磁学

电磁力是当电流通过简单导体（如电线或电缆）时产生的力。

虽然磁铁可以由铁磁材料制成，这些材料吸引（并排斥）其他材料，主要是金属。磁力是磁铁在相互吸引或排斥时施加的力。在导体周围会形成一个小磁场，该磁场的方向相对于其“北极”和“南极”由通过导体的电流方向决定。

磁学在电气和电子工程中扮演着重要角色，因为如果没有磁学，继电器、螺线管、电感器、扼流圈、线圈、扬声器、电机、发电机、变压器和电表等组件将无法工作。

然后，当电流通过时，每一圈电线都会利用电磁效应。但在我们更详细地了解磁学，尤其是电磁学之前，我们需要回顾一下物理课上关于磁铁和磁学如何工作的内容。

磁学的本质

磁铁可以以磁性矿石的形式在自然状态下找到，两种主要类型是磁铁矿（也称为“氧化铁”，FE3O4）和磁石（也称为“引导石”）。如果这两种天然磁铁用绳子悬挂起来，它们会与地球磁场保持一致，始终指向北方。

这种效应的一个很好的例子是指南针的指针。对于大多数实际应用，这些天然磁铁可以被忽略，因为它们的磁性非常低，而且如今，人造磁铁可以以许多不同的形状、尺寸和磁力强度生产。

基本上有两种形式的磁学，“永磁体”和“临时磁体”，使用的类型取决于其应用。有许多不同类型的材料可用于制造磁铁，如铁、镍、镍合金、铬和钴，在它们的自然状态下，其中一些元素如镍和钴本身显示出非常弱的磁性。

然而，当它们与其他材料（如铁或过氧化铝）混合或“合金化”时，它们会变成非常强的磁铁，产生不寻常的名称，如“alcomax”、“hycomax”、“alni”和“alnico”。

非磁性状态下的磁性材料的分子结构以松散的磁性链或单独的小磁铁松散排列成随机模式。这种排列的整体效果导致零或非常弱的磁性，因为每个分子磁铁的这种随意排列往往会中和其邻居。

当材料被磁化时，这种随机排列的分子会发生变化，未对齐的随机分子磁铁会“排列”起来，以产生一系列磁性排列。这种铁磁材料的分子排列的想法被称为韦伯理论，如下图所示。

一块铁和磁铁的磁性分子排列

磁性分子

韦伯的理论基于所有原子由于原子电子的旋转动作而具有磁性。原子群结合在一起，使它们的磁场都在同一方向上旋转。磁性材料由围绕原子的分子级的小磁铁群组成，磁化材料的大部分小磁铁将仅在一个方向上排列，以在一个方向上产生北极，在另一个方向上产生南极。

同样，一个材料的小分子磁铁指向所有方向，其分子磁铁将被其相邻的磁铁中和，从而中和任何磁性效应。这些分子磁铁的区域被称为“磁畴”。

任何磁性材料本身都会产生一个磁场，这取决于由轨道和旋转电子建立的材料中磁畴的排列程度。这种排列程度可以通过称为磁化强度M的量来指定。

在未磁化的材料中，M = 0，但一旦磁场被移除，一些磁畴在材料的小区域内仍然保持对齐。对材料施加磁化力的效果是使一些磁畴对齐，产生非零的磁化强度值。

一旦磁化力被移除，材料内的磁性将要么保留，要么迅速衰减，这取决于所使用的磁性材料。材料保留其磁性的能力称为剩磁。

需要保留其磁性的材料将具有相当高的剩磁，因此用于制造永磁体，而那些需要迅速失去磁性的材料（如继电器和螺线管的软铁芯）将具有非常低的剩磁。

磁通量

所有磁铁，无论其形状如何，都有两个称为磁极的区域，磁路内外的磁性在其周围产生一系列有组织和平衡的不可见磁力线。这些磁力线统称为磁铁的“磁场”。这种磁场的形状在某些部分比其他部分更强烈，磁铁中具有最大磁性的区域称为“极”。磁铁的每一端都有一个极。

