二、磁场学
（一）、磁物质
磁物质有磁炁粒和磁炁流两类，磁炁粒是生产磁炁流的炁粒，磁炁流是形成磁现象和磁作用的物质。
1、磁现象。
2千多年前人们就已经发现了磁现象，并加以应用。我国是最早发现和应用磁铁的国家，约在公元前300年，中国古人就发现了磁铁（天然磁铁、吸铁石）和磁现象。19世纪后，人们发现了电和磁的关系以后，对磁的应用得到迅速的发展。20世纪后，由于对原子结构的认识，人们才认识了磁现象的本质。
磁体有天然磁体和人造磁体。人造磁体是用钢或者合金制成的，有条形磁体、蹄形磁体和磁针等。磁体能够吸引铁、钢、镍、钴、铬等物质。这种吸引物质的性质叫做磁性，被磁体吸引的物质叫做铁磁性物质。能够长期保持磁性的磁体叫做永磁体，使物体带磁叫做磁化，使磁体失去磁性叫做去磁、退磁。物质在磁场中被磁化的现象叫做磁感应。实验证明，所有的铁磁物质都能够被磁化。被磁化后大大地加强了原来的磁性，附加磁场比原来的磁场强几十到几千倍以上，不同的物质有不同的附加磁场。保留下来的磁性叫做剩磁。软铁保留磁性的本领最小，经常用来制造电磁铁。钢和有些合金保留磁性的本领很大，被用来制造永磁体。容易退磁的物体叫做软磁性材料，适合用来需要反复磁化的场合。不容易退掉磁性的物体叫做硬磁材料，适合用来制造永磁铁。
炁学提示：磁现象是由于磁炁流引起的。如果把磁炁流屏蔽了就显示不出磁性了。磁性炁粒经过磁处理就能够具有磁性，是将磁炁子分裂成为磁炁流的过程。磁作用是远作用，是间接作用，炁粒之间没有接触，是通过磁炁流进行的。
2、磁极。
地球是一个天然磁体。地球磁体有两个极，叫做南极和北极，分别用S和N表示。磁针指向南方的一极叫做南极，指向北方的一极叫做北极。我国古人用磁针制成了指南针，用来指示方向。在指南针的基础上制造成罗盘，是用来寻找风水宝地的。
磁极能够显著地吸引铁磁物质，是磁性最强的地方。把磁体折断，在折断处有两个异号磁极出现，每一段都是完全的磁体，我们永远也得不到一个独立的磁极。有单独的电荷存在，却没有单独的磁极存在，这就是电荷和磁极的根本区别。相对论预言有单磁极存在，但是寻找至今未曾发现。
磁极的作用规律：同性相斥，异性相吸。就是说，同磁极相互排斥，异磁极相互吸引。
炁学提示：磁炁粒就是生产磁炁流的炁粒，磁炁流也叫做磁场。西学实际上已经发现了磁单极，只是没有意识到而已，那就是量子，还有就是太阳。前面已经介绍过，量子既是单电荷，也是单磁极（单磁子）。我们发现太阳的磁力线是流向太阳的，是阴性磁场，就是说太阳是南磁极子。
3、磁极强度。
这是反映磁极作用能力，即磁性强弱的物理量，用m表示。同一个磁体的两个磁极的磁极强度总是一样的。
炁学提示：磁体的两个磁极生产的磁炁流是一样的，只是方向相反，因为磁炁粒吞和吐磁炁流的能力是一样的。磁极强度反映了磁极生产磁炁流的能力。
4、库伦定律。
两个磁极之间的作用力（磁力）跟磁极强度的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比，用公式表示如下：
公式中K叫做比例恒量，在厘米克秒制里，K=1。F为正值时表示相斥，为负值时表示相吸。
炁学提示：场炁流的规律都是相似的，引力场、电场和磁场都有相似的定律和公式，其不同在于不同的炁粒生产不同的场炁流。
5、磁场。
电荷的周围总是存在电场，电荷相互作用是通过电场进行的。同样，磁体的周围总是存在着磁场，磁极相互作用是通过磁场进行的。磁场也是一种特殊物质，它和电场相似，也有力和能的特性。磁场对磁极有磁场力作用，磁极在磁场中有势能。磁场和电场一样，都是有能量的。电场和磁场有着极为密切的关系。所谓电场和磁场就是一种统一的客观物质——电磁场——的两个方面。电场变化引起磁场变化，磁场变化引起电场变化。
