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磁場
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磁場是一種看不見、摸不着的特殊物質，磁場不是由原子或分子組成的，但磁場是客觀存在的。磁場具有波粒的輻射特性。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的，所以兩磁體不用接觸就能發生作用。天然礦石和電流的周圍都有磁場。

基本信息

中文名稱： 磁場    

描述方式 ： 磁感線

外文名稱： magnetic field  

特   性 ；波粒的輻射

作用特性 ： 對通電導體有力的作用  

磁場的發現

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幾千年前，人類就已知道天然磁石周圍有磁場。最早出現的幾個學術性論述之一，是由法國學者皮埃·德馬立克於公元1269 年寫成。德馬立克仔細標明了鐵針在塊型磁石附近各個位置的定向，從這些記號，又描繪出很多條磁場線。他發現這些磁場線相會於磁石的相反兩端位置，就好像地球的經線相會於南極與北極。因此，他稱這兩位置為磁極。幾乎三個世紀後，威廉·吉爾伯特主張地球本身就是一個大磁石，其兩個磁極分別位於南極與北極。出版於1600 年，吉爾伯特的巨著《論磁石》開創磁學為一門正統科學學術領域。

1824年，西莫恩·泊松發展出一種物理模型，比較能夠描述磁場。泊松認為磁性是由磁荷產生的，同類磁荷相排斥，異類磁荷相吸引。他的模型完全類比現代靜電模型；磁荷產生磁場，就如同電荷產生電場一般。這理論甚至能夠正確地預測儲存於磁場的能量。

1820年，丹麥物理學家漢斯·奧斯特於7月發現載流導線的電流會施加作用力於磁針，使磁針偏轉指向。稍後，於9月，在這新聞抵達法國科學院僅僅一周之後，安德烈·瑪麗·安培成功地做實驗展示出，假若所載電流的流向相同，則兩條平行的載流導線會互相吸引；否則，假若流向相反，則會互相排斥。緊接着，法國物理學家讓·巴蒂斯特·畢奧和菲利克斯·沙伐於10月共同發表了畢奧-薩伐爾定律；這定律能夠正確地計算出在載流導線四周的磁場。 1825年，安培又發表了安培定律。這定律也能夠描述載流導線產生的磁場。更重要的，這定律幫助建立整個電磁理論的基礎。於1831年，麥可·法拉第證實，隨着時間演進而變化的磁場會生成電場。這實驗結果展示出電與磁之間更密切的關係。

從1861年到1865之間，詹姆斯·麥克斯韋將經典電學和磁學雜亂無章的方程加以整合，發展成功麥克斯韋方程組。最先發表於他的1861年論文《論物理力線》，這方程組能夠解釋經典電學和磁學的各種現象。在論文裡，他提出了「分子渦流模型」，並成功地將安培定律加以延伸，增加入了一個有關於位移電流的項目，稱為「麥克斯韋修正項目」。

雖然，有了極具功能的麥克斯韋方程組，經典電動力學基本上已經完備，在理論方面，二十世紀帶來了更多的改良與延伸。阿爾伯特·愛因斯坦，於1905年，在他的論文裡表明，電場和磁場是處於不同參考系的觀察者所觀察到的同樣現象。後來，電動力學又與量子力學合併為量子電動力學。

磁現象的電本質

磁場和電場的本質是一樣的，它們是一種存在於電荷和運動電荷之間的一種特殊的物質，我們看不見，摸不着，但是它們是客觀存在的，它們是傳遞兩無相互接觸電荷之間的電場力，兩電流之間磁場力的媒介，它們儲存了電場和磁場，所以它們都具有能量。

磁現象的本質是：由運動電荷或電流產生 。

磁場的描述

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與電場相仿，磁場是在一定空間區域內連續分布的向量場，描述磁場的基本物理量是磁感應強度B ，也可以用磁感線形象地表示。

