磁的基本现象

磁性:自然界中有一种物质，如铁、镍和钴，在一定条件下可以相互吸引，称为磁性。
磁化:磁化上述物质的过程。
磁性物质/磁介质：能被磁化或被磁性物质吸引的物质。
能保持磁性的磁性物质称为永久磁铁。磁铁两端磁性最强的区域称为磁极。如果悬挂棒状磁铁，磁铁的一端指向南方，另一端指向北方。指向南方的一端是南极S；指向北方的一端是北极N。南极或北极不能单独存在。如果磁铁分为两部分，它们将成为南极和北极的两个新磁铁。
如果两个磁极靠近，则在两个磁极之间产生作用力：同性相斥、异性相惜。这个作用力是在磁极周围空间传递的，这里存在磁力作用的特殊物质，称为磁场。
磁场具有一定的能量，就像物体的万有引力场和电荷电场一样。它本身的特点是：
- 磁场对载流导体或运动电荷的性能力。
- 在磁场中运动时，载流导体要做功。
图像描述磁场，将小磁针放在磁铁附近，在磁力作用下，小磁针将排列成相应的形状。从磁铁的N极到S极的小磁针排列成一条光滑的曲线，称为磁线、磁感应线或磁线。
将N极指向S极定义为正方向。磁线是磁铁外部和内部的连续闭合曲线。曲线每个点的切线方向是磁场方向。力线的数量代表磁场的强度。在磁极附近，力线密集，表示磁场强；在磁极的中心表面附近，力线稀疏，表示磁场非常弱。
注：磁场中没有真正的线存在于磁场中，也没有物理量在这些线条中流动，只是磁现象的概念形象。

电流与磁场

物质的磁性是由电流产生的。

永久磁铁的磁性是由分子电流产生的，分子电流是由磁性材料原子中的电子围绕原子核旋转和旋转形成的。电子运动形成一个小磁体，在晶格中排列在一个方向，形成一个小磁区域——磁畴。

电流和磁场是不可分割的，磁场是由电流产生的，电流总是被磁场包围。

运动电荷或载流导体产生磁场。可归纳为安培定则，即右手定则。

右手定则/安培定则
- 螺管线圈：右手握住螺管，四个指向电流方向，拇指指向磁场方向。
磁场分析两个平行载流体导体
- 给出下图
- 每个导体流过相等的电流，但方向相反，即一对连接到负载的导线。
- 实现代表磁通、虚线等位面的截面图。
- 每根导线都有一个独立的磁场，磁场是对称的，并从导线中心向外径向辐射，随着离导体距离的增加，磁场的强度降低。
- 由于产生场的电流方向相反，两个场的值相等，但极性相反。两个场叠加在一起，导线之间的区域相互增强，能量最大；在导线周围的其他地方，特别是远离两个导线的外部磁场强度相反，几乎相等，并倾向于抵消。
空心线圈磁场分析
- 如下图所示
- 在线圈中叠加每根导线的单个场，产生高度集中、线条流畅的场。
- 在线圈外，场是发散的，很弱。
- 虽然存储在线圈中的能量密度很高，但由于体积扩展到无限大，在线圈外的弱磁场中也存储相当大的能量。
注：磁场不能被绝缘物体隔离，磁绝缘不存在。然而，磁场可能会短路。如果将空心线圈放入铁盒中，盒子提供磁回路径，盒子屏蔽线圈和外部。

磁性单位和电磁基本定律

磁感应强度

为了测量磁场的强度，可以通过电磁之间的力来定义。将单位长度的导线放置在均匀的磁场中，通过单位电流的力表示磁场的强度-磁感应强度 B ˙ \dot{B} B˙。定义关系如下 B ˙ = F ˙ I l \dot{B}=\frac{\dot{F}}{Il} B˙=IlF˙
磁感应强度表示磁场内某点磁场的强度和方向的物理量。
B ˙ \dot{B} B˙是矢量。力 F ˙ \dot{F} F˙，电流 I I I(在导线 l l l内流通)和磁感应强度 B ˙ \dot{B} B˙三者之间是正交关系，通常用左手定则确定。
左手定则：伸开手指，四手指指向电流方向，大拇指指向力的方向，则磁场指向手心。如果磁场中各点的磁感应强度是相同的且方向相同，则此磁场是均匀磁场。
单位问题， B ˙ \dot{B} B˙在国际单位制（SI）中是特斯拉，简称特，代号T。在电磁单位制（CGS）中为高斯，简称高，代号Gs。关系为 1 T = 1 0 4 G s 1T=10^4Gs 1T=104Gs。

