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磁場 - 物理概念  

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磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質,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。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電場的變化而產生的。用現代物理的觀點來考察,物質中能夠形成電荷的終極成分只有電子(帶單位負電荷)和質子(帶單位正電荷),因此負電荷就是帶有過剩電子的點物體,正電荷就是帶有過剩質子的點物體。運動電荷產生磁場的真正場源是運動電子或運動質子所產生的磁場。例如電流所產生的磁場就是在導線中運動的電子所產生的磁場。

 
 

基本資訊

  • 中文名稱

    磁場

  • 外文名稱

    magnetic field

  • 特    性

    波粒的輻射

 
  • 拼    音

    cí chǎng

  • 定    義

    傳遞實物間磁力作用的場

 
 
 


折疊輯本段漢語解釋

1. 傳遞實物間磁力作用的場。

2. 借指有巨大吸引力的場所。《花城》1981年第6期:"離開祖國已有兩個半月,那邊有我的依戀,我怎麼能留下呢?但這裏卻出現了一個磁場。"

磁現象

永磁體--磁鐵的性質

⑴永磁體具有磁性(magnetism),能吸引鐵、鈷、鎳等物質;

⑵永磁體具有磁極(magnetic pole),分磁北極N 和磁南極S 。

特點

⑴磁極之間存在相互作用,同名磁極相斥,異名磁極相吸;

⑵磁極不能單獨存在.既單獨的N極或單獨的S極不能存在。


折疊輯本段歷史沿革

最早出現的幾副磁場繪圖之一,繪者為勒內·笛卡爾,1644年。

雖然很早以前,人類就已知道磁石和其奧妙的磁性,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(Pierre de Maricourt)於西元1269 年寫成[notes 3]。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[2]。幾乎三個世紀後,威廉·吉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,吉伯的巨著《論磁石》(De Magnete)開創為一門正統科學學術領域。

于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。

儘管泊松模型有其成功之處,這模型也有兩點嚴重瑕疵。第一,磁荷並不存在。將磁鐵切為兩半,並不會造成兩個分離的,所得到的兩個分離的磁鐵,每一個都有自己的指南極和指北極。第二,這模型不能解釋電場與磁場之間的奇異關係。

1820年,一系列的革命性發現,促使開啟了現代磁學理論。首先,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鍼,使磁鍼偏轉指向。稍後,於9月,在這新聞抵達法國科學院僅僅一周之後,安德列·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。緊接著,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。強磁場在鐵磁流體顯示正常場不穩定性強磁場在鐵磁流體顯示正常場不穩定性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。于1831年,麥可·法拉第證實,隨著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。在論文裏,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"。由於分子渦包具有彈性,這模型可以描述電磁波的物理行為。因此,麥克斯韋推導出電磁波方程。他又計算出電磁波的傳播速度,發現這數值與光速非常接近。警覺的麥克斯韋立刻斷定光波就是一種電磁波。後來,於1887年,海因裏希·魯道夫·赫茲做實驗證明了這事實。麥克斯韋統一了電學、磁學、光學理論。

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,在他的論文裏表明,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(幫助愛因斯坦發展出狹義相對論的思想實驗,關於其詳盡細節,請參閱移動中的磁鐵與導體問題)。後來,電動力學又與量子力學合併為量子電動力學。

1820年丹麥物理學家斯特發現在通電的導體周圍存在著磁場,從而知道了電和磁相互依存的關係。由導體中電流所產生的磁場的極性和電流的流動方向有關,它服從右手法則。


折疊編輯本段產生原理


由於經典物中至今還拒絕使用基本粒子的概念來研究磁場問題,致使和電動力學都將產生磁場的原因定義為電荷的定向運動,並將磁鐵的成因解釋為。現代物理證明,任何物質的終極結構組成都是電子(帶單位負電荷),質子(帶單位正電荷)和中子(對外顯示電中性)。點電荷就是含有過剩(帶單位負電荷)或質子(帶單位正電荷)的物質點,因此電流產生磁場的原因只能歸結為運動電子產生磁場。

