磁通量,符號為 \Phi_B,是通過某给定曲面的磁場(亦称为磁通量密度)的大小的度量。磁通量的国际单位制單位是韦伯。
描述
给定曲面上的磁通量大小与通过曲面的磁場線的个数成正比。此处磁场线的个数是个“净”数量,即从一个方向上通过的个数减去另一个方向上通过的个数。当一个均匀磁场垂直通过一个平面,磁通量即是磁场与该平面面积的乘积。当均匀磁场\mathbf{B}以任意角度通过一个平面,磁通量即是磁场与该平面面积\mathbf{a}的点积。
:\displaystyle \Phi_B = \mathbf{B} \cdot \mathbf{a} = Ba \cos \theta
其中,\theta是磁场\mathbf{B}和平面面积法向量\mathbf{a}的夹角.
在一般情况下,磁通量是通过磁場在曲面面积上的积分定義的(见图1和图2)。
:\Phi_B = \iint\limits_S \mathbf{B} \cdot d\mathbf S
其中,\Phi_B \ 為磁通量,\mathbf{B}為磁感應強度,S为曲面,\cdot为点积,d\mathbf{S}为无穷小向量(见曲面积分)。
磁通量通常通过通量计进行测量。通量计包括测量线圈以及估计测量线圈上电压变化的电路,从而计算磁通量。
通过闭曲面的磁通量
高斯磁定律是四條麥克斯韋方程之一,指出通過一闭曲面的磁通量為零。這定律是依据还没有发现磁單極这一经验得出的。
高斯磁定律為,对任意闭曲面:
:\Phi_B=\int \!\!\! \int \mathbf{B} \cdot d\mathbf S = 0,
通过开曲面的磁通量
即使通过闭曲面的磁通量是零,通过开曲面的磁通量可以不是零,而且,它是电磁学中一个重要的物理量。例如,当通過一个導電线环的磁通量发生变化,这一变化會引起電動勢的生成,並因此在线环中產生電流。其關係式可由法拉第電磁感應定律得出:
:\mathcal{E} = \oint_{\partial \Sigma (t)}\left( \mathbf{E}( \mathbf{r},\ t) +\mathbf{ v \times B}(\mathbf{r},\ t)\right) \cdot d\boldsymbol{\ell} = -{d\Phi_B \over dt},
其中(见图3):
:\mathcal{E}为電動勢
:\Phi_B为通过开曲面的磁通量,这一开曲面的边界为\partial \Sigma (t)
:\partial \Sigma (t)为一个随时间变化的闭曲线
:d\boldsymbol{\ell}是边界\partial \Sigma (t)无穷小向量元
:\mathbf{v}是线段d\boldsymbol{\ell}的速度
:\mathbf{E}为电场
:\mathbf{B}为磁场
在上述公式中,电动势的生成可以有两种解释:由洛伦兹力引起的电荷在闭合曲线\partial \Sigma (t)上的运动;通过开曲面\Sigma (t)的磁通量。这一公式即是發電機的原理。
与电通量的比较
麥克斯韋方程中的高斯電場定律為:
:\Phi_E = \int \!\!\!\int_S \mathbf{E}\cdot d\mathbf{S} = {Q \over \epsilon_0},
其中
:\mathbf{E}為電場
:S為任意闭曲面
:Q为曲面S包围的电荷
: \epsilon_0 為真空電容率。
注意,通过闭曲面的\mathbf{E}的通量“并不总是”零,這裡指出電“單極”的存在,即自由的正負電荷。
磁通量的計算
磁通量Φ的表达式一、Φ=BSsinα其中α为磁场方向与平面夹角。 二、Φ=BScosα其中α为平面与平面在垂直于磁场方向上射影的夹角。 公式中磁通量的单位是麦克斯韦(Mx),磁感应强度B的单位是高斯(Gs)单位平方厘米,或者是特斯拉(T)单位是平方米。
参考文献
外部链接
- Vicci, :磁通量導管(專利)
參見
- 磁場:代表磁力線的密度。
- 麥克斯韋方程組:是一組四條偏微分方程式,被詹姆斯·麥克斯韋用作描述電場和磁場,以及它們與物質之間的相互作用。
- 高斯定律:給出從一密閉表面流出的電通量及表面圈住的電荷之間的關係式。
- 磁單極:是一種大概能不嚴謹地被形容為「只有單極的磁鐵」的理論粒子。
- 磁通量量子:是流經超導體的磁通量的量子。
- 卡爾·高斯:跟物理教授威廉·韋伯的合作發展出成果豐碩的研究;它使得磁學領域得到了新知識。
- 詹姆斯·麥克斯韋:證明了電力和磁力是電磁的兩個互補層面。
- 法拉第弔詭:關於法拉第電磁感應定律的弔詭。
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