这些磁力线（称为矢量场）不能用肉眼看到，但可以通过将铁屑撒在一张纸上或使用小指南针来追踪它们。磁极总是成对出现，磁铁总有一个称为北极的区域，总有一个相反的区域称为南极。

磁场总是以力线的形式视觉上显示，在材料的两端给出一个明确的极，其中磁力线更密集和集中。组成磁场的线显示方向和强度，称为力线或更常见的“磁通量”，并赋予希腊符号Phi（Φ），如下所示。

条形磁铁磁场的力线

磁力线中的磁学

如上所示，磁场在磁铁的极附近最强，磁力线更紧密地排列。磁通量流动的一般方向是从北极（N）到南极（S）。此外，这些磁力线形成闭合环，离开磁铁的北极并进入南极。磁极总是成对出现。

然而，磁通量实际上并不从北极流向南极或流向任何地方，因为磁通量是磁铁周围的静态区域，其中存在磁力。换句话说，磁通量不流动或移动，它就在那里，不受重力影响。在绘制力线时出现了一些重要的事实：

力线从不交叉。

力线是连续的。

力线总是在磁铁周围形成单独的闭合环。

力线有明确的方向，从北到南。

力线靠近在一起表示强磁场。

力线相距较远表示弱磁场。

磁力像电力一样吸引和排斥，当两条力线靠近在一起时，两个磁场之间的相互作用会导致以下两种情况之一发生：

1.  –  当相邻的极相同时，（北-北或南-南）它们相互排斥。

2.  –  当相邻的极不同时，（北-南或南-北）它们相互吸引。

这种效应很容易通过著名的表达“异性相吸”来记住，并且可以使用铁屑来展示磁铁周围的力线，以展示磁场的相互作用。各种极组合对磁场的影响如下所示，如同极相斥，异极相吸。

同极和异极的磁场

磁极中的磁学

当用指南针绘制磁场线时，会看到力线的产生方式是在磁铁的每一端给出一个明确的极，其中力线离开北极并重新进入南极。磁性可以通过加热或锤击磁性材料来破坏，但不能通过简单地打破磁铁成两片来破坏或隔离。

所以如果你拿一个普通的条形磁铁并把它分成两片，你不会有两半磁铁，而是每一片都会有它自己的北极和南极。如果你拿其中一片再分成两片，每一片较小的磁铁都会有一个北极和南极，依此类推。无论磁铁的碎片变得多小，每一片仍然会有一个北极和南极，疯狂！

然后，为了我们在电气或电子计算中利用磁学，有必要定义磁学的各个方面。

磁学的大小

我们现在知道，力线或更常见的磁性材料周围的磁通量被赋予希腊符号Phi（Φ），磁通量的单位是韦伯（Wb），以Wilhelm Eduard Weber命名。但在给定单位面积内的力线数量称为“磁通密度”，由于磁通量（Φ）以（Wb）测量，面积（A）以平方米（m2）测量，因此磁通密度以韦伯/平方米或（Wb/m2）测量，并赋予符号B。

然而，当在磁学中提及磁通密度时，磁通密度被赋予特斯拉单位，以Nikola Tesla命名，因此1Wb/m2等于1特斯拉，1Wb/m2 = 1T。磁通密度与力线成正比，与面积成反比，因此我们可以定义磁通密度为：

磁通密度

磁学磁通密度

磁通密度的符号是B，磁通密度的单位是特斯拉，T。

磁通密度方程

重要的是要记住，所有磁通密度的计算都以相同的单位进行，例如，磁通量以韦伯为单位，面积以m2为单位，磁通密度以特斯拉为单位。

磁学示例No1

在圆形磁铁中存在的磁通量测量为0.013韦伯。如果材料的直径为12厘米，计算磁通密度。

磁性材料的横截面积以m2为单位给出为：

磁学横截面

磁通量给出为0.013韦伯，因此磁通密度可以计算为：

磁通密度

所以磁通密度计算为1.15特斯拉。

在处理电气电路中的磁学时，必须记住，1特斯拉是磁场的密度，使得在垂直于磁场的导体上携带1安培电流时，每米长度上会感受到1牛顿的力，这将在下一个关于电磁学的教程中演示。