一個靜止的電子具有靜止電子和單位負電荷,因此對外產生和單位負電場作用。當外力對靜止電子加速並使之運動時,該外力不但要為電子的整體運動提供,還要為運動電荷所產生的磁場提供磁能。可見,磁場是外力通過能量轉換的方式在運動電子內注入的磁能物質。電流產生磁場或帶負電的點電荷產生磁場都是大量運動電子產生磁場的宏觀表現。

同樣道理,由一個運動的帶電荷所產生的磁場,是其中過剩的質子從外力所獲取的磁能物質的宏觀體現。但其磁能物質又分別依附於其中帶有電荷的

傳遞運動電荷或電流之間相互作用的物理場,磁感線分佈(磁場示意圖)磁感線分佈(磁場示意圖)由運動電荷或電流產生,同時對產生場中其他運動電荷或電流發生力的作用。磁場是物質的一種形態。

與磁鐵之間,通過各自產生的磁場,互相施加用力于對方。運動中的電荷會產生磁場。磁性物質產生的磁場可以用運動模型來解釋。

電場是由電荷產生的。電場與磁場有密切的關係;有時磁場會生成電場,有時電場會生成磁場。克斯韋方程組可以描述電場、磁場、產生這些向量場的電流和電荷,這些物理量之間的詳細關係。根據狹義相對論,電場和磁場是磁場的兩面。設定兩個參考系A和B,相對於參考系A,參考系B以有限速度移動。從參考系A觀察為靜止產生的純電場,在參考系B觀察則成為移動中的電荷所產生的電場和磁場。


折疊編輯本段基本特點


與電場相仿,磁場是在一定空間區域內連續分佈的向量場,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。然而,作為一個向量場,磁場的性質與電場頗為不同。

運動電荷或變化電場產生的磁場,或兩者之和的總磁場,都是有旋的向量場,力線是閉合的曲線簇,不中斷,不交叉。換言之,在磁場中不存在發出磁力線的源頭,也不存在會聚磁力線的尾閭,磁力線閉合表明沿磁力線的環路積分不為零,即磁場是有旋場而不是勢場(保守),不存在類似於那樣的標量函數。

在量子力學裏,科學家認為,純磁場(和純電場)是虛光所造成的效應。以標準模型的術語來表達,光子是所有電磁作用的顯現所依賴的媒介。在低場能量狀況,其中的差別是可以忽略的。


折疊編輯本段運動相對性


磁場的運動相對性是指與場源同速運動的觀察者及其檢測儀器都不能測到運動中的場源所產生的磁場,而與場源不同速時則可測到場源的磁場。例如在地球表面參考系中,我們測定靜止於地球表面的電子不產生磁場,但是這個靜止於地球表面的電子卻在不停地隨同地表進行自轉並圍繞太陽公轉。又例如,使導線對外產生磁場的電流是大量電子定向運動的結果。該載流導線在對外產生磁場的同時,其中的每一個運動電子並不被與其同行的其他電子的磁場所干擾,因為所有同行的電子都具有同等磁化而無法感受到其他電子磁場的存在。


折疊編輯本段主要功能

地磁場地磁場
磁場是對放入其中的磁體有的作用的物質,磁場的基本特徵是能對其中的運動施加作用,即通電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,受到影響的區域,顯示出穿越該區域的或置於該區域中的磁極會受到機械力的作用。

當施加外磁場于物質時,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。當磁場被時,這能量可以再回收利用,因此,這能量被視為儲存於磁場。

周圍存在磁場,磁體間的相互作用就是以磁場作為的。電流、運動、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,是向量,單位:(T),1T=1N/A?m。對放入其中的小磁鍼有的作用的物質叫做磁場。磁場是一種看不見,而又摸不著的特殊物質。


