場量：磁場

磁場是一種向量場，用於描述靜止電荷電流、磁性材料的磁影響。處於磁場中的電荷會受到垂直於其自身速度和磁場的力。

在電磁學中，磁鐵、載流導線和時變電場都會產生磁場。處於磁場中的磁性材料或電流會感受到磁力。因此，磁場是一種向量場，具有方向和數值大小。

磁鐵之間透過各自產生的磁場互相施加作用力。運動電荷也會產生磁場。磁性材料的磁場可以用電荷運動模型來解釋。

施加外磁場於物質時，物質內部會被磁化，出現大量微小的磁偶極子。磁化強度估量物質被磁化的程度。根據磁化強度，可以計算出磁性材料本身產生的磁場。磁化需要能量，當磁場被湮滅時，這能量可以被回收利用。

電場是由電荷產生的。電場與磁場有密切關係。時變磁場會產生電場，時變電場會產生磁場。馬克士威方程組描述電場、磁場、產生這些向量場的電流和電荷。

在量子力學中，純磁場與純電場是由虛光子產生的。對於大多數場景，使用經典理論即可。

磁場概念涉及到許多對世界文明有重大貢獻的發明。地球可以產生自己的磁場，這在導航方面非常重要，因為指南針的指北極準確地指向地球地理北極附近的磁地北極。電動機和發電機的工作原理是靠磁鐵轉動使得磁場隨時間而改變。通過霍爾效應，可以確定物質的帶電粒子性質。磁路學探討各種電子元件內部的磁場相互作用。

磁場可以通過幾種等價的方法來定義。類似電場，磁場會對電荷施加作用力。與電場不同的是，它只對運動電荷施加作用力，而且作用力的方向垂直於磁場本身和電荷速度。

這種作用力稱為勞侖茲力，表示為：

其中：

• F 是勞侖茲力
• q 是電荷量
• v 是電荷速度
• B 是磁場強度

另一種定義磁場的工作方式是由處於磁場中的磁偶極子所感受到的力矩給出，表示為：

τ = μ × B

• τ 是力矩
• μ 是磁偶極矩
• B 是磁場強度

雖然很早以前，人類就已知道磁鐵和其奧妙的磁性，但最早出現的幾個科學著作之一是由法國學者皮埃·德馬立克於公元1269年寫成的。德馬立克詳細標記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。

西莫恩·帕松在1824年提出了一個物理模型，比較能夠描述磁場。帕松認為磁性是由磁荷產生的。

儘管帕松模型有其成功之處，但也有兩點嚴峻瑕疵。第一，磁荷並不存在。第二，這模型不能解釋電場與磁場之間的關聯性。

1820年代的一系列革命性發現推動了現代磁學理論的開展。首先，丹麥物理學家漢斯·奧斯特發現載流導線的電流會施加作用力於磁針，使磁針指向載流導線。稍後，安德烈-瑪麗·安培成功地展示出，如果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，如果流向相反，則會互相排斥。讓-巴蒂斯特·必歐和菲利克斯·沙伐於10月共同發表了必歐-沙伐定律，這定律可以正確地計算出在載流導線四周的磁場。

安培又在1825年發表了安培定律。這定律也能夠描述載流導線產生的磁場。更重要的是，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，隨著時間而變化的磁場會產生電場。

從1861年到1865之間，詹姆斯·馬克士威將經典電學和磁學雜亂無章的方程式加以整合，發展成功馬克士威方程組。

雖然有了極具功能的馬克士威方程組，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。

在各個學術領域裡，磁場會被用來稱呼兩種不同的向量場，分別標記為 H 和 B：

雖然「磁場」這個詞彙在歷史上已先被 H 場佔有，而只能將 B 場稱為「磁感應」，但是現在多數物理學家公認 B 場為更基本的物理量，因此他們稱呼 B 場為「磁場」，電機電子工程師學會則將 H 場定義為「磁場」，B 場定義為「磁通量密度」。如下表所示，B 場和 H 場的習慣命名並不一致。為了分歧義，在本文章裡，磁感應強度指的是 B 場，磁場強度指的是 H 場，而磁場則依上下文而定，通常指的是 B 場。

| 物理量 | 國際單位制 | 導出單位 | 名稱 |
|---|---|---|---|
| 磁感應強度 | 特斯拉 | T | B |
| 磁場強度 | 安培／公尺 | A/m | H |

其中，

• μ₀ 是磁常數，
• M 是磁化強度。

對於線性物質，磁化強度 M 與 B 場成正比，所以，B 場與 H 場之間的關係為：

B = μH

• μ’ 是磁導率。

在自由空間裡，磁化強度等於零，所以，

B = μ₀H

對於很多其它物質，磁化強度與 B 場之間的關係相當複雜。例如，鐵磁性物質和超導體的磁化強度是 B 的多值函數。這現象稱為遲滯現象。

在國際單位制裡，B 場的單位為特斯拉，等價於韋伯／平方米，或伏特·秒／平方米。在 CGS 單位制裡，B 場的單位為高斯。1 特斯拉等於 10,000 高斯。在國際單位制裡，H 場的單位為安培／公尺；在 CGS 單位制裡，H 場的單位為奧斯特。1 奧斯特定義為：

1000/4π ≈ 79.5774715 A/m

精密儀器能夠測量到的最微小磁場的數量級為阿託特斯拉（10⁻¹⁸ 特斯拉）；實驗室能夠製備的最強烈磁場為 2800 特斯拉。很多像磁星一類的天文星體，其磁場值域為 0.1 至 100 吉咖特斯拉（10⁸ 至 10¹¹ 特斯拉），超強於最強烈的實驗室磁場。

磁強計是測量局域磁場的儀器。磁強計又分為很多類，重要的幾類

磁場：無所不在的隱形力量

磁場是一種看不見的力場，它存在於被電流或磁鐵包圍的空間中。磁場由移動的電荷或磁性材料產生，具有方向性，通常用向量來表示。

磁場的性質

• 方向性：磁場具有確定的方向，可以用磁力線表示。磁力線從磁鐵的北極流向南極，或從電流的右側流向左側。
• 強度：磁場的強度用磁通量密度來表示，單位是特斯拉（T）。磁鐵或電流強度的增加會導致磁場強度的增加。
• 疊加性：多個磁場在同一點疊加時，會產生一個合成的磁場。

磁場的產生

• 移動電荷：移動的電荷會產生磁場。例如，電流流過導線時，會產生環繞導線的磁場。
• 磁性材料：鐵、鈷、鎳等磁性材料具有永久磁性，可以產生磁場。

磁場的應用

磁場在日常生活和工業中有著廣泛的應用，包括：

磁場的影響

磁場會對電流、磁性材料和其他磁場產生影響。這些影響包括：

磁場可以用稱為高斯計或特斯拉計的儀器來測量。這些儀器通過檢測磁通量密度來確定磁場的強度和方向。

總結

磁場是一種無所不在的隱形力場，它由移動的電荷或磁性材料產生。磁場具有方向性和強度，可以由多個磁場疊加產生合成的磁場。磁場在日常生活中和工業中都有廣泛的應用，並會對電流、磁性材料和其他磁場產生影響。