磁通

垂直通过一个截面的磁力线总量称为该截面的磁通量，简称磁通。

磁通用 ϕ \phi ϕ表示，通常磁场方向和大小在一个截面上并不相同，则通过该截面积 A A A的磁通量用面积分求得：

d ϕ d\phi dϕ：通过单元 d A ˙ d\dot{A} dA˙截面积的磁通；
α \alpha α：截面的法线与 B ˙ \dot{B} B˙的夹角。

在一般磁芯变压器和电感中，给定结构磁芯截面上，或端面积相等的气隙端面间的磁场 B ˙ \dot{B} B˙基本上是均匀的，则磁通可以表示为： ϕ = B A \phi =BA ϕ=BA
磁通是一个标量，单位在SI制中为韦伯，简称韦，代号Wb，可有 B B B和 A A A的单位导出： 1 ( W b ) = 1 ( T ) × 1 ( m 2 ) 1(Wb)=1(T)×1(m^2) 1(Wb)=1(T)×1(m2)在CGS单位制中磁通单位为麦克斯韦，简称麦，代号Mx，关系： 1 M x = 1 G s × 1 c m 2 1Mx=1Gs×1cm^2 1Mx=1Gs×1cm2可推出： 1 M x = 1 0 − 8 W b 1Mx=10^{-8}Wb 1Mx=10−8Wb
在均匀磁场中，磁感应强度可以表示为单位面积上的磁通，由等式可得： B = ϕ A B=\frac{\phi}{A} B=Aϕ 所以磁感应强度也可以称为磁通密度，可见： 1 G s = 1 0 − 4 W b / m 2 = 1 0 − 8 W b / c m 2 1Gs=10^{-4}Wb/m^2=10^{-8}Wb/cm^2 1Gs=10−4Wb/m2=10−8Wb/cm2
因为磁力线是无头无尾的闭合线，所以，对于磁场内任意闭合曲面，进入该曲面的磁力线应当和穿出该曲面的力线数相等，即穿过闭合曲面磁通总和为0，这称为高斯定理。

磁导率和磁场强度

磁导率（ μ \mu μ）

电流产生磁场，但电流在不同的介质中产生的磁感应强度是不同的。
在相同条件下，铁磁介质中所产生的磁感应强度比空气介质中大得多。为了表征这种特性，将不同的磁介质用一个系数 μ \mu μ来表示， μ \mu μ称为磁导率，表征物质的导磁能力。在介质中， μ \mu μ越大，介质中磁感应强度 B B B就越大。
真空中的磁导率一般用 μ 0 \mu_0 μ0表示。空气、铜、铝和绝缘材料等非磁材料和真空磁导率大致相同。而铁、镍、钴等铁磁材料及其合金的磁导率都比 μ 0 \mu_0 μ0大10~10⁵倍。
起初，将真空磁导率 μ 0 \mu_0 μ0定义为1，其他材料的磁导率实际上是真空磁导率的倍数。沿用了很长时间，且影响了一些基本关系式的表达，就是公式中常出现的4π，这就是非合理化单位制（CGS）的来由。近代物理经过测试，实际真空磁导率为 μ 0 = 4 π × 1 0 − 7 H / m \mu_0=4π×10^{-7}H/m μ0=4π×10−7H/m 。因此其他材料的实际磁导率应当是原先磁导率乘以 μ 0 \mu_0 μ0，因为在 μ 0 \mu_0 μ0包含了4π，这样在所有表达式中没有了讨厌的4π，形成了合理化单位制（MKS制）。将其他材料磁导率高于真空磁导率的倍数称为相对磁导率 μ r \mu_r μr 。

磁场强度（ H ˙ \dot{H} H˙）

用磁导率表征介质对磁场的影响后，磁感应 B ˙ \dot{B} B˙与 μ \mu μ的比值只有与产生磁场的电流有关。即在任何介质中，磁场中某点的 B ˙ \dot{B} B˙与该点的 μ \mu μ的比值，定义为该点的磁场强度 H ˙ \dot{H} H˙，即 H ˙ = B ˙ μ \dot{H}=\frac{\dot{B}}{\mu} H˙=μB˙ H ˙ \dot{H} H˙也是矢量，其方向与 B ˙ \dot{B} B˙相同。
所谓某点磁场强度大小，并不代表该点磁场的强弱，代表磁场强弱是磁感应强度 B ˙ \dot{B} B˙。比较确切地说，矢量 H ˙ \dot{H} H˙应当是外加的磁化强度。