磁力線又叫做磁感線，是用以形象地描繪磁場分布的一些曲線。人們將磁力線定義為處處與磁感應強度相切的線，磁感應強度的方向與磁力線方向相同，其大小與磁力線的密度成正比。了解磁力線的基本特點是掌握和分析磁路的的基礎。

磁力線是人為的假設的曲線。磁力線有無數條，磁力線是立體的，所有的磁力線都不交叉，磁力線總是從 N 極出發，進入與其最鄰近的 S 極並形成。等等這些都是人的想象。基於一個有趣的小實驗的想象。這個實驗只需要一個條形磁鐵，一些鐵屑在一塊平板玻璃上就可以展示。

磁場的作用

磁場是對放入其中的磁體有磁力的作用的物質，磁場的基本特徵是能對其中的運動電荷施加作用力，即通電導體在磁場中受到磁場的作用力。

磁場對電流、對磁體的作用力或力距皆源於此。而現代理論則說明，磁力是電場力的相對論效應，受到磁性影響的區域,顯示出穿越該區域的電荷或置於該區域中的磁極會受到機械力的作用。

當施加外磁場於物質時，磁性物質的內部會被磁化，會出現很多微小的磁偶極子。磁化強度估量物質被磁化的程度。知道磁性物質的磁化強度，就可以計算出磁性物質本身產生的磁場。創建磁場需要輸入能量。當磁場被湮滅時，這能量可以再回收利用，因此，這能量被視為儲存於磁場。

磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的。電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態的物質。由於磁體的磁性來源於電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或變化電場產生的。

磁感應強度是用來表示磁場的強弱和方向的物理量，是矢量，單位:(T)，1T=1N/A?m。對放入其中的小磁針有磁力的作用的物質叫做磁場。磁場是一種看不見，而又摸不着的特殊物質。

方向

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規定小磁針的北極在磁場中某點所受磁場力的方向為該點磁場的方向 ，在磁體外部，磁感線從北極出發到南極的方向，在磁體內部是由南極到北極，在外可表現為磁感線的切線方向或放入磁場的小磁針在靜止時北極所指的方向!

磁場的南北極與地理的南北極正好相反，且一端的兩種極之間存在一個偏角，稱為磁偏角。磁偏角不斷地發生緩慢變化。掌握磁偏角的變化對於應用指南針指向具有重要意義。磁偏角最早是由我國宋代科學家沈括發現，他將這個寫入《夢溪筆談》。書中指出"常微偏東，不全南也"。

應用領域

磁現象是最早被人類認識的物理現象之一，指南針是中國古代一大發明。磁場是廣泛存在的，地球，恆星(如太陽)，星系(如銀河系)，行星、衛星，以及星際空間和星系際空間，都存在着磁場。為了認識和解釋其中的許多物理現象和過程，必須考慮磁場這一重要因素。在現代科學技術和人類生活中，處處可遇到磁場，發電機、電動機、變壓器、電報、電話、收音機以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀表等無不與磁現象有關。甚至在人體內，伴隨着生命活動，一些組織和器官內也會產生微弱的磁場。地球的磁級與地理的兩極相反。

在古今社會裡，很多對世界文明有重大貢獻的發明都涉及到磁場的概念。地球能夠產生自己的磁場，這在導航方面非常重要，因為指南針的指北極準確地指向位置在地球的地理北極附近的地磁南極(地理北極實際上是地磁南極，地理南極實際上是地磁北極)。電動機和發電機的運作都依賴因磁鐵轉動而隨着時間改變的磁場。通過霍爾效應，可以給出物質的帶電粒子的性質。磁路學專門研討，各種各樣像變壓器一類的電子元件，其內部磁場的相互作用。

主要種類

恆磁場又稱為靜磁場，而交變磁場，脈動磁場和脈衝磁場屬於動磁場。磁場的空間各處的磁場強度相等或大致相等的稱為均勻磁場，否則就稱為非均勻磁場。離開磁極表面越遠，磁場越弱，磁場強度呈梯度變化。

