分子中的偶極矩。參見誘導偶極吸引。

• 磁偶極子：類似於電偶極子。它指的是一個看起來像是來自一對無限靠近的南北磁單極子的磁場。

• 磁矩 (u)：物體與磁場對齊的趨勢。這種對齊產生一個勢能 (U)。載流回路具有磁矩。電子和許多原子核由於它們的量子自旋而具有內稟磁矩。電子通常成對出現，其內稟磁矩相互抵消，但它們仍然可能產生磁偶極子，因為它們旋轉（具有軌道角動量），或者由於抵消不完全而產生磁四極子。這些內稟磁矩產生了一些磁性的宏觀效應，例如核磁共振。
  具有磁矩的物體產生磁偶極子

• 內稟磁矩：事物本身具有的磁矩。由於內稟角動量。

$F=qVxB$

磁導率：μ

• 磁導率：(μ) 材料響應磁場而磁化的程度。

• 真空磁導率：(μ0)：4π × 10-7 N·A^-2（精確值）。

• 相對磁導率：(μ_r) 材料的磁導率與真空磁導率之比。

$\mu _{r}={\mu \over \mu _{o}}$

• 絕對磁導率 (μ)：= μ0(1 + χ)。亨利/米。

• 磁化率 (χ)：相對磁導率的分數部分。

如果 χ 為正，則磁場增強，材料為順磁性；如果 χ 為負，則磁場減弱，材料為抗磁性。

$\chi ={\frac {M}{H}},$

順磁性

順磁性：(具有磁性) 磁偶極子由於自旋效應而與外部磁場對齊的趨勢。透過對齊，偶極子增強了外部磁場。（相對磁導率 > 1，磁化率 10-3 至 10-5）當磁場去除時，熱運動會迅速破壞磁對齊。順磁性作用於原子的每個偶極子，偶極子之間沒有相互作用。在受到外部磁場作用時表現得像條形磁鐵。

$M=C{B \over T}$

M 為磁化強度，B 為磁通量，T 為絕對溫度（開爾文），C 為材料特有的居里常數。增加磁場使順磁性材料的磁性增強，降低溫度則反之。居里定律在飽和度低時是準確的，並且當材料變得飽和時就不再起作用。

抗磁性

• 抗磁性：(抵抗磁性) 電子的軌道運動形成一個具有磁偶極矩的微觀電流環。純抗磁性材料是超導體，超導體是一種沒有磁場和沒有電阻的相變。

• 邁斯納效應：磁場從超導體內部被排斥出去。也稱為**完全抗磁性**。

• 庫珀對：當具有相反自旋的電子由於低能量而配對時。就像原子鍵合一樣。處於庫珀對中將電子結合在一起，因此它們不會從材料中的離子散射。這導致材料的電阻變為零。

• 高溫超導：在足夠高的溫度下實現超導，可以使用液氮而不是液氦作為冷卻劑。（重要，因為液氮價格便宜且易於獲得）

• 超流性：當原子由於自旋而形成庫珀對時出現。將固體轉變為氣體。一種物質狀態，其特徵是完全沒有粘度。因此，放置在閉合迴路中的超流體可以在沒有摩擦的情況下無限流動。

• 聲子：固體中的熱能。以振動形式存在。當固體變冷時，它停止振動並形成庫珀對。負責電子配對和電導率，即材料導電的程度。

銅，鉍

鐵磁性

• 磁化強度：在居里溫度以上為零。

• 自發磁化：在沒有外加磁場的情況下，自旋排列的趨勢。

• 鐵磁性：（鐵磁性）材料表現出自發磁化的現象。最常見且最強的磁性形式之一。存在於條形磁鐵和永磁體中。磁矩在磁疇中部分排列。溫度升高會導致熱波動並破壞排列。在居里溫度以上，如果沒有外磁場，鐵磁疇會熔化（沒有淨自發磁化），材料變成純順磁性。泡利不相容原理導致磁偶極子以較低的能量（稱為**交換能**）沿相同方向排列。在一定距離內，偶極子相互排斥。這是磁疇背後的原理。**布洛赫牆**是磁區域之間的過渡。強磁鐵會使磁疇排列。

鐵、鋼、鎳、鈷以及一些合金和陶瓷。

• 居里溫度：鐵磁材料發生相變並變成順磁性的溫度。在此溫度下，磁化率理論上是無限的。相變。

• 居里點：高於此溫度，材料變成順磁性。當與鐵磁性結合時，遵循具有外加磁場的磁滯曲線。用作烙鐵的溫度控制。

• 居里點：鏑 -188 °C 釓 16 °C 鎳 358 °C 鐵 770 °C 鈷 1131 °C

• 反鐵磁性：電子的自旋以規則的模式排列。

• 奈爾溫度：反鐵磁材料發生相變並由於熱能而變成順磁性的溫度。

• 自旋玻璃：表現出高度的磁挫敗。

• 磁挫敗：即使在低溫下，其磁結構也是無序的。

永磁體

鐵磁材料構成永磁體。

要了解永磁體是如何製造和破壞的，有必要觀察鐵等磁性材料的微觀結構。一塊鐵由許多許多稱為磁疇的小磁體組成。在未磁化的鐵中，這些磁疇的北極指向各個方向，以隨機的方式排列，但是當鐵置於強磁場中時，磁疇會與磁場對齊。鐵被磁化。

