磁通量

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磁通量,符号为 Φ � \Phi_B,是通过某给定曲面的磁场(亦称为磁通量密度)的大小的度量。磁通量的国际单位制单位是韦伯。

目录 1 描述 2 通过闭曲面的磁通量 3 通过开曲面的磁通量 4 与电通量的比较 5 参考文献 6 外部链接 7 参见 描述 给定曲面上的磁通量大小与通过曲面的磁场线的个数成正比。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。[1]

Φ �

� ⋅ �

� � cos ⁡ �{\displaystyle \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.

图1:曲面积分的定义基于将曲面分割成小的曲面元。每个曲面元对应一个向量 � � d{\mathbf {S}}。该向量的大小即曲面元的面积,方向为指向外部的法向量。

图2:曲面法向量的向量场。 在一般情况下,磁通量是通过磁场在曲面面积上的积分定义的(见图1和图2)。

Φ �

∬ � � ⋅ � � {\displaystyle \Phi _{B}=\iint \limits _{S}\mathbf {B} \cdot d\mathbf {S} } 其中, Φ �

{\displaystyle \Phi _{B}\ }为磁通量, � \mathbf {B} 为磁感应强度, � 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 主条目:高斯磁定律 高斯磁定律是四条麦克斯韦方程之一,指出通过一闭曲面的磁通量为零。这定律是依据还没有发现磁单极这一经验得出的。

高斯磁定律为,对任意闭曲面:

Φ �

∫ ∫ � ⋅ � �

0 , {\displaystyle \Phi _{B}=\int !!!\int \mathbf {B} \cdot d\mathbf {S} =0,} 通过开曲面的磁通量 主条目:法拉第电磁感应定律

图3:空间中的向量场F ( r, t )以及曲面Σ。∂Σ为曲面Σ的边界,以速度v运动。考虑向量场在曲线∂Σ上的积分。 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,当通过一个导电线环的磁通量发生变化,这一变化会引起电动势的生成,并因此在线环中产生电流。其关系式可由法拉第电磁感应定律得出:

∮ ∂ Σ ( � ) ( � ( � ,

� ) + � × � ( � ,

� ) ) ⋅ � ℓ

− � Φ � � � , {\displaystyle {\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}}为电动势 Φ � \Phi_B为通过开曲面的磁通量,这一开曲面的边界为 ∂ Σ ( � ) \partial \Sigma (t) ∂ Σ ( � ) \partial \Sigma (t)为一个随时间变化的闭曲线 � ℓd\boldsymbol{\ell}是边界 ∂ Σ ( � ) \partial \Sigma (t)无穷小向量元 � \mathbf {v} 是线段 � ℓd\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 ∂ Σ ( � ) \partial \Sigma (t)上的运动;通过开曲面 Σ ( � ) \Sigma (t)的磁通量。这一公式即是发电机的原理。

与电通量的比较 主条目:电通量和高斯定律 麦克斯韦方程中的高斯电场定律为:

Φ �

∫ ∫ � � ⋅ � �

� � 0 , \Phi _{E}=\int !!!\int _{S}{\mathbf {E}}\cdot d{\mathbf {S}}={Q \over \epsilon _{0}}, 其中

� \mathbf {E} 为电场 � S为任意闭曲面 � Q为曲面 � S包围的电荷 � 0 \epsilon _{0}为真空电容率。 注意,通过闭曲面的 � \mathbf {E} 的通量“并不总是”零,这指出了电“单极”的存在,即自由的正负电荷。

参考文献 Douglas C Giancoli. Physics for scientists & engineers : with modern physics. 培生集团. 2009: 第760页. ISBN 0131578499. 外部链接 Vicci, 美国专利第6,720,855号:磁通量导管(专利) 参见 icon 物理学主题 磁场:代表磁力线的密度。 麦克斯韦方程组:是一组四条偏微分方程,被詹姆斯·麦克斯韦用作描述电场和磁场,以及它们与物质之间的相互作用。 高斯定律:给出从一密闭表面流出的电通量及表面圈住的电荷之间的关系式。 磁单极:是一种大概能不严谨地被形容为“只有单极的磁铁”的理论粒子。 磁通量量子:是流经超导体的磁通量的量子。 卡尔·高斯:跟物理教授威廉·韦伯的合作发展出成果丰硕的研究;它使得磁学领域得到了新知识。 詹姆斯·麦克斯韦:证明了电力和磁力是电磁的两个互补层面。 法拉第吊诡:关于法拉第电磁感应定律的吊诡。