磁场线
的磁场是描述磁性影响的抽象实体吗部队在一个地区。磁场线是用来表示磁场的可视化工具。它们描述了在任何给定位置上磁单极子的方向。由于自然界中没有发现单极子，我们还将在下面的章节中讨论描述电场线的替代方法。一个有用的类比是磁单极子和电荷之间的密切联系。
我们采用了一些关于场线的惯例:
- 既然我们同意根据北磁单极子的运动来定义磁极，磁场线就进入磁偶极子的南极，从磁偶极子的北极出来。
- 原则上，在空间的每一个位置都可以计算出场线，但这在视觉媒介中很难表示，因此我们用场线的密度来表示场强。
磁单极子
单极子是(到目前为止)理论上有北极或南极的物体。另一种方法是把它们想象成磁荷，类似于质子和电子。它们的存在是有争议的，尽管存在一些证据它们可以被人工合成。尽管如此，它们对于思考磁场线和概念化关于磁性的概念都是有用的工具。注意，单极子将磁现象还原为静电的类似物。我们可以说磁力线从北极出来，在南极汇合。
如果单极子在自然界中是孤立的，就会发现它们在电场中的相互作用类似于电荷在磁场中的相互作用。例如，单极子的磁场和电荷的电场会表现出相同的行为，一个移动的磁单极子会诱发一个循环电场(下图)。
这个想法给我们带来了场线的不同定义:
磁场线：
磁场线是一个北磁单极子放置在磁场中时所遵循的轨迹。
无论磁单极子是否真实存在，这个想法的优雅之处是显而易见的。的定义很容易磁荷类似于电荷，并声称场遵循库仑型定律
实际上，利用库仑式定律将条形磁铁模拟成两个“符号”相反、间隔很短的磁荷，可以真实地再现磁场强度的形状和变化。
条形磁铁：
让我们从条形磁铁的电场线开始，这可能是最简单的分析案例。
- 如果我们在磁铁的北极附近释放一个北单极子，它就会被排斥，就像两个靠近的正电荷一样。因此，我们预计有一条磁场线从北极出现，并直接向左面延伸 设在。
- 高于或低于 -轴，磁场线应该开始卷曲，并朝向负极，因为北单极子将被吸引在这个方向。
- 如果我们把一个北单极子放在 -北极和南极的坐标，我们应该期望他们向右移动，同时向下弯曲，终止于南极。
- 最后，如果我们把北单极子放在很远的地方，但在南极的右边，我们应该预料到它们会向南极移动。
结合这组见解，我们可以画出棒状磁铁的电场线，如下所示:
我们注意到一些事情。靠近棒状磁体的磁力线密集，反映了磁极附近的高磁场强度。当我们从两极附近缩小时，磁场线变得更致密，反映出磁场强度的减弱。我们还看到所有的磁场线都从北极开始，到南极结束。因为电场线代表粒子的轨迹，它们不能交叉;否则，从交叉点出发的粒子将具有模糊的动力学。
在这一点上，我们指出，如果我们假设棒状磁铁是一个紧密分离的电荷对，并计算它们的电场，我们将得到几乎相同的结果:
让我们从条形磁铁的例子中整理我们的观察结果:
磁场线的性质：
- 它们在局部被画成平行轨迹。
- 它们从不相交(如果相交，就意味着一个极点指向两个方向)。
- 它们从北开始，在磁体外的南结束，在磁体内则相反。
指南针
指南针是一种简单的装置，它由一个可以在针上自由旋转的永磁极子组成，这个磁偶极子被称为针。当被置于磁场中时，北极趋向于朝北磁单极子的方向移动，南极也是如此。显然，这种运动是高度受限的，一旦针与当地磁场对齐就会停止。
因此，指南针对于确定磁场的局部方向是很有用的。由于地球上有一个简单的磁场，北极大致与真北对齐，罗盘是导航全球最可靠的工具。然而，如果局部磁场的强度使地球磁场的强度相形见绌，那么磁针将不再提供地球磁场的信息。因此，它可以用来绘制实验室中电子设备的磁场线。
很像指南针，铁屑可以用来绘制设备的磁场。一罐铁刨花中的每个粒子都是一个小的(铁)磁偶极子，并将与局部磁场对齐。通过这种方式，它就像在周围部署了数千个微小的圆规，以同时获得该领域的全局视图。
想想这张铁屑围绕着磁铁棒的照片。正如你所看到的，这些文件让我们能够真正地看到这个领域。
叠加原理
到目前为止，我们已经考虑了由a引起的磁场线单设备。当我们想要找出一个物体在某一点上的磁场强度时，我们考虑那对象，忽略所有其他产生势场的对象。只要所考虑的装置产生的磁场比附近所有其他光源强得多，或者所有其他光源都位于很远的地方，这就没问题。然而，如果我们想找到由几个相互靠近的强度相当的电场产生装置产生的磁场，这就不行。