折疊編輯本段方向


規定小磁鍼的北極在磁場中某點所受場力的方向為該點磁場的方向 三維磁場圖三維磁場圖在磁體外部,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鍼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發現,他將這個寫入《溪筆談》。書中指出"常微偏東,不全南也"。


折疊編輯本段應用領域


磁現象是最早被人類認識的物理現之一,透過鐵粉顯示出的磁場線。透過鐵粉顯示出的磁場線。指南針是中國古代一大發明。磁場是廣泛存在的,地球,恒星(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,都存在著磁場。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、電動機、變壓、電報、電話、收音機以至加速器、熱核聚裝置、電磁測量儀錶等無不與磁現象有關。甚至在人體內,伴隨著生命活,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。

在古今社會裏,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)。電動機和電機的運作都依賴因磁鐵轉動而隨著時間改變的磁場。通過霍爾效,可以給出物質的帶電粒的性質。磁路學專門研討,各種各樣像壓器一類的電子元件,其內部磁場的相互作用。


折疊編輯本主要種類


恒磁場又稱為靜磁場,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。離開表面越遠,磁場電腦類比演示地球的磁場電腦類比演示地球的磁場越弱,磁場強度呈梯度變化。

1.恒定磁場磁場強度和方向保持不變的磁場稱為恒定磁場或恒磁場,如鐵磁片和通以直流電的磁鐵所產生的磁場。

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。


折疊編輯本常見磁場


以下是兩種常見的磁場:

電磁場

電磁(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,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。

磁場電磁作用的媒遞物,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。電磁以有限的速度傳播,具有可交換的能量和,電磁波與實物的相互作用,電磁波與的相互轉化等等,都證明電磁場是客觀存在的物質,它的"特殊"只在於沒有靜品質。

磁學裏,磁石、、電流、含時電場,都會產生磁場[1]。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,因而顯示出磁場的存在。磁場是一種向量;磁場在空間裏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。

電磁波作為資訊的載體,成為資訊發佈與通信的主要手段,研究內容包括資訊發佈、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、佛蘭克林、伏打等科學家。

19世紀以前,電、磁現象作為兩個獨立的物理現象被廣泛的關注和研究。正是由於這些研究為電磁學理論的建立奠定了基礎。18世紀末期,德國哲學家謝林認為,宇宙是有活力的, 而不是僵死的, 認為電是宇宙的活力和靈魂;電-磁-光-熱現象相互聯繫。奧斯特是謝林的信徒,從1807年開始研究電與磁之間的關係。1820年發現電流以力作用于磁鍼安培發現作用力的方向和電流的方向以及磁鍼到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直,並定量建立了若干數學公式。這表明,電流與磁之間存在著密切的聯繫。法拉第相信電、磁、光、熱相互 聯繫。奧斯特1820年發現電流以力作用於磁鍼後,法拉第敏銳地意識到磁也一定能夠對電產生影響。1821年他開始探索磁生電效應。1831年他發現;當磁捧插入導體線圈時;線圈中產生電流。表明電與磁之間存在密切聯繫。麥克斯韋深入研究並探討了電與磁之間發生作用的問題,發展了場的概念。在法拉第實驗的基礎上,總結了宏觀電磁現象規律,引進位移電流的概念,提出了一組描述電磁現象的規律偏微分方程,即麥克斯韋方程組,建立了宏觀經典電磁場理論德國科學家赫茲, 1887 年用火花隙激勵一個環狀天線,用另一個帶隙的環狀天線接收,證實了麥克斯韋關於電磁波存在的預言,這一重要的實驗導致了後來無線電報的發明。從此開始了電磁場和電磁波理論的應用與發展時代。