一旦磁化，即使在從外部磁場中取出後，磁鐵自身的磁場也足夠強大以保持自身磁化。

磁滯曲線圖

磁滯曲線。如果材料加熱到其居里點以上，熱量會破壞磁性。

• 剩磁：（Bd，Mr）去除磁場後剩餘的磁性量。小於外加磁場。

• 剩餘磁感應強度

• 保磁性：保留一些剩餘磁性。

• 飽和：由於磁場，磁鐵中可能發生的磁疇最大排列量。當材料中的大部分偶極子與外部磁場對齊時。

• 矯頑力：將磁鐵從飽和狀態降低到零所需的磁場強度。

• 磁通密度：以特斯拉 (T) 為單位。

• 磁場強度：安培/米。

• 指南針：一個小的條形磁鐵，它自身與外部磁場對齊。討論地球的磁場，其南極是我們的北極，它如何不斷切換且磁場較弱。

• 分子磁體

• 磁滯：當施加外部磁場時，鐵磁體吸收部分磁場

並變得更加對齊。當去除磁場時，磁鐵保留部分磁場並被磁化。

• 磁滯回線：當交變磁場施加到鐵磁材料上時。材料的磁化強度小於磁場。

• 電磁滯：發生在鐵電材料中，其中極化疇對總極化做出貢獻。極化是電偶極矩（單位為 C·m-2 或 C·m）。

• 電偶極矩

運動電荷

當帶負電的粒子（如電子）穿過空間或導線時，它會產生一個在垂直於它的平面上逆時針旋轉的磁場。這是安培定律的一部分。對於帶正電的粒子，磁場是順時針方向的。帶電粒子運動越快，磁場越大。

電感

自感 當你在電感器中開啟直流電時會發生這種情況。

1. 當你開啟開關時，電壓會非常迅速地（在幾毫秒內）升高。
2. 這會導致電流非常迅速地變化。
3. 此電流具有相關的磁場，該磁場也變化非常迅速。
4. 變化迅速的磁場會感應出電動勢（法拉第定律），該電動勢傾向於阻止電流增加（楞次定律）。但是它不能完全阻止電流增加，只能減緩其增加速度。
5. 一旦電流達到最大值（由電壓和導線的普通電阻決定），它就會停止變化，磁場變得恆定，反電動勢變為零。

一切平靜，直到你試圖關閉它

1. 磁場非常突然地崩潰
2. 變化的磁場會感應出反電動勢，試圖阻止磁場的崩潰（再次是楞次定律）

對於大線圈，電動勢可能非常大，可能會產生火花！

對於直流電來說，這並不是真正的問題，除非在開啟和關閉時。但是對於交流電，電流一直在變化，因此事物永遠不會穩定下來。頻率越高，變化越快，因此電感越大。我希望現在這一切都比較清楚。Theresa knott 13:49, 2004年4月30日 (UTC)

電磁鐵

一個像條形磁鐵一樣起作用的磁性軟管。隨著電流的增加，磁鐵對其他磁鐵的排斥力變得更強。用作磁性材料的開關，以及拾取報廢場中的汽車等磁性材料。

為了製造一個好的電磁鐵，我們使用“軟鐵”芯。軟鐵具有易於磁化的特性。一旦電流關閉，它也很容易失去磁性。鋼也可以用作電磁鐵的鐵芯，但鋼在電流關閉後不會失去磁性。它保持磁化狀態。

當電流開啟或關閉時，它會產生變化的磁場，進而產生阻礙電流的電壓。這是電感的基礎。

透過將導線盤繞起來，我們可以製造一個螺線管。螺線管的磁場看起來像普通條形磁鐵的磁場。

螺線管本身產生的條形磁鐵相當弱，但是如果將一塊鐵放入螺線管中，磁場就會變得非常強。嘗試以下實驗

• 將一段包覆塑膠的導線纏繞在鉛筆上。取下鉛筆，然後連線到設定為 1V 直流電流的電源。在導線線圈周圍撒上鐵粉。將繪圖指南針放在導線附近。嘗試拾取一個回形針。
• 將一段包覆塑膠的導線纏繞在一個大釘子上。重複上述所有實驗

你會發現帶有鐵芯的螺線管比帶有空氣芯的螺線管強得多。

Q1) 為什麼使用包覆塑膠的導線很重要？

互感

• 感應電流：磁場產生電流。

• 渦流：由電磁波感應的電流。

互感就像電感，只是來自一個螺線管中電流的磁場除了在自身中產生電壓外，還在另一個不同的螺線管中產生電壓。

• 變壓器：變壓器和變壓器設計：變壓器設計

環形磁芯

環形磁芯圖片

環形磁芯是一種繞自身纏繞的螺線管。

環形磁芯：一種磁場包含在其中的甜甜圈形電感器。具有氣隙。

環形磁芯是一個由環面封閉的甜甜圈狀物體。它具有透過旋轉一個圓圍繞不與圓相交的軸線生成的環形表面。通常，環形磁芯由一個甜甜圈形狀的絕緣線圈組成（通常由鐵或類似金屬組成）。

