(2024年)大學(xué)物理思維導(dǎo)圖磁部分

大學(xué)物理思維導(dǎo)圖磁部分12024/3/26目錄contents磁學(xué)基本概念與定律磁場(chǎng)中的物質(zhì)性質(zhì)電磁感應(yīng)與電磁波磁場(chǎng)在技術(shù)應(yīng)用中的實(shí)例現(xiàn)代磁學(xué)研究進(jìn)展及挑戰(zhàn)22024/3/26磁學(xué)基本概念與定律0132024/3/26由磁體或電流產(chǎn)生的空間區(qū)域，其中存在磁力作用。磁場(chǎng)描述磁場(chǎng)分布的曲線，其切線方向表示磁場(chǎng)方向，疏密程度表示磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁力線無(wú)源場(chǎng)，即磁力線總是閉合的；磁場(chǎng)具有方向性，即磁力線總是從N極指向S極。磁場(chǎng)的性質(zhì)磁場(chǎng)與磁力線42024/3/26123描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量，用B表示，單位為特斯拉（T）。磁感應(yīng)強(qiáng)度描述穿過(guò)某一面積的磁力線數(shù)量的物理量，用Φ表示，單位為韋伯（Wb）。磁通量B=Φ/S，其中S為面積。磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁通量的關(guān)系磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁通量52024/3/26帶電粒子在磁場(chǎng)中受到的力，其方向垂直于磁場(chǎng)方向和粒子運(yùn)動(dòng)方向所構(gòu)成的平面，大小與粒子電荷量、速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。洛倫茲力載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力，其方向垂直于導(dǎo)線方向和磁場(chǎng)方向所構(gòu)成的平面，大小與導(dǎo)線長(zhǎng)度、電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。安培力安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，兩者在本質(zhì)上是一致的。洛倫茲力與安培力的關(guān)系洛倫茲力與安培力62024/3/26ABCD磁學(xué)基本定律庫(kù)侖定律描述兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用力，與電荷量成正比，與距離的平方成反比。安培環(huán)路定理描述磁場(chǎng)沿任意閉合路徑的線積分等于穿過(guò)該路徑所包圍面積的電流代數(shù)和的常數(shù)倍。畢奧-薩伐爾定律描述電流元在空間任意點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，與電流元的大小、方向和距離有關(guān)。法拉第電磁感應(yīng)定律描述變化的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流的現(xiàn)象。72024/3/26磁場(chǎng)中的物質(zhì)性質(zhì)0282024/3/26反鐵磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)方向相反，但絕對(duì)值較小，磁化率k<0但接近于0，如Cr、Mn等?？勾判晕镔|(zhì)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)方向相反，磁化率k<0，如Cu、Ag、Au等。順磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)方向相同，但絕對(duì)值很小，磁化率k>0但接近于0，如Al、Mg、Na等。鐵磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)方向相同，且絕對(duì)值較大，磁化率k>>0，如Fe、Co、Ni等。物質(zhì)的磁性分類(lèi)92024/3/26抗磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)中會(huì)被微弱地排斥，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相反的感應(yīng)磁場(chǎng)?？勾判晕镔|(zhì)的磁化率k<0，且|k|很小?？勾判皂槾判晕镔|(zhì)在磁場(chǎng)中會(huì)被微弱地吸引，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相同的感應(yīng)磁場(chǎng)。順磁性物質(zhì)的磁化率k>0，但k值很小。順磁性抗磁性與順磁性102024/3/26鐵磁性與亞鐵磁性鐵磁性鐵磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)中會(huì)被強(qiáng)烈地吸引，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相同且較大的感應(yīng)磁場(chǎng)。鐵磁性物質(zhì)的磁化率k>>0。亞鐵磁性亞鐵磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)中的表現(xiàn)類(lèi)似于鐵磁性物質(zhì)，但其磁化強(qiáng)度和磁化率略低于鐵磁性物質(zhì)。112024/3/26磁疇鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部存在許多微小的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)的原子磁矩排列整齊，但不同區(qū)域間的原子磁矩排列方向不同。這些微小的區(qū)域稱為磁疇。磁滯現(xiàn)象當(dāng)鐵磁性物質(zhì)處于交變磁場(chǎng)中時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化而滯后于H的變化。這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。它是由于鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部的磁疇在交變磁場(chǎng)中不斷改變排列方向而導(dǎo)致的。