地磁場

地磁場(geomagnetic field)是從地心至磁層頂的空間範圍內的磁場。地磁學的主要研究物件。人類對於地一個指向右方的磁偶極子的磁場線。一個指向右方的磁偶極子的磁場線。磁場存在的早期認識,來源於天然磁石和磁鍼的指極性。地磁的北磁在地理的南極附近;地磁的南磁在地理的北極附近。磁鍼的指極性是由於地球的北磁極(為S極)吸引著磁鍼的N極,地球的南磁極(磁性為N極)吸引著磁鍼的S極。這個解釋最初是英國W.吉伯于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。中國古代的著名科學家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過程,即自激發電機效應。非偶極子磁場主要分佈在亞洲東部、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,與岩石和礦體的分佈有關。

地球變化磁場地球核心的流體部分對地球磁場的影響地球核心的流體部分對地球磁場的影響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週期的太陽靜日變化,其場源分佈在電離層中。干擾變化包括、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佈在地球的極光區內。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佈。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。


折疊輯本段宇宙磁場


折疊太陽

太陽普遍磁場指日面寧靜區的微弱磁場,強度約1×10~3×10特斯拉,它在太陽南北兩極區極性相反,觀測發現,通過光球的大多數磁通量管被集中在太陽表面稱作磁元的區域,其半徑為100~300千米,場強為0.1~0.2特斯拉,大多數磁元出現在米粒和超米粒邊界及活動區內。如果把太陽當做一顆恒星,可測到它的整體磁場約3×10-5特斯拉,這個磁場是東西方向的。

太陽活動區磁場

太陽黑子磁場太陽黑子磁場太陽黑子磁場

一般說來,一個黑子群中有兩個主要黑子,它們的磁極性相反。如果前導黑子是N極的,則後隨黑子就是S極的。在同一半球(例如半球),各黑子群的磁極性分佈狀況是相同的;而在另一半球(南半球)情況則與此相反。在一個太陽活動週期(約11年)結束、另一個週期開始時,上述磁極性分佈便全部顛倒過來。因此,每隔22年黑子磁場的極性分佈經歷一個迴圈,稱為一個磁周。強磁場是太陽黑子最基本的特徵。黑子的低溫、物質運動和結構模型都與磁場息息相關。

耀斑與磁場的關係

耀斑是最強烈的太陽活動現象。一次大耀爆發可以釋放1030~1033的能量,這個能量可能來自磁場。在活動區內一個強度為幾百高斯的磁場一旦湮沒,它所蘊藏的磁能便全部釋放出來,足夠供給一次大耀斑爆發。在耀斑爆發前後,附近活動區的磁場往往有劇烈的變化。本來是結構複雜的磁場,在耀斑發生後就變得比較簡單了。這就是耀斑爆發的磁場湮沒理論的證據。

日珥的磁場

的溫度約為一萬度,它卻能長期存在于溫度高達一、兩百萬度的日冕中,既不迅速瓦解,也不下墜到太陽表面,這主要是靠磁力線的隔熱和支撐作用。靜日珥的磁場強度約為10高斯,磁力線基本上與太陽表面平行;活動日珥的磁場強一些,可達200高斯,磁場結構較為複雜。

太陽普遍磁場

除太陽活動區外,日面寧靜區也有微弱的磁場。整個說來,太陽和地球相似,也有一個普遍磁場。不過由於局部活動區磁場的干擾,太陽普遍磁場只是在兩極區域比較顯著,而不象地球磁場那樣完整。太陽極區的磁場強度只有1~2高斯。太陽普遍磁場的強度經常變化,甚至極性會突然轉換。這種情況在1957~1958年和1971~1972年曾兩次觀測到。

太陽整體磁場

如果把太陽當作一顆恒星,讓不成像的太陽光束射進磁像儀,就可測出日面各處混合而成的整體磁場。這種磁場的強度呈現出有規則的變化,極性由負,又由負變正。大致來說,在每個太陽自轉周(約27天)內變化兩次。對這個現象很容易作這樣的解釋:日面上有東西對峙的極性相反的大片磁區,隨著太陽由東向西自轉,科學家們就可以交替地觀察到正和負的整體磁場。總之,太陽上既有普遍磁場,又有整體磁場。前者是南北相反的,後者是東西對峙的。

