磁场

磁场是描述空间和时间中各点磁相互作用的物理场。它作用于运动的电荷和磁偶极子，由电流、变化的电场以及物质的磁性产生。磁场通常用矢量 B 表示，既有大小，也有方向。它与电场共同构成电磁场，是电磁学的核心概念。(openstax.org)

定义与单位

B 的操作性定义可由电荷量为 $q$、以速度 $\mathbf v$ 运动的粒子所受的洛伦兹力给出：

其中，磁力的大小为 $|q|vB\sin\theta$，$\theta$ 为速度与磁场之间的夹角。当电荷静止或沿平行于磁场的方向运动时，磁力为零。磁力的方向同时垂直于速度和磁场，正电荷与负电荷所受磁力的方向相反。(openstax.org)

在国际单位制中，磁通密度的单位为特斯拉（T）。一特斯拉等于一牛顿每安培米，也等于一韦伯每平方米。旧单位高斯等于 $10^{-4}$ T。磁通量定义为

它衡量穿过某一有向曲面的磁场通量，单位为韦伯。磁通量不仅取决于磁场的大小和曲面的面积，也取决于磁场的方向。(openstax.org)

磁场的来源与几何形态

稳恒电流会在其流经路径周围产生磁场。对于真空中理想的无限长直导线，

其中，$I$ 为电流，$r$ 为到导线的距离，$\mu_0$ 为真空磁导率。磁场环绕导线，其方向遵循右手定则。电流分布产生的磁场可以用毕奥—萨伐尔定律计算；当分布具有足够的对称性时，也可以使用安培定律。对于绕制紧密的长螺线管，在其内部远离两端的区域，磁场近似均匀，满足 $B\approx\mu_0 nI$。(openstax.org)

磁感线可以直观地表示磁场：磁感线的切线方向表示该处磁场的方向，相对疏密程度则表示磁场的大小。在条形磁体外部，磁感线从北极指向南极；在磁体内部，则返回北极。磁感线并非真实存在的线状物，也不一定是粒子的运动轨迹。穿过任意闭合曲面的磁通量均为零，因此，在常规电磁理论中，磁感线不存在孤立的起点或终点。(openstax.org)

磁力与粒子运动

在均匀磁场中，自由运动的带电粒子若速度垂直于磁场，就会做圆周运动；若速度还具有平行于磁场的分量，则会沿螺旋线运动。在非相对论极限下，圆周运动的半径为

单独的磁力对点电荷不做功，因为它始终垂直于电荷的瞬时速度。磁力改变的是运动方向，而不是粒子的动能。这一特点使磁场引起的偏转有别于电场对粒子的加速作用。(openstax.org)

均匀磁场中的通电直导线受到的力为 $\mathbf F=I\mathbf L\times\mathbf B$。电流回路的行为类似于磁偶极子，会受到使其磁矩趋向与磁场方向一致的力矩。这些效应是电动机工作的基础。(openstax.org)

物质中的磁场

微观磁性主要源于电子的轨道运动和自旋角动量。自旋是一种内禀量子性质，并不意味着一个微小带电球体真的在旋转。电子磁矩的合成结果决定了原子和固体的许多磁性行为；要完整解释这些现象，需要借助量子力学。(openstax.org)

在宏观描述中，需要区分 B 与磁场强度 H，后者的单位为安培每米。两者的关系为

其中，$\mathbf M$ 为磁化强度，即单位体积的磁矩。对于线性、各向同性材料，这一关系简化为 $\mathbf B=\mu\mathbf H$，其中 $\mu$ 为磁导率。因此，H 并不是 B 的另一种名称，也不是用另一种单位表示的 B。(nvlpubs.nist.gov)

抗磁性表现为与外加磁场方向相反的响应，而顺磁性则表现为沿外加磁场方向的微弱响应。在铁磁性中，相互作用可以使磁畴内部的磁矩保持同向排列。磁畴排列的变化可以留下持久的磁化，并产生磁滞现象，即材料的响应取决于其此前经历的磁化过程。(openstax.org)

时间变化与电磁理论

麦克斯韦方程组描述了电场与磁场之间的耦合关系。变化的磁场通过电磁感应产生环形电场。反过来，根据安培—麦克斯韦定律，电流和变化的电场都会产生磁场。这些关系使电磁辐射能够在真空中传播，其中包括可见光。(openstax.org)

根据相对论，电场和磁场是同一电磁场中相互关联的组成部分。对于同一物理情形，彼此相对运动的观察者可能会得到不同的电场分量和磁场分量。因此，将某种现象区分为纯电现象或纯磁现象，在一定程度上取决于观察者所处的参考系。(openstax.org)

自然界中的磁场与应用

地磁场主要由地球导电的液态外核中的发电机效应产生。流体运动感生电流，电流又通过反馈维持磁场；地球并不只是一个永久性的条形磁体。(usgs.gov)

磁场的技术应用包括磁性信息存储和电磁机械。强磁场也是磁共振成像不可或缺的条件：通过射频激发氢原子核，并检测其信号，可以获得组织的信息。磁共振成像将强主磁场与受控的磁场变化相结合，构建具有空间分辨能力的图像。(openstax.org)