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磁通量
來源:互聯網

磁通量(Magnetic flux)是表示磁場分布情況的物理量,是通過磁場中任一面元的磁感應線條數,度量通過某給定曲面的磁場的大小,簡稱為磁通。

磁通量符號為 Φ,國際單位制單位是特斯拉·米2(T·m2)或韋伯(Wb),1Wb=1T·m2。磁通量的量綱是ML2T-2I-1。在高斯單位制中,磁通量的單位是詹姆斯·麥克斯韋(Mx),單位換算是1 maxwell=10-8Wb。

一般情況下,磁通量是通過磁場在曲面面積上的積分定義的,數學表達式為Φ=∫SB·dS。當勻強磁場B與S平面垂直時,Φ=B·S;如果勻強磁場B不與所研究的平面垂直,則用這個面在垂直于磁場B的方向的投影面積S與B的乘積表示磁通量,即Φ=B·S·cosθ,式中θ是面元的法線方向n與磁感應強度B的夾角。

定義

磁通量是通過某給定曲面的磁場(磁通量密度)的大小的度量,表示磁場分布情況。磁通量符號為 Φ,國際單位制單位是特斯拉·米2(T·m2)或韋伯(Wb),1Wb=1T·m2。

磁通量是通過磁場在曲面面積上的積分定義的,即。當勻強磁場與平面垂直時,;如果勻強磁場不與所研究的平面垂直,則用這個面在重直于磁場的方向的投影面積與的乘積表示磁通量,即,式中是面元的法線方向與磁感應強度的夾角。

歷史沿革

1831年,邁克爾·法拉第(Faraday)發現了電磁感應,并提出了法拉第電磁感應定律。在法拉第電磁感應定律中,磁通量的改變會誘導回路中的電動勢。這一定律是電機、變壓器等設備的重要理論基礎,后被推廣成為詹姆斯·麥克斯韋法拉第方程麥克斯威(上海)商貿有限公司Faraday equation)。

詹姆斯·麥克斯韋(Maxwell)在19世紀50年代至19世紀70年代期間發表一系列論文,完成了電磁學理論統一。1865年,麥克斯韋方程的最終形式發表于的《電磁場的動力學理論》,其中以嚴格的數學形式表述了該理論。1873年,詹姆斯·麥克斯韋出版了《電與磁論》,作為他對電磁學工作的總結。后來,奧利弗-海維塞德(Oliver Heaviside)研究了詹姆斯·麥克斯韋的《電與磁論》,并使用向量微積分將麥克斯韋的20多個方程式合成為現代物理學家使用的4個可識別的方程式。

麥克斯韋方程的實驗證明是由海因里希·赫茲在19世紀90年代的一系列實驗中證明的,此后麥克斯韋方程被科學家完全接受。詹姆斯·麥克斯韋認為光的傳播需要波的介質,稱為以太。1905~1915年間,阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)的相對論進一步論證了時間、空間、質量、能量和運動之間的關系,說明電磁場就是物質的一種形式。

磁通量的國際單位制單位是以德國物理學家威爾海姆·愛德華特·韋伯(Wilhelm Eduard Weber)的名字命名的,韋伯在物理學中的主要貢獻是測定了電荷的靜電單位和電磁單位的比值。1949年,維爾納·艾倫伯格(Werner Ehrenberg)和雷蒙德·埃爾德雷德·西迪(Raymond Eldred Siday)預言了阿哈羅諾夫-玻姆效應(Aharonov-Bohm effect,簡稱AB效應)。1959年亞基爾·阿哈羅諾夫(Yakir Aharonov)和大衛·玻姆(David Bohm)發表了他們對AB效應研究的論文。AB效應可以推導出磁通量的量子化。

原理

通過閉曲面的磁通量——高斯磁定律(Gauss's law for magnetism)

磁通量的高斯定理是麥克斯韋方程組之一,它說的是穿過閉合曲面的總的磁通量是零。數學表達式是∮B·dA=0或者寫成微分形式?·B=0。其中B為磁場強度,A為磁場方向的投影面積。這定律是依據還沒有發現磁單極這一經驗得出的。在現有的理論中,磁場是無源場,也就是說磁單極子不存在。在實驗中尚未發現磁單極子,但是理論上不排除磁單極子存在的可能性。由物質產生的磁場是被一種稱為偶極子的位形所生成。磁偶極子最好是用電流回路來表示。磁偶極子好似不可分割地被束縛在一起的正磁荷和負磁荷,其凈磁荷為零。磁場線沒有初始點,也沒有終止點。磁場線會形成循環或延伸至無窮遠;換而言之,進入任何區域的磁場線,也從該區域離開。

通過開曲面的磁通量——法拉第感應定律(Faraday's law of induction)

通過開曲面的磁通量可能不為零,例如,當通過一個導電線環的磁通量發生變化,這一變化會引起電動勢的生成,并因此在線環中產生電流。法拉第定律指出,電動勢由磁通量的變化率給出,數學表達式為ε=-dΦ/dt。

參考資料 >

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麥克斯韋方程進化史.海南大學信息與通信工程學院.2023-10-20

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大學物理(二).中國大學MOOC.2024-01-12

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