1.恆定磁場磁場強度和方向保持不變的磁場稱為恆定磁場或恆磁場，如鐵磁片和通以直流電的電磁鐵所產生的磁場。

2.交變磁場磁場強度和方向在規律變化的磁場，如工頻磁療機和異極旋轉磁療器產生的磁場。

3.脈動磁場磁場強度有規律變化而磁場方向不發生變化的磁場，如同極旋轉磁療器、通過脈動直流電磁鐵產生的磁場。

4.脈衝磁場用間歇振盪器產生間歇脈衝電流，將這種電流通入電磁鐵的線圈即可產生各種形狀的脈衝磁場。脈衝磁場的特點是間歇式出現磁場，磁場的變化頻率、波形和峰值可根據需要進行調節。

常見磁場

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電磁場

電磁場(electromagnetic field)是有內在聯繫、相互依存的電場和磁場的統一體和總稱。隨時間變化的電場產生磁場，隨時間變化的磁場產生電場，兩者互為因果，形成電磁場。電磁場可由變速運動的帶電粒子引起，也可由強弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁場是電磁作用的媒遞物，具有能量和動量，是物質存在的一種形式。電磁場的性質、特徵及其運動變化規律由麥克斯韋方程組確定。

電磁場是電磁作用的媒遞物，是統一的整體，電場和磁場是它緊密聯繫、相互依存的兩個側面，變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，變化的電磁場以波動形式在空間傳播。電磁波以有限的速度傳播，具有可交換的能量和動量，電磁波與實物的相互作用，電磁波與粒子的相互轉化等等，都證明電磁場是客觀存在的物質，它的"特殊"只在於沒有靜質量。

在電磁學裡，磁石、磁鐵、電流、含時電場，都會產生磁場。處於磁場中的磁性物質或電流，會因為磁場的作用而感受到磁力，因而顯示出磁場的存在。磁場是一種矢量場;磁場在空間裡的任意位置都具有方向和數值大小。

主要應用領域

電磁場(或波)為能量一種形式，是當今世界最重要的能源，研究領域涉及電磁能產生、存儲、變換、傳輸和應用。

電磁波作為信息的載體，成為信息發布與通信的主要手段，研究內容包括信息發布、交換、傳輸、儲存、處理、再現和應用.

電磁波作為探測未知世界的一種重要手段，主要研究領域為電磁波與目標的相互作用特性、目標探測及其特徵的獲取。

電磁波作為測控和定位技的手段，構成現代工業、交通、國防等領域的應用基礎

電、磁現象是大自然最重要的往來現象，也最早被科學家們關心和研究的物理現象，其中貢獻最大的有來頓、富蘭克林、伏打等科學家。

地磁場

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地磁場(geomagnetic field)是從地心至磁層頂的空間範圍內的磁場。地磁學的主要研究對象。人類對於地磁場存在的早期認識，來源於天然磁石和磁針的指極性。地磁的北磁極在地理的南極附近;地磁的南磁極在地理的北極附近。磁針的指極性是由於地球的北磁極(磁性為S極)吸引着磁針的N極，地球的南磁極(磁性為N極)吸引着磁針的S極。這個解釋最初是英國W.吉伯於1600年提出的。吉伯所作出的地磁場來源於地球本體的假定是正確的。這已為1839年德國數學家C.F.高斯首次運用球諧函數分析法所證實。

地磁的磁感線和地理的經線是不平行的，它們之間的夾角叫做磁偏角。中國古代的著名科學家沈括是第一個注意到磁偏角現象的科學家。

地球的基本磁場可分為偶極子磁場、非偶極子磁場和地磁異常幾個組成部分。偶極子磁場是地磁場的基本成分，其強度約占地磁場總強度的90%，產生於地球液態外核內的電磁流體力學過程，即自激發電機效應。非偶極子磁場主要分布在亞洲東部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等幾個地域，平均強度約占地磁場的10%。地磁異常又分為區域異常和局部異常，與岩石和礦體的分布有關。