地球是一个巨大的磁体，在地球周围有地球磁场存在。在太阳风的作用下，地磁层被压缩成一个羽毛球的形状。在地表附近，地磁用磁场强度（用水平分量表示）、磁偏角（磁针偏离地极的角度）和磁倾角（磁针偏离地平面的角度）表示，叫做地磁三要素。用能够水平转动的磁针可以测量磁偏角，用能够上下转动的磁针可以测量磁倾角。研究发现，地球磁极发生过倒转现象，就是南北极颠倒了。地球在69、253、332、450万年前发生过四次磁极倒转现象。
图4.69地球磁场被太阳风吹压
炁学提示：磁物质是炁体，磁是炁流形成的现象。电磁场是电场和磁场两股炁流相互作用形成的特殊状态物，叫做电磁场炁流，也叫做电磁场炁子，简称炁子。原子、分子和物体都有炁子存在，这些炁子都是电磁场物质。电磁场是电场和磁场的混合物。说是混合物不是很正确，因为两者是混在一起没有错，但是两者的方向是完全相反的，是泾渭分明的。电磁场在易学里叫做冲气、太极、中气等。冲气是电磁场的对冲状态，中气是电磁场的电性和磁性都是中性的，太极是电磁场的电磁性。太极就是没有极性、隐含阴阳性质但是阴阳未辩、阴阳属性没有显示出来的物质状态。
电和磁总是共存的。有电必然有磁存在，有磁也必然有电存在，因为电和磁都是起源于量子，量子同时生产电场和磁场。有时两个都存在于一个炁粒里或者外，例如量子的电和磁都在量子外，原子的电和磁都在原子内；有时电在外磁在内，例如离子的电在离子外，磁则隐藏在离子内；有时磁在外电在内，例如带电体的周围有磁存在，例如磁体的磁在外，电则隐藏在磁体内。
图4.70电与磁的形成机理
地球磁极倒转是磁炁流的进出口变化的过程，有两种可能的力学原因导致磁极倒转。一种是由于地壳对磁炁流的阻碍作用，磁炁流自己转换进出口，这样的倒转速度必然很快。另一种是由于地核的周围都是液态的星幔，星核悬浮在星幔里，是能够自由活动的，因此地核能够发生转动，这样的倒转速度必然很慢，并且在倒转过程中，地球磁极会出现混乱现象。具体是哪种情况还未明，应该根据观测事实证明。我的看法是，第一种情况的可能性最大。地核就像一个巨大的量子，地核生产的炁流就像量子生产的电场和磁场的分布一样，是四面八方均匀分布的。由于地幔和地壳作用，使阴阳炁流的进出口发生两极分化。当出口极的地壳变厚变硬，对出口炁流的阻力达到一定程度，炁流就会改变出口方向，向相反的地极出去，自然地，进口炁流也就随之改变方向。这是因为炁体进来容易出去难。为什么只在两极变化？因为两极对炁流的阻力是最小的，炁流比较容易进出。炁流进出迅速的时候，能够出现极光现象。光是炁流能量达到光范围形成的炁流现象。
6、检验磁极。
这是磁极强度很小，体积很小的磁极。一根很细长的磁针就是一个检验磁极。用来检测磁场的存在和极性。
7、磁场强度。
这是表示磁场力的性质的物理量，用H表示。其方向是检验磁针的北极所受到的磁场力的方向。能够转动的磁针在磁场里停止转动时的方向就是磁场强度的方向。其大小为所受到的磁场力跟磁极强度之比，用公式表示如下：
H=F/m
单位为奥斯特。磁场强度处处相等的磁场叫做匀强磁场，否则为非匀强磁场。
8、磁力线。
这是表示磁场强度分布情况的虚拟线条。和电力线一样，实际上是不存在磁力线的。磁力线上每一点的切线方向都跟该点的磁场强度的方向一致，磁针北极所指的方向就是该点的磁场强度的方向。磁力线总是从北极出发到南极为止，不相交，不重合。可以用磁力线的疏密来表示磁场强度的大小。我们这样规定：和磁场强度垂直的1平方厘米面积内1根磁力线表示1奥斯卡。
炁学提示：磁力线和电力线一样，都是场炁流的流线。
