OCR A-Level 物理/場、粒子與物理學前沿/磁場

為了回答考試中的相關問題，必須理解磁場和相關的概念，例如磁通量和磁通密度。

磁力線

與電場一樣，磁場可以用磁力線表示。磁力線的方向表示磁場的方向，而磁力線的密度表示磁場強度（稱為“磁通密度”）。

載流導線的磁力線呈以導線為中心的同心圓，磁場方向由右手螺旋定則決定。根據這個規則，如果將右手的大拇指指向導線中電流的常規方向，則手指繞大拇指握緊的方向就是磁場的方向。

螺線管（線圈）內部的磁場是均勻的，磁場方向從南極指向北極。線圈外部還有彎曲的磁力線，方向從北極指向南極。

對於任何磁場，磁力線都從北極開始，指向南極。磁力線是平滑的曲線，從不接觸或交叉。磁力線的間距表示磁場強度，磁力線越密，磁場越強。

左手定則描述了磁場方向、載流導線中電流方向以及導線所受力的關係。該定則指出，如果將左手的拇指、食指和中指相互垂直，拇指指向導線所受力的方向，食指指向磁場方向從北極指向南極，中指指向導體內部電流方向（+到-），則可以得出導線所受力的方向。

在物理學中，僅僅依靠左手定則是不夠的，瞭解磁力的量級也很重要。磁力的計算公式為 $F=BILsin(\theta )$ ，其中 F 表示導線所受的力，I 為導線中的電流，L 為導線的長度。希臘字母 θ 用於表示磁場方向與導線中電流方向之間的夾角。

磁通密度 (B) 用於描述磁場的強度，其 SI 單位為特斯拉 (T)。磁通密度的定義為 B=F/IL，其中 F 為載流導體所受的力，I 為導體中的電流，L 為導體在磁場中的長度。當 F = 1N，I = 1A 且 L = 1m 時，B 的值為 1 特斯拉。

作用於帶電粒子在垂直於磁場方向穿過磁場時所受的磁力由 F=BQv 給出，其中 B 為磁通密度，Q 為電荷，v 為粒子的速度。

該公式的推導如下

與電場不同，在磁場中，作用於穿過磁場的帶電粒子的力始終垂直於運動方向。這意味著帶電粒子將經歷圓周運動，磁力作為向心力。

因此，涉及磁場的題目經常需要使用模組 G484 中學習的圓周運動公式。
$F={\frac {mv^{2}}{r}};a={\frac {v^{2}}{r}};v={\frac {2\pi r}{T}}$

測量帶電粒子在均勻磁場中運動路徑的一個關鍵應用是質譜法，這是一種在化學、物理學和材料科學中重要的技術，用於測量離子的質量及其在樣品中的相對丰度。

在質譜法中，原子樣本在真空環境中被電離，然後在均勻磁場中偏轉。離子所遵循的圓周運動半徑與其質量成正比，因此，使用照相底片檢測離子的運動路徑後，就可以很容易地確定離子的質量。

穿過表面的磁通量 (Φ) 定義為磁通密度乘以垂直於磁場的表面的橫截面積的成分。磁通量的單位是韋伯 (Wb)，其中 1 Wb 是當磁通密度為 1T 的磁場垂直於表面穿過面積為 1 m² 的表面時產生的磁通量。

雖然上面的定義是考試中預期的，但國際計量局定義的韋伯的官方定義是

韋伯是磁通量，當它穿過一個單匝線圈時，如果它在 1 秒內以均勻速率降至零，將線上圈中產生 1 伏特的電動勢。

磁通量的公式為： $\phi =BAcos(\theta )$ ，其中 θ 是表面與磁場法線的夾角。