環形磁芯是電路中的電感器。它們主要用於低頻收發，以滿足所需的電感特性。與結構相似的螺線管相比，環形磁芯具有更大的電感特性並承載更大的電流。由於直徑和匝數的原因，環形線圈降低了電阻。在環形磁芯中，磁通量被限制在環形磁芯的核心。

環形磁芯放大電流。

磁場和電場

注意磁力和電力的相似之處。電力吸引中性物質（回想一下摩擦過的氣球拾起小紙片）。電力有兩種形式：正電和負電。同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。很久以前，物理學家就意識到這些相似之處很重要。現在認識到電力和磁力是密切相關的力。它們實際上是同一種力的兩個不同方面！我們將這種力稱為電磁力。電力模組的下一部分可能最難，但也是最有趣的。在學習過程中解決文字中的問題，你就能應對。

變化的電場會產生磁場。相反，變化的磁場會產生電場。

用於產生光子/無線電波

這意味著電流產生磁場，而變化或移動的磁場產生電流。本模組詳細介紹了電場和磁場的這一特性。你將學習由導線和螺線管產生的磁場，然後繼續學習電動機、發電機和變壓器。

任何處於磁場中的帶電粒子都會受到一個垂直於磁場和自身速度的力的作用。

到目前為止，我們已經研究了將電流置於磁場中並觀察到載流導線上有力的影響。在本頁中，我們將研究一種稱為感應的相關效應。

討論直線磁場和電子在圓形路徑中的運動。

討論磁場如何改變帶電粒子的路徑。

有關電場和磁場的更面向數學的解釋，請參閱電動力學。

註釋

• 檢流計：（鏡式檢流計）一種非常靈敏的電流計，可以測量微小的電流。

實驗結果

磁鐵移入線圈。	光點偏向左側，表明有微弱電流流動。
磁鐵留線上圈內部。	光點回到中間，表明沒有電流流動。
磁鐵從線圈中拉出。	光點偏向右側，表明再次有電流流動，但這次方向相反。
重複實驗，但這次磁鐵非常緩慢地插入線圈。	仍然有偏轉，但這次比之前小得多，表明流動的電流更小。
磁鐵翻轉。	結果與上述相同，只是偏轉方向相反。
磁鐵保持靜止，但線圈移動。	結果如上所述。

結論

1. 如果線圈和磁鐵之間存在相對運動，則線圈中會產生感應電流。
2. 運動越快，電流越大。
3. 反轉磁鐵或運動方向會反轉感應電流的方向。

正在發生的事情的理論解釋（高階）

所以現在我們知道發生了什麼，我們必須提出一個解釋。請看下面的圖。

在此圖中，綠線表示一條進入螢幕或頁面內的導線。它與兩個條形磁鐵之間的磁場成直角。導線向下移動，從而“切割”磁力線。這會在導線上感應出一個電動勢（電壓）。正是這個電動勢導致電流流動（如果形成一個完整的電路）。所以現在我們知道為什麼會出現電流。它是由感應電壓引起的，但為什麼會出現電壓呢？

這是從正面看到的導線的特寫。藍色圓圈表示磁力線從螢幕或頁面中伸出的位置。它們直接從螢幕中伸出來。

導線由金屬製成，因此有許多自由電子。當導線向下移動時，每個電子也向下移動。它們有效地形成了大量向下流動的微小電流。從電動機效應我們知道，如果電流流過磁場，就會有力的作用。在這種情況下，力將電子推向右側。正是所有電子向上移動到導線的右側導致了電壓差。

因此，電動機效應可以感應出電動勢。這是磁場感應電動勢的兩種方式之一。

Q3) 想象一下多匝線圈穿過磁場。每匝線圈上都會感應出自己的電動勢。如果將導線連線起來，就像它們是串聯的小電池一樣。請填寫空格“ 隨著螺線管繞組數增加，感應電壓的值_______________。

當電流流過導線時，它會產生磁場。要看到這一點，請將一個小羅盤放在導線附近並開啟電流。羅盤指標會偏轉。導線周圍磁場的形狀是圓形的。請看右側的圖。導線直接從螢幕中伸出來，所以你只能看到它的橫截面（紅色圓圈）羅盤顯示了磁場如何圍繞導線纏繞。

增強磁場

要增強磁場，我們可以

• 使用軟鐵芯
• 增加流過導線的電流

• 增加螺線管的匝數。

反轉磁場

要使南北極互換位置，我們可以

• 透過交換電源上的正負極來反轉電流方向。
• 以相反的方向纏繞導線。{所以如果你順時針纏繞，取下它並逆時針纏繞。

說到南北極，有一個小技巧可以找出哪一端是北極，哪一端是南極。

向下看螺線管並確定電流的流動方向。請記住，電流從電源的正極流向負極。如果電流順時針流動，則該端將是南極。如果看起來像逆時針流動，則該端將是北極。記住這一點的簡單方法是在大寫字母 N 和 S 的末端加上箭頭，如下所示。