太陽系磁場結構

太陽磁場的精細結構

通過高解析度的觀測表明,太陽磁場有很複雜的精細結構。就活動區來說,在同一個黑子範圍內各處磁場強度往往相差懸殊;並且在一個就整體說來是某一極性(例如N極)的黑子裏,常含有另一極性(S極)的小磁結點。因此,嚴格說來,單極黑子並不存在。在橫向磁場圖上,不僅各處強度不同,方位角也不一樣。在黑子半影中,較亮條紋與它們之間的較暗區域的磁場也有明顯的差異。在活動區中,磁結點的直徑約為1,000公里,磁場強度為1,000~2,000高斯。黑子磁場的自然衰減時間是很長的。太陽系磁場太陽系磁場

在日面寧靜區,過去認為只有微弱的磁場,其強度約為1~10高斯。可是新的觀測表明,寧靜區的磁場的強度同樣是很不均勻的,也含有許多磁結點。它們在日面上所占面積很小,卻含有日面寧靜區絕大部分的磁通量。具體說來,寧靜區磁結點的範圍還不到200公里,而它們含的磁通量竟占整個寧靜區的90%左右。由於磁通量集中,磁結點的磁場強度可達上千高斯,遠遠超過寧靜區大範圍的平均磁場強度。

行星際磁場的扇形結構

在磁場"凍結"的情況下,太陽風的帶著磁力線跑,於是太陽磁場便彌漫於整個陽系空間。因為太陽在自轉,太陽風所攜帶的磁力就不是直線,而是螺旋線。此外,日面上有整體磁場,相鄰磁區的極性是相反的。這些因素同時起作用,形成行星際磁場的扇形結構。它和太陽整體磁場密切相關,它們的極性幾乎完全一致。太陽整體磁場的極性一旦轉換,行星際磁場的極性立即跟著轉換。

隨著太陽磁場向外擴張,它的強度也就越來越弱。在地球週邊空間,磁場強度還不到萬分之一高斯。然而由於行星際空間的氣體極為稀薄,這樣弱的磁場也能對物質運動產生支配作用。在太陽風的作用下,地磁場被壓縮在地球磁層的範圍內,不能向外延伸。

人們對太陽磁場測量只限於太陽大氣。至於太陽內部磁場,還不能直接測量,只能用理論方法作粗略的估計。有人認為它可能比大氣的磁場強得多。


折疊磁星

magnetic star

"磁星"(Magnetar)是中子星的一種,它們均擁有極強的磁場,透過其產生的衰變,使之能源源不絕地釋出高能量電磁輻射,以X射線及伽瑪射線為主。磁星的理論於1992年由科學家羅伯特·鄧肯(Robert Duncan)及克裏斯托佛·湯普森(Christopher Thompson)首先提出,在其後幾年間,這個假設得到廣泛接納,去解釋軟伽瑪射線復發源(soft gamma repeater)及不規則X射線脈衝星(anomalous X-ray pulsar)等可觀測天體。

具有強磁場的恒星。通常光譜型為A,磁場可以強到3萬T(特斯拉)。磁星的磁場強度還在變化,故又稱磁變星  。磁變星大多為A 型特殊星。一部分磁變星,不僅磁場週期性變化,光度和光譜也變化。光變週期1~25天,變幅一般不超過0.1等。 

形成                                                                                                                                      

當一顆大型恒星經過超新星爆發後,它會塌縮為一顆中子星,其磁場也會迅速增強。在科學家鄧肯及湯普森的計算結果當中,其強度約為一億特斯拉(108 Tesla),在某些情況更可達1,000億特斯拉(1011 T,1015 Gauss),這些極強磁場的中子星便被稱為"磁星"。而地球表面的天然地磁場強度,在赤道附近約3.5×10T,在兩極附近約7×10T。