地球變化磁場可分為平靜變化和干擾變化兩大類型。平靜變化主要是以一個太陽日為周期的太陽靜日變化，其場源分布在電離層中。干擾變化包括磁暴、地磁亞暴、太陽擾日變化和地磁脈動等，場源是太陽粒子輻射同地磁場相互作用在磁層和電離層中產生的各種短暫的電流體系。磁暴是全球同時發生的強烈磁擾，持續時間約為1~3天，幅度可達10納特。其他幾種干擾變化主要分布在地球的極光區內。

除外源場外，變化磁場還有內源場。內源場是由外源場在地球內部感應出來的電流所產生的。將高斯球諧分析用於變化磁場，可將這種內、外場區分開。根據變化磁場的內、外場相互關係，可以得出地球內部電導率的分布。這已成為地磁學的一個重要領域，叫做地球電磁感應。

地球變化磁場既和磁層、電離層的電磁過程相聯繫，又和地殼上地幔的電性結構有關，所以在空間物理學和固體地球物理學的研究中都具有重要意義。

物理名稱

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1、磁感線(Magnetic Induction Iine):在磁場中畫一些曲線，用(虛線或實線表示)使曲線上任何一點的切線方向都跟這一點的磁場方向相同(且磁感線互不交叉)，這些曲線叫磁感線。磁感線是閉合曲線。規定小磁針的北極所指的方向為磁感線的方向。磁鐵周圍的磁感線都是從N極出來進入S極或傳向無窮遠處，在磁體內部磁感線從S極到N極。

磁感線是為了形象地研究磁場而人為假想的曲線，並不是客觀存在於磁場中的真實曲線。但可以根據磁感線的疏密，判斷磁性的強弱。磁感線密集，則磁性強，稀疏，則弱。

2、磁感應強度:與磁力線方向垂直的單位面積上所通過的磁力線數目，又叫磁力線的密度，也叫磁通密度，用B表示，單位為特斯拉(T)。

3、磁通量:磁通量是通過某一截面積的磁力線總數，用Φ表示，單位為韋伯(Weber)，符號是Wb。 通過一線圈的磁通的表達式為:Φ=B·S(其中B為磁感應強度，S為該線圈的面積。) 1Wb=1T·m

4、安培力:(左手定則)F=BIL×Sinθ 矢量表達式:F=I×BL

5、洛倫茲力:(左手定則)(微觀上)F=qvBSinθ 矢量表達式:F=qv×B

研究進展

2014年7月，根據歐洲航天局Swarm衛星陣列搜集到的數據顯示，在過去的六個月時間裡，地球磁場正在快速減弱。Swarm衛星陣列由三顆獨立衛星組成，根據衛星上搭載的磁力計顯示，地磁場最大的薄弱點出現在西半球上空，而在南印度洋等地區，地磁場有加強的趨勢。

科學家們至今還不能確定地磁場減弱的原因，不過他們認為原因之一可能是地磁場正在為翻轉做準備，從數據上分析，地磁場的北極正在往西伯利亞遷徙。磁極的翻轉不是一下子就完成的，不用幾千年，至少也要好幾百年，並且，地球在過去已經發生過很多次磁極翻轉。

其實，每隔幾十萬年地球磁極就會翻轉一次。雖然地球磁場的強度變化只是正常磁場翻轉周期的一部分，但是Swarm搜集的數據顯示，地球磁場的減弱速度比過去都快。此前，按照研究人員的估算，地球磁場應該以每100年5%的強度衰減，但是數據顯示地球磁場實際的衰減速度達到了每10年5%，是人們想象中的10倍。按照過去的推斷科學家認為地球磁場會在大約2000年後完全翻轉，不過按照最新的數據，翻轉很可能很快就會發生。

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