图4.71磁力线
9、磁通量。
这是垂直通过某一横截面的磁力线的根数，用φ表示。因此平均磁场强度就是：
10、磁性起源假说。
人们普遍接受的磁性起源理论有库伦假说和安培假说两种。库伦认为铁磁物质都是由元磁体（或者叫做分子磁体）组成的磁畴，受到磁场作用时，元磁体从无序变成有序排列，就具有了磁性。当出现最整齐排列时，磁性最大，叫做饱和磁化。安培进一步指出：元磁体就是原子、分子、分子团等物质微粒。由于这些微粒里有永不停息的环电流存在，所以具有了磁性。任何磁体的磁性都是由于电流的存在而产生的，磁场起源于电流。后来认识到，是这些微粒里的电子运动形成了环电流。海森伯利用量子力学的交换力解释了物质的铁磁性：铁磁性是在泡利原理的规定下由电子之间的静电相互作用引起的。
炁学提示：在“量子学”里已经反复说过，电和磁都是起源于量子，量子是同时生产电和磁的炁粒，量子吞吐炁体就形成了电场和磁场。当量子结合成为原子后，电和磁形成了中性的电和磁，叫做电炁子和磁炁子，而电炁子和磁炁子结合成电磁场炁子，就这样电和磁都被隐藏起来了。使炁子分离成为电和磁，就能够把电或者磁释放出来而显示电性或者磁性。例如光电池就是利用光电效应把光变成电的方法，是利用光炁流使炁子分离释放电炁流的方法。首先是光炁流被原子吸收变成电磁场炁子，然后是电磁场炁子分离辐射出去变成电炁流。又例如发电机利用外力（机械能之力）使线圈切割磁力线，磁力线将线圈炁子分离出电炁流而产生电。根据电磁关系，有电形成必定有磁形成，有磁形成也必定有电形成。问题是我们怎样利用电和磁，用电和用磁的方法是不同的。有些星球是电性的（射电天文学就是观测这些电炁流的，例如射电星系），是因为它们显电隐磁，而有些星球是磁性的（例如地球、太阳），是因为它们显磁隐电。
11、温度对磁场的影响。
磁铁在居里点以上是各向同性的，没有磁性，在居里点以下，虽然还是各向同性的，但是磁矩具有了特殊的方向，使磁铁具有了磁性。
炁学提示：温度是衡量热炁流的标志。热炁流是炁体的紊流，即紊炁流，是物体炁子（分子之间形成的电磁场物质）紊流的体现，具体表现为分子的紊乱运动，所以又叫做分子热运动。温度高则热炁流多，则场炁流少，就是说会压制炁子转变成磁场炁流的活动，使磁性消失。
12、磁的应用。
磁的应用通常都是跟电的应用联系在一起的，是电磁关系的应用。制造磁性材料（磁铁）、指南针、磁盘、磁带、电磁铁、变压器、电机、磁头、磁选等等都是磁的应用。
（二）、电磁关系
电磁学是关于电磁关系的学问。电和磁是孪生兄弟姐妹，必定是同时出现在一个炁粒上的，而且一个为阴则另外一个必定是阳。量子同时生产电和磁，量子结合成为组子（原子、分子和物体）后，电和磁结合成为电磁场炁子，电性和磁性同时消失，实际上是被囚禁在组子里了。将电磁场炁子分裂成为电或者磁的方法叫做生电生磁。
1、电流的磁场。
1820年，丹麦的奥斯忒发现通电导体的周围存在着磁场。电流的周围有磁场存在，磁场方向和电流方向有关。
直线电流的磁场的方向，可以用右手拇指法则判定：右手握住导线，使拇指指向电流的方向，则四指的方向就是磁力线的方向。可见，这是环流磁场，是闭合线，是没有极性的。其磁场强度跟电流强度成正比，跟到导线的垂直距离成反比。
图4.72右手拇指法则
环电流的磁场：环中心处的磁场强度跟电流强度成正比，跟环半径成反比。
螺线管的磁场：内部的磁场强度跟电流强度和匝数成正比，跟螺线管的长度成反比。其极性方向用右手拇指法则判定：右手握住螺线管，使四指指向电流方向，拇指所指的一端就是北极，是磁力线的方向。实际就是上面的直线导体的右手拇指法则的变通应用。