據估計,每大約十顆超新星爆發中強磁場的中子星強磁場的中子星,便會有一顆能成為磁星,而非一般的中子星或脈衝星。在它們演變成超新星前,自身需擁有強大磁場及高自轉速度,方有機會演化成磁星。有人認為,磁星的磁場可能是在中子星誕生後首十秒左右,透過熾熱內核物質的對流所產生的,情形就如一台發動機。如果在對流現象發生期間同時擁有高自轉速度(週期約10毫秒左右),其產生的電流足以傳遍整顆天體,便足夠把其自轉動能轉為其磁場。相反,如果天體的自轉速度較慢,其內核物質的對流所產生的電流不足以傳遍整顆天體,只在局部區域流動。

短壽命

一顆磁星的外層含有等離子及以鐵為主的重元素,在張力產生期間,天體會出現""(starquake),這種地震能使天體釋放強大能量,包括釋出X射線暴及伽瑪射線暴,天文學家把這種天體稱為"軟伽瑪射線復發源"。

如果把一顆磁星看成為"軟伽瑪射線復發源",它們的壽命相當短暫。""會釋出大量物質及能量,當中物質被困在自身的強大磁場中,繼而在數分鐘內蒸發殆盡,另外其他能以放射形式釋出的物質,其動能來自天體的角動量,使磁星的自轉速度減慢,且比其他中子星減得更快。轉速減慢會連帶其強大磁場一同減弱,到大約一萬年後磁星的"星震"停止,期間仍會釋出X射線,天文學家將之稱為"不規則X射線脈衝星"。再過大約一萬年後,其活動幾近停止。"星震"屬於一種瞬間的大型破壞,當中一些給人們直接記錄,例如2004年12月27日的SGR 1806-20,隨著天文望遠鏡的精確度日高,預計在未來人們能記錄更多類似現象。


折疊火星

火星磁場消失之謎有新解:行星撞擊是元兇

據國外媒體報導,火星磁場到底是如何消失的?來自加拿大多倫多大學的賈法爾·阿爾卡尼-哈梅德日前就該問題提出了一種新的觀點。 阿爾卡尼-哈梅認為,一顆曾在火星附近運行,後來又與之發生碰撞的較大小行星是導致火星磁場消失的真正原因。

在40億年之前,剛形成不久的火星也曾擁有過磁場,而且其強度還與地球磁場非常接近。不過,火星磁場在存在了短暫的時間後便神秘地消失了。

在解釋火星磁場消失的各種觀點中,最主要的一種認為:隨著火星核的冷卻,其中液態金屬的對流逐漸減弱,最終導致了磁場的消失。

為了揭開火星磁場消失的秘密,阿爾卡尼-哈梅德與同事們設計了一套新的電腦模型。他們認為,要想解釋磁場消失的原因,首先應查清它是如何出現的。

拿大科學家表示,當年推動火星液態核心內金屬流運動的力量並非來源於火星內部,而是來自一顆被年輕的火星所俘獲的大型小行星。

根據阿爾卡尼-哈梅德等人的計算,在太陽和木星的聯合作用下,這顆小行星可能曾沿一條穩定的軌道繞火星飛行,兩者之間的距離約10萬公里。不過,在火星引力的作用下,該小行星開始逐漸地向火星靠近。當兩者的距離接近到5-7.5萬公里時,小行星所產生的引力已足夠打破火星核內部原有的平衡,並誘發其中金屬流的運動,進而產生出磁場。小行星在火星上誘發磁場的過程持續了大約5000-15000年。

在此之後,小行星仍在不斷地向火星靠近並使後者的磁場又維持了數百萬年的時間。阿爾卡尼-哈梅認為,如果該小行星的自轉方向與火星的保持一致,或者其沿相反的方向繞火星旋轉,那麼火星磁場還有可能維持更長的時間。

