地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第七章电(13)
在物理本质上,位移电流与传导电流仅仅在激发磁场这一点上是等效的。位移电流产生变化的电场,并不涉及电荷的运动,不会产生焦尔热;而传导电流是自由电荷的定向移动,因而通过是会产生焦尔热的。所以要想保持坡印廷矢量大小不变,就应当往电路中不断补充能量。电路中能量的转变,储存,传输,都是以电磁场能量的形式进行的。????坡印廷矢量转变为电阻焦耳热的公式,证明在通有稳恒电场的导体内部储存的电场能量和磁场能量,电磁场能量完全转化为热能量。引出了对坡印廷矢量的思考,探求了坡印廷矢量与焦耳热之间的关系,证明了电路中的能量储存与传输都是依靠电磁场进行的,认识到坡印廷矢量是一个相当重要的物理量,它的引入对于阐述电磁场与电磁波的能量传输及能量损耗有着十分重要的意义。
场能密度和能流密度是能量贮存于场中这种观点的完备描述。按此观点,即使在直流电路情形,电源中的能量也不是通过电路中的电流传输到负载电阻去的,而是以电路周围电磁场能流的形式传输到负载电阻去的。在交流电路中,在各种电磁耦合的器件中,在电磁波的传播以及电磁辐射中,能量无一不是通过电磁场能流的形式传输的。
磁力线又叫做磁感线。人们将磁力线定义为处处与磁感应强度相切的线,磁感应强度的方向与磁力线方向相同,其大小与磁力线的密度成正比。了解磁力线的基本特点是掌握和分析磁路的理论基础。
理论和实践均表明,磁力线具有下述基本特点:
1、磁力线是人为假想的曲线;
2、磁力线是由无数条组成的;
3、磁力线是立体分布的;
4、所有的磁力线都是不会交叉的;
5、磁力线的相对疏密表示磁性的相对强弱,即磁力线疏的地方磁性较弱,磁力线密的地方磁性较强;
6、磁力线总是从 N 极出发,进入与其最邻近的 S 极,并形成闭合回路。这一现象在电磁学中称为磁通连续性定理。
同电流类似,磁力线总是走磁阻最小(磁导率最大)的路径,因此磁力线通常呈直线或者曲线,就不存在呈直角拐弯的磁力线。任意二条同向磁力线之间相互排斥,因此不存在相交的磁力线。当铁磁材料未饱和时,磁力线总是垂直于铁磁材料的极性面。当铁磁材料饱和时,磁力线在该铁磁材料中的行为与在非铁磁性介质(如空气、铝、铜等)中一样。
由于磁力线具有这些基本特性,由此介质的磁化状态取决于介质的磁学特性和几何形状。显而易见,在通常情况下,介质都处于非均匀磁化状态,也就是说通常介质内部的磁力线都成曲线状态且分布不均匀;另外,由于在自然界虽存在电的绝缘体,但不存在磁的绝缘体,使得通常的磁路都存在漏磁现象。介质处于非均匀磁化状态和磁路都存在漏磁这二个特征,就决定了磁路的准确计算变得非常复杂。
我们可以假想,在磁极之间存在着一种曲线,它代表着磁极之间相互作用的强弱。这种假想的曲线称为磁力线,并规定磁力线从N极出发,最终进入S极。这样,只要有磁极存在,它就向空间不断地发出磁力线,而且离磁极近的地方磁力线密,而远处磁力线稀疏。
有了磁力线,我们就可以很方便地描述磁铁之间的相互作用。但是必须明白,磁力线是我们为了理解方便而假想的,实际上并不存在。在磁极周围的空间中真正存在的不是磁力线,而是一种场,我们称之为磁场。磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的。我们知道,物质之间存在万有引力,它是一种引力场。磁场与之类似,是一种布满磁极周围空间的场。磁场的强弱可以用假想的磁力线数量来表示,磁力线密的地方磁场强,磁力线疏的地方磁场弱。单位截面上穿过的磁力线数目称为磁通量密度。
物质的磁性不但是普遍存在的,而且是多种多样的,并因此得到广泛的研究和应用。我们的身体和周边的物质,远至各种星体和星际中的物质,微观世界的原子、原子核和基本粒子,宏观世界的各种材料,都具有这样或那样的磁性。世界上的物质究竟有多少种磁性呢?一般说来,物质的磁性可以分为弱磁性和强磁性,再根据磁性的不同特点,弱磁性又分为抗磁性、顺磁性和反铁磁性,强磁性又分为铁磁性和亚铁磁性。这些都是宏观物质的原子中的电子微观表现的磁性,原子中的原子核也具有磁性,称为核磁性。但是核磁性只有电子磁性的约千分之一或更低,故一般讲物质磁性和原子磁性都主要考虑原子中的电子磁性。原子核的磁性很低,由于原子核的质量远高于电子的质量,而且原子核磁性在一定条件下仍有着相对重要的应用。
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