磁疇與磁滯現(xiàn)象122024/3/26電磁感應(yīng)與電磁波03132024/3/26法拉第電磁感應(yīng)定律指出，當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體回路在變化的磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與穿過(guò)回路的磁通量的變化率成正比，即e=-N(dΦ/dt)，其中e是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，N是回路匝數(shù)，Φ是磁通量，t是時(shí)間。法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)的基本定律之一，揭示了電與磁之間的相互作用。法拉第電磁感應(yīng)定律142024/3/26楞次定律與互感現(xiàn)象楞次定律指出，感應(yīng)電流的方向總是使得它所激發(fā)的磁場(chǎng)來(lái)阻止引起感應(yīng)電流的磁通量的變化?；ジ鞋F(xiàn)象是指兩個(gè)相鄰的線圈之間，當(dāng)一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。互感現(xiàn)象是電磁感應(yīng)的一種特殊形式，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)和電子技術(shù)中。152024/3/2603麥克斯韋方程組預(yù)言了電磁波的存在，揭示了光、電、磁現(xiàn)象之間的統(tǒng)一性。01麥克斯韋方程組是描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程組。02電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面。麥克斯韋方程組與電磁波162024/3/26123電磁波在真空或介質(zhì)中傳播，具有能量和動(dòng)量，遵循波動(dòng)方程。電磁波的輻射是指電磁波從源頭發(fā)出并在空間中傳播的過(guò)程。電磁波的輻射機(jī)制包括天線輻射、激光輻射等，廣泛應(yīng)用于通信、遙感、醫(yī)療等領(lǐng)域。電磁波的傳播與輻射172024/3/26磁場(chǎng)在技術(shù)應(yīng)用中的實(shí)例04182024/3/26VS利用磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。變壓器利用磁場(chǎng)的感應(yīng)作用，實(shí)現(xiàn)電壓的升降變換，滿足不同電路對(duì)電壓的需求。電機(jī)電機(jī)與變壓器原理192024/3/26利用電流的磁效應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，吸引或排斥鐵磁性物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制或操作。一種電磁開(kāi)關(guān)，通過(guò)小電流控制大電流的通斷，實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)控制和保護(hù)。電磁鐵繼電器電磁鐵與繼電器應(yīng)用202024/3/26硬盤(pán)利用磁性材料的磁化方向來(lái)記錄二進(jìn)制數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大容量、高速度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。磁帶一種順序存取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，通過(guò)磁帶表面的磁性材料來(lái)記錄數(shù)據(jù)。磁記錄技術(shù)（硬盤(pán)、磁帶等）212024/3/26核磁共振成像原理利用強(qiáng)磁場(chǎng)和射頻脈沖使人體組織內(nèi)的氫原子核發(fā)生共振，產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理重建圖像，用于醫(yī)學(xué)診斷和治療。核磁共振通過(guò)測(cè)量不同組織在磁場(chǎng)中的弛豫時(shí)間差異，得到反映組織結(jié)構(gòu)和生理狀態(tài)的圖像。成像原理222024/3/26現(xiàn)代磁學(xué)研究進(jìn)展及挑戰(zhàn)05232024/3/26探索新型銅氧化物超導(dǎo)材料，提高臨界溫度，降低制造成本。銅氧化物高溫超導(dǎo)材料研究鐵基超導(dǎo)材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)，尋找新的高溫超導(dǎo)體系。鐵基高溫超導(dǎo)材料利用有機(jī)分子設(shè)計(jì)合成新型高溫超導(dǎo)材料，拓展超導(dǎo)材料的應(yīng)用范圍。有機(jī)高溫超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料研究242024/3/26自旋閥利用自旋極化電流實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、傳遞和處理，提高器件的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）基于自旋閥效應(yīng)，開(kāi)發(fā)高速、低功耗、非易失性的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件。自旋邏輯器件利用自旋極化電流的相互作用，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自旋邏輯門(mén)和自旋計(jì)算器件，推動(dòng)量子計(jì)算的發(fā)展。自旋電子學(xué)器件發(fā)展030201252024/3/26量子糾纏和量子門(mén)操作通過(guò)精確控制磁性材料的自旋狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)量子糾纏和量子門(mén)操作，推動(dòng)量子計(jì)算的發(fā)展。量子模擬和量子優(yōu)化利用磁性材料的量子特性，模擬復(fù)雜系統(tǒng)的行為，解決優(yōu)化問(wèn)題，推動(dòng)量子計(jì)算在各領(lǐng)域的應(yīng)用。量子比特實(shí)現(xiàn)利用磁性材料的自旋屬性，實(shí)現(xiàn)量子比特的編碼、操作和讀取。量子計(jì)算中磁性材料應(yīng)用262024/3/26生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的磁學(xué)應(yīng)用研究生物體內(nèi)磁性材料的合成、結(jié)構(gòu)和功能，探索其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域