最終,在火星引力的作用下,這顆小行星發生了分裂,有此產生的大量碎片落向火星並孕育出了一些龐大的環形山。

隨著小行星的解體,火星磁場也隨之消失了(確切地說,應是減弱為原先的數百分之一)--火星核內部原有的對流現象太弱,不足以孕育強大的磁場。

而磁場的消失可能還在火星氣候變化的過程中發揮了極其重要的作用。據科學家們估價,在磁場消失後,火星的氣候逐漸由原先的溫暖濕潤變得寒冷乾旱。

火星磁場消失之謎有新解:火星內核被熔化

瑞士科學家們通過實驗室模擬實驗得出結論稱,數億年前就消失了的火星磁場不久後將再次恢復。據《新科學家》雜誌報導稱,科學家們研究發現,火星的部分內核被熔化是導致火星磁場消失的主要禍首。

以瑞士聯邦工學院(位於蘇黎世)的安德魯-斯圖阿爾特為首的瑞士科研小組通過模擬實驗成功再現了火星內核部分地區的壓力和溫度。在此次模擬實驗中,科學家們利用填充了鐵、鎳和硫混合物的金剛石密封艙,它的壓力被調節到了40兆帕斯卡。通過實驗,研究人員成功發現,在火星內核溫度達到1500開氏度時,密封艙內的混合物應該處於液態狀。不過內核外層會出現固化現象。當然,只有在火星內核中硫的含量不超過10.6%時才會出現上述現象。科學家們稱,這可以解釋火星的磁場為何消失了,同時也可以解釋地球的磁場為何至今仍然存在。科學家們認為,地球磁場之所以至今依然存在,就是因為地核內部是固態的。固態地核內層與被熔化了含大量鐵的外層相互摩擦便產生了地球磁場,其工作原理類似於直流發電機。

科學家們表示,如果火星內核被熔化了的部分能夠重新結晶變成固態形式,那麼消失已久的火星磁場還將再次出現。


折疊本段技術術語


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。規定小磁鍼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。

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,磁鐵演示磁場磁鐵演示磁場又叫磁力線的密度,也叫磁通密度,用B表示,單位為特斯拉(T)。

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運算式為:Φ=B·S(其中B為磁感應強度,S為該線圈的面積。) 1Wb=1T·m

安培:(左手定則)F=BIL×Sinθ 向量運算式:F=I×BL

洛倫茲力:(左手定則)(微觀上)F=qvBSinθ 向量運算式:F=qv×B



折疊編輯本模擬實驗


電腦類比系統破解地球磁場南北顛倒之謎

美國《國家地理雜誌》發表文章解釋了地球磁場"南北顛倒"的原因。1845年德國數學家卡爾·高斯開始記錄地球磁場資料,與那時相比,今天的磁場強度減弱了近10%左右。而且這種勢頭還將繼續。

從地質記錄來看,地球磁場平均大約每20萬年翻轉一次,不過時間也可能相差很大,並不固定,上一次磁場翻轉是在78萬年前。

專家認為,地球磁場來自地球深處的地心部分。的地心四周是處在熔解狀的鐵和鎳液體近日地空間的地球磁層圖近日地空間的地球磁層圖。地心在金屬液中的運動,產生了電流,形成了地球磁場。而該磁場遮罩了宇宙射線,主要是太陽風暴對地球的襲擊,保護了地球生命的延續。科學家發現,山岩漿凝固時,其中的鐵總是按磁場方向排列。專家把這一現象稱為地球動,地球磁場是由地球動力支配的,他們根據這一理論發展的電腦類比系統發現,地心周圍的液體物質,總是處在不穩定狀態,以非常緩慢的速度轉動,一般大約每年移動一度。然而在受到某種干擾時,這個速度會變得越來越快,使原有的磁場偏離極地越來越遠,最後發生南北極互換的現象。