图4.73环导线和通电螺线管的磁场
炁学提示：电磁是共存的。当电炁流在导体内流动形成电流时，会将电线炁子分离出磁炁流，在导体外形成磁场。很显然，电流越大，变成磁炁流的炁子越多。为什么电流和磁场的方向有右手法则关系，为什么直线导线形成无极性的环形磁场，机理未明，应该同电炁流在导线炁子内的流动有关。电炁流使导线炁子分离出磁炁流，一节节“磁铁”相连接形成了环形磁炁流。这里的“磁铁”和“磁极”是由构成导线的原子或者分子形成的。因此估计电磁铁有趋肤效应，就是磁炁流主要从导线表面层形成。
图4.74环形磁场的形成机理
2、电磁铁。
在螺线管里加一根软铁心制造而成。可以制成条形、蹄形等各种形状的电磁铁。电磁铁有广泛的应用，有控制电流的作用，可以用来制造电铃、电报机、继电器、选矿机、起重机等。电磁铁的磁力同匝数和电流强度成正比。
炁学提示：电炁流使铁炁子中的中性磁炁流分裂，形成阴阳两种磁炁流，让铁具有磁性。停电后，阴阳磁炁流合并还原成为中性的磁炁流，磁性消失。这个机理同电流使电线产生磁是一样的。导线磁诱发了铁炁子，磁感应使铁炁子的磁炁子分离成为阴阳磁炁流而具有磁性。
3、磁场对电流的作用。
电能够生磁，能够对磁产生作用，那么反过来能够成立吗？1822年，安培发现了磁场对电流的作用现象。
对于直导线，其作用方向可以用左手法则判定：让磁力线穿过左手掌心，四指指向电流的方向，则拇战的方向就是磁场力的方向。
图4.75左手法则
磁场力的大小用F表示，则：
F=KHILsinθ
式中L为在磁场中的直导体的长度，θ为导线和磁力线的夹角。当取达因、奥斯忒、安培、厘米为单位时，K=0.1。
对于线圈，可以用下面的公式表示：
M=0.1NHIScosθ
式中，M为磁场力产生的力偶，S为线圈面积，N为线圈的匝数。
各种电表（电流表、电压表）都是根据这种原理制造的。
炁学提示：电流产生的电线磁场同环境磁场作用是很正常的现象，就如同两块磁铁相互作用一样。磁对电的作用力F是吸力和斥力的合力。
图4.76左手法则机理
4、平行电流间的作用。
电流周围有磁场存在，因此两个电流之间会因为磁场而发生作用。作用力的方向是：同向电流时相吸，反向电流时相斥。可以用右手法则和左手法则综合判定：右手法则判定磁场方向，左手法则判定受力方向。
图4.77平行电流间的作用
5、电磁感应、楞次定律。
1831年，英国的法拉第发现了磁生电的现象，这种现象叫做电磁感应现象，所产生的电流叫做感生电流，所形成的电动势叫做感生电动势。利用磁场获得电流的方法有切割磁力线法（闭合导线切割磁力线时就会产生电流）和改变磁通量法（改变闭合导线里的磁通量时就会产生电流）。
感生电流的方向用右手法则判定：让磁力线穿过右手掌心，拇指指向切割运动的方向，则四指的方向就是感生电流的方向。
楞次定律：这是由俄国的楞次在1834年发现的。感生电流的磁场总是阻碍原来磁场发生变化。感生电流产生的磁场会阻碍切割运动，即产生磁场阻力。
炁学提示：磁生电同电生磁正好相反。线圈切割磁力线产生电炁流的原理是磁炁流使导线炁子中的电炁子分离成为阴阳电炁流。电炁流所形成的磁场起到阻力作用，就是同切割方向相反。
图4.78右手法则及其机理
6、感生电动势。
有感生电流就必然存在感生电动势。导体切割磁力线或者线圈的磁通量发生变化，就会产生感生电动势，如果是闭合电路就会有感生电流产生。
感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律公式计算：
对于直线导体：
对于闭合线圈：
公式中ε为感生电动势（伏特），v为速度（厘米/秒），H为磁场强度（奥斯卡），L为长度（厘米），n为线圈匝数，ΔΦ/Δt为磁通量变化率。
