磁場（物理概念）

磁場（物理概念）

磁場是存在於磁體、電流或移動電荷周圍的一種物理場，能夠對其他磁體或移動電荷產生力的作用。磁場是一種向量場，具有大小和方向，通常用符號 B 表示。

• 無源性：磁場是無源場，即磁感應線是閉合曲線，不存在獨立的「磁荷」（磁單極子）。

• 有旋性：磁場是有旋場，其旋度與電流密度相關（由安培定律描述）。

• 方向性：磁場的方向由磁感應線表示，從磁體的北極（N極）指向南極（S極）。

磁場可以由以下幾種方式產生：

• 永久磁體：如天然磁石或人造磁鐵。

• 電流：根據安培定律，電流會在其周圍產生磁場（例如電磁鐵）。

• 變化的電場：根據馬克士威方程組，變化的電場也能產生磁場。

• 磁感應強度（B）：單位為特斯拉（T），描述磁場的強弱。

• 磁場強度（H）：單位為安培/米（A/m），與介質無關，僅與電流分佈有關。

• 磁感應線（磁力線）：用於直觀表示磁場方向與分佈。

磁場對以下物體或現象產生影響：

• 移動電荷：洛倫茲力使帶電粒子在磁場中偏轉（如迴旋加速器）。

• 磁體：同性磁極相斥，異性磁極相吸。

• 導體中的電流：磁場會對載流導體產生安培力（如電動機原理）。

地球本身具有磁場，其特性包括：

• 地磁極：地磁北極接近地理南極，地磁南極接近地理北極。

• 磁偏角：磁北與真北之間的夾角。

• 保護作用：地球磁場抵禦太陽風帶來的帶電粒子，形成「磁層」。

磁場在現代科技中有廣泛應用，例如：

• 電磁鐵：用於起重機、磁懸浮列車等。

• 磁儲存技術：硬碟、磁帶等利用磁場記錄數據。

• 醫療影像：核磁共振成像（MRI）利用強磁場生成人體內部影像。

• 特斯拉（T）：國際單位制中的磁感應強度單位，1 T = 1 N/(A·m)。

• 高斯（G）：CGS單位制中的磁場單位，1 T = 10,000 G。

• 測量儀器：如高斯計、霍爾效應感測器等可用於測量磁場強度。

根據馬克士威方程組，電場與磁場相互關聯：

• 變化的磁場產生電場（法拉第電磁感應定律）。

• 變化的電場產生磁場（馬克士威修正的安培定律）。

• 電磁波即為電場與磁場的振動傳播。

• 古代：中國戰國時期發現磁石吸鐵現象。

• 1600年：吉爾伯特提出地球本身是一個大磁體。

• 19世紀：奧斯特發現電流產生磁場，法拉第提出電磁感應定律。

• 20世紀：量子力學進一步解釋微觀磁性的來源（如電子自旋）。

磁場是電磁學的核心概念之一，在物理學、工程學及日常生活中均有重要意義。