幾萬年來,蜜蜂、鴿子、鯨魚、鮭魚、紅龜、辛巴鼴鼠等動物一直依賴先天性的本能在磁場的指引下秋移春返,一旦磁場消失,它們的命運很難預測。

地球磁極變換不會造成災難

大家都知道地球磁極要隨著時間流逝而變換,南極變北極,北極變南極。而且兩次變換之間的時間間隔不等,平均為25萬年。

科學家發現,活動太陽的磁場活動太陽的磁場此前的一次變換發生在75萬年前,因此他們預料,不久還會發生新的兩極變換。這樣就產生了一個問題:地球磁極變換會不會使地球磁場短時間消失,從而失去了防止宇宙帶電粒子到達地球的能力,引起一些科幻電影所描述的嚴重自然災害呢?

德國慕尼克大學的赫拉德·勒施等人的研究發現,不會發生這樣的災難,而其中的拯救英雄就是太陽風。 赫拉德·勒施等人發現,由帶電粒子組成的太陽風,將在瞬間建立起一個新磁場。

另外,由於太陽風和地球等離子層運動速度相差很大,太陽風將很快在距離地面350公里的高度建立起一個磁保護傘,這個磁保護傘的磁場強度大致與地磁磁場強度一樣。它們可以將宇宙中的帶電粒子擋在地球大氣層外,地球上的生物依然可以高枕無憂


折疊編輯本段生理影響


自然界磁輻射對大腦夢幻的影響

在自然界中,存在著地磁和大量的宇宙空間物質射線以及太陽輻射波,這些磁波會對人類的大腦和臟器形成刺激性影響。這些磁波輻射對生物成長有一種促進作用,同時,人體與磁場也存在一定的內在關聯性。宇宙本身就是一個強大的磁場空間,沒有宇宙強大的磁場作用力,也就沒有自然界生物細胞的合成,地球上面的生物也就不會存在。人類的夢中幻覺,大部分是由於空間磁輻射所引起的,強大的磁波輻射也可以給人類造成重大的傷害,也可以引起空間的人體核磁共振效應。自然界的諸多奇異現象都存在強磁場的力作用,可造成信鴿對地理位置辨別的失效,可造成人類方向性的判別錯誤,也可造成人類大腦的噩夢幻覺聯想。


折疊編輯本研究進展


2014年7月,根據歐洲航天局Swarm衛星陣列搜集到的資料顯示,在過去的六個月時間裏,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,從資料上分析,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週期的一部分,但是Swarm搜集的資料顯示,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,但是資料顯示地球磁場實際的衰減速度達到了每10年5%,是人們想像中的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,不過按照最新的資料,翻轉很可能很快就會發生。


折疊霍爾效應

主條目:霍爾效應霍爾效應實驗證實,金屬導體的電荷載子是電子,而不是離子。

如左圖所示,假設,處於磁場的一條寬片型載流導線,其電流垂直於磁場,則其電荷載子會因為感受到洛倫茲而偏向一邊,從而在垂直於磁場、電流的方向產生電壓於導線兩側。1879年,艾德溫·霍爾(Edwin Hall)發現這效應,稱為霍爾效應。由於能夠辨明電荷載子到底帶有正電還是帶有負電,這效應最先證實,在載流導線裏流動的電流,是由移動中的電子形成的,與質子無關。

磁強計(magnetometer)應用霍爾效應為運作原理,可以用來測量磁場,或檢查像不銹鋼管道一類物體因腐蝕而產生的通量洩漏(magnetic flux leakage)。由於霍爾效應元件產生的訊號幅值非常微弱,必須加以放大,才能被偵測,所以,現在許多霍爾效應感測器都加入一個高增益體電路放大器。霍爾效應感測器可以用來測量磁場、旋轉速度、液體流速、電流、壓力等等。

在半導體領域,霍爾效應也可以應用於偵測在半導體一類物質內的主要電荷載子是負電子還是正空穴。

霍爾效應推進器是一種低功率的子推進器。當太空船進入軌道或太空時,可以用霍爾效應推進器來推進太空船。

流覽人數:267發佈時間:2017-09-05
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