7、自感现象。
这是由法拉第在1835年发现的一种电磁感应现象。当接上电源时，在接有电磁铁的电路里，电流是逐渐增加的；而没有电磁铁的电路里，电流是立即增加到稳定值的。当断开电源时，没有接电磁铁的电路的电流会立即为零，而接电磁铁的道路里电流是逐渐减少的，甚至出现电流增强的情况。在自感电路里，电流逐渐增强的过程就是周围磁场建立的过程，电流减少的过程就是磁场消失的过程。
自感电动势的方向。自感电动势总是在阻碍电流的变化。如果电流增强则自感电动势与原来的电流方向相反；如果电流在减弱则自感电动势与原来的电流同方向。
自感电动势的大小。把ΔΦ=KΔI代入上面的公式得：
L=叫做线圈的自感系数，单位是亨利。1亨利=1伏特·秒/安培。自感系数比较大的电路叫做自感电路。
利用双线绕法使电流反向流动，可以减少甚至消除自感现象。
图4.79双线绕法
8、交流电。
交流电是电流的大小和方向进行周期变化的电。交流电是利用电磁感应现象生产的电。当闭合矩形线圈在匀强磁场里匀速转动切割磁力线时，就产生大小和方向都作周期性变化的感生电流和感生电动势，这样的电就叫做交流电。线圈每转一周，交流电的方向就要改变两次。由于是呈正弦规律变化的，所以叫做正弦交流电。常见的是正弦交流电。交流电比直流电用途广泛，因为交流电应用性能好（变压容易、送电损耗小、电机简单可靠）。
图4.80电机与正弦交流电
交流电的周期：交流电完成一次全振动的时间，用T表示。
交流电的频率：1秒钟里交流电振动的次数，用f表示。f=1/T。我国的普通电是50赫兹。
交流电的角频率：即转动的角速度，用ω表示，ω=2πf。
交流电的有效值：是根据电流的热效应来规定的。电流、电压、电动势都是其幅值（最大值）的
9、电机。
电机是实现机械能和电能相互转换的机械设备，将机械能转变成为电能的叫做发电机，将电能转变成为机械能的叫做电动机。有直流电机和交流电机，有单相电机和三相电机。交流电机又分为同步电机和异步电机。
发电机是一种利用电磁感应原理，把机械能变成电能的装置。有交流发电机和直流发电机两种。交流发电机又分为单相交流发电机和三相交流发电机。1832年法国的皮克希制造出第一台手摇发电机，1834年德国的雅可比制造第一台实用的发电机，1867年德国的西门子制造出第一台自激式发电机。目前的发电机提供的一般是220和380伏交流电。三相交流发电机生产的是三相交流电，三相的相位差为120°。最常用的是星形接法。星形接法形成三相四线电路，有三条火线（相线）和一条地线（中性线、零线）。火线和地线的电压叫做相电压，用V相表示，一般为220伏特，火线之间的电压叫做线电压，用V线表示，一般为380伏特。在远距离送电时，大多数用三角形接法，可以省地线。
图4.81送电线路的接法
电动机是把电能转变成机械能的装置，其实就是发电机的反应用。有交流电动机和直流电动机两种。交流电动机有同步交流电动机、三相感应电动机和单相感应电动机。
10、变压器与送电。
变压器是利用电磁感应原理用来改变交流电的电压和电流的设备，目的是为了远距离送电，能够用比较小的电线和电流输送电能，但是输送的功率不变。将电压提高n倍，则电耗减少到原来的1/n2倍。变压器用两组导线绕铁心而构成。n1为输入线圈（原线圈）匝数，n2为输出线圈（副线圈）匝数。当n1大于n2时叫做降压器（降压变压器），当n1小于n2时叫做升压器（升压变压器）。没有副线圈的变压器叫做自耦变压器。
图4.82变压器
炁学提示：高压电如同高压水，比低压电更加容易输送到远处。高压电的炁子能量比较高，电损小。