为什么会有磁生电和电生磁现象,电和磁之间是相互怎样的

电为什么能生磁,磁为什么能生电,为什么二者之间有联系,本质原因是什么?

答:电生磁是18世纪初的奥斯特,他是丹麦物理学家、化学家和文学家。在物理学领域,他首先发现载流导线的电流会产生作用力于磁针,使磁针改变方向,可以判定磁场方向和电流的关系。

磁生电现象是1831年,由英国物理学家迈克尔·法拉第发现,当一块磁铁穿过一个闭合线路时,线路内就会有电流产生,这个效应叫作电磁感应,产生的电流是感应电流。

简单理解电和磁是不可分割的一部分,它们始终相互转换的交织在一起。

要搞清楚电生磁或者磁生电现象,就得了解以下一些专业名词解释。

①、磁场→它是在磁铁或电流周围空间的其他磁性物质或载流导体将受到力的作用,我们就说在磁铁或电流周围的空间存在着磁场。

有了磁场就一定有磁路和磁力线,这样就是一块磁铁。而磁铁可以使其附近的(但不一定要与之接触)磁针发生偏转这说明磁铁周围的空间对磁针具有作用力。我们把对磁针具有作用 力的空间称为磁场。

为了直观地描绘磁场,人们在磁场中常画出一种几何曲线,使 这些曲线上每点的切线方向和这点的磁感应强度方向一致,这些曲线称磁力线。磁力线具有以下特点。

(1)在磁铁的外部,磁力线总是由N极出发,回到自身的S极或进入邻近磁铁的S极;在磁铁的内部磁力线由S极到N极。

(2)磁力线互相不交叉,并且具有互相向侧面排挤的倾向, 就是异性磁极相吸的原因。在电工技术中为了获得强磁场, 常将线圈绕在铁芯上。由于铁磁物质的磁导率比周围空气的磁 导率大很多,所以磁力线分布可看成集中在铁磁物质内。通 常工程上把这种主要由铁磁物质所组成的,能使磁力线集中通过的整体称为磁路。

②、磁感应强度→它表示磁场强弱与方向的物理量,包括由电流产生的磁场和磁介质因磁化而产生的磁场,在充满均匀磁介质情况下,由它决定磁场作用于磁性物质(或载流导体)上的作用力,以字母B表示,单位为韦伯/米²、高斯。

③、磁通→它磁感应强度与垂直于磁场方向的面积的乘积叫磁通,以字母φ表 示,单位为韦伯、麦克斯韦。

④、磁通密度→它的单位面积上所通过的磁通的大小叫磁通密度,以字母B表示,单位为韦伯/米²、高斯。磁通密度和磁感应强度在数值上是相等的。

⑤、磁场强度→它也是表示磁场强弱与方向的一个物理量,但它不包括磁介质因磁化而产生的磁场,以字母H表示,单位为安/米,奥斯特。磁场强度的大小在数值上等于磁感应强度与导磁率之比。

⑥、磁通势→它在电路中产生电流的源是电动势,同样在磁路中产生磁通的源叫做磁通势,也叫磁动势或磁势,以字母F表示,单位为安匝。磁通势的大小等于绕在磁路上的线圈匝数乘以流过线圈的电流。

⑦、磁阻→它与电阻的意义相仿,磁阻是表示磁路对磁通所起的阻碍作用,以符号Rm表示,单位为1/亨。

⑧、导磁率→它又称导磁系数,是衡量物质导磁性能的一个系数,以字母μ表示,单位为亨/米。

⑨、相对导磁率→它是任何一种物质的导磁率μ与真空的导磁率μ₀之比值叫相对导磁率,以符号μᵣ表示。

⑩、电磁力→它是载流导体在外磁场中将受到力的作用,这种力叫电磁力。

11、涡流→它是放在变化磁场中的导电物质内部将产生感应电流,以反抗磁通的变化,这种感应电流叫做涡流。

知足常乐2023.1.29日晚于上海

答:其他答友已经给出了相当专业的解释!我再补充一个通俗的解释,用一个例子,来说明磁场和电场本质上是一样的,都是电磁力的场效应!



有人肯定很纳闷,电磁场和相对论怎么就扯到一起了呢?我们来看这么个例子:

一段导线内部,有正电荷,也有负电荷,正常情况下,正电荷和负电荷的密度相等,对外不显电性,我们看来以下三种情况!


情况一

在导线外部放一正电荷,相对于导线处于静止状态:

结论1:因为导线不显电性,所以对外面的正电荷没有库仑力(或者说抵消为零)!


情况二

同样的模型,我们把导线通上电,比如电子(负电荷)往右移动:

结论1:导线内部虽然有电流,但是电子密度并没有改变,所以导线还是显中性,不会对外面电荷产生库仑力;

结论2:我们知道,通电导线将在导线周围产生环形磁场,但是外部电荷没有移动,所以不会产生洛伦兹力;

两个结论吻合!


情况三(重点来了)

同样的模型通上电流,这次外部电荷,相对于导线向右运动,为了方便起见,我们外部电荷与内部电子移动速度相同(一般导体通电,电子移动速度只有几毫米每秒):

参考系一:对于旁观者

结论1:导线内部的正负电荷密度没发生变化,所以导线还是显中性,不会对外部电荷产生库仑力;

结论2:根据电磁学理论,通电导线在导线周围产生环形磁场,磁场将对外部运动电荷产生洛伦兹力,螺旋定则可以判断,外部电荷受到向外的洛伦兹力;

这时候出现矛盾啦!为什么不同的理论角度,会得到不同的结论呢?这里的洛伦兹到底怎么来的?

要破解这个矛盾,就得弄清楚磁场和电场的关系。之所以产生矛盾,是因为结论一没有考虑狭义相对论的尺缩效应,我们换一个参考系分析。


参考系二:外部电荷的参考系

在外部电荷的参考系看来,导线是向左移动的,导线内部的正电荷也随着导线向左运动,根据爱因斯坦的狭义相对论,正电荷随着导线必定产生尺缩效应,于是变成了下面的情况:

结论:导线内的正电荷密度大于负电荷密度,于是导线显正电性,根据库伦定律,外部电荷将受到库伦力作用,向外排斥并远离导线!

该结论和“参考系一”中“结论二”完美吻合!实际上,根据相对论效应去计算库仑力的话,会得到和洛伦兹力一样的结果!

从这个角度看,洛伦兹力的本质原来就是库仑力,磁场的本质原来就是电场(这不废话嘛)!磁场和电场的表面区别,原来是狭义相对论效应导致的!


在这里,我们看到了磁场和电场,经过相对论协变后得到了完美统一,自然规律简直太美妙啦!


但是电流中,电荷的运动速度非常小,只有每秒几微米几厘米,相对论效应怎么会那么明显?

解释:那是因为库仑力非常强,微小的相对论尺缩效应,都将使得库仑力对宏观产生明显影响!


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