在多个器件的情况下，我们执行与单个器件相同的步骤，然后将它们相加，求出在某一点处的合成磁场。即if装置 产生磁场 在一个点 和设备 产生磁场 在 处的合成磁场 将 ．这就是叠加原理。
两个条形磁铁：
要生成两个相邻偶极子的场线，请为每个单独的条形磁铁绘制场线，然后将它们叠加。电场线，非常接近任何一个棒磁体，而远离另一个，将在很大程度上与他们在孤立的情况下是相同的。这是因为来自另一个磁铁的磁场在很远的距离上是弱的，不能显著地扭曲局部磁场。在两块磁铁之间，故事是不同的。两个磁场在这一区域具有相当的强度，北磁单极子将倾向于从右侧磁铁的北极移动到左侧磁铁的南极。因此，电场在这个区域将或多或少是水平的。
事实上，如果我们简单地把磁力线当作矢量来对待，我们可以看到，通过矢量相加，磁体之间的磁力线将减弱它们的垂直特性，并合二为一，形成大致水平的磁力线，从右侧的条形磁铁指向左侧的磁力线。把所有这些见解放在一起，我们可以画出两个相邻棒状磁体的合成磁场。
建议读者在下列情况下画出字段线:
- 两个相邻北极的条形磁铁。
- 两个两极相反的平行磁铁棒。
右手法则
我们现在试图了解磁力线是如何围绕带电流的导体排列的。为了理解磁力线的方向，我们需要熟悉一个记忆法叫做右手定则．这条规则的起源来自于早期的实验，将铁屑放置在带电流的电线周围。这些观察结果被数学编码在麦克斯韦方程中，即安培定律。
右手螺丝(握把)规则：
根据这个规则，如果你把你的右手拇指朝上，拇指指向手指的方向当前的是流动的，那剩下的手指会给你方向吗磁场在载流导体周围，如下图所示。
注意:这里的电流指的是传统的流动(即正电荷)，所以不要把它混淆为电子流动。电子的流动方向与常规的流动方向相反。
如果导体中的电子从西向东移动，从东边看，磁场会向哪个方向产生?
的电子正从西到东，这意味着常规电流是来自东向西．通过应用右手定则，我们得出结论:在垂直于导线的平面上，从东边看磁场方向是顺时针的，从西边看磁场方向是逆时针的。
导体周围的电场线
电线：
导线是一种直流电导体。因此，它是最简单的系统，直接应用右手定则就能得到最简单的磁力线类型。下面显示的是垂直从桌子流出的电线流动的电流。桌上的铁屑显示了导线周围磁场的方向。
如上图所示，电场线在导体周围形成同心圆。导线周围磁场的强度主要取决于两个因素:
- 首先,的电流通过它。如果电流增加，磁场强度也会增加(成正比): ．
- 第二,与载流导体的距离．如果与导体的距离增加，磁场的强度就减小。磁场强度与到导线的距离的倒数成正比: ．
当前的循环：
到目前为止，我们已经讨论了在直载电流导线中产生的磁场线的形状。让我们考虑一种不同的情况:让我们试着把同一根电线弯成一个圈。我们发现了一个我们以前没有看到的新事物:a的形成磁场直线．
与前面(导线)一样，字段线继续扩展，但是循环创建了一个两端的相互作用因此在环的中心有一条直线。你可以用右手定则来验证磁场的方向。虽然图中没有显示直线磁场线，但它是存在的。
让我们验证一下右手定则在这种情况下是否有效。让我们考虑正极。如果我们保持大拇指朝上的位置，我们会看到磁场的方向是逆时针的，如图所示。负极正好相反。
最后，我们通过铁屑实验验证了这些观点:
电磁阀的：
螺线管是由许多环形线圈包裹成圆柱形的线圈。我们可以在螺线管和条形磁铁之间找到一个很大的相似之处。我们发现两种情况下的磁场线是完全相同的。事实上，螺线管的两端表现为极点。一端是南极，另一端是北极。这可以用时钟规则来解释。
的时钟统治就是说，当电流进入螺线管时，它的移动方向决定了极性。如果它沿着顺时针方向旋转，它就是南极，如果它沿着逆时针方向旋转，它就是北极。在这个图中，电流以顺时针方向进入，所以螺线管的右端成为南极，左端是北极。
更重要的是要注意的是电磁阀内部的电场线总是平行的。这表明螺线管内产生的磁场线在任何一点上都是相同的大小，这意味着磁场是均匀的。螺线管有广泛的应用，它们主要用于金属工业中的电磁铁。另一个应用是在核磁共振成像(MRI)中，在超低温下放置一个慢速碘进行扫描。
螺旋管：
环面是一种空心的圆环，上面紧密缠绕着大量的线圈。它就像螺线管，通过连接两端而成圆形。环面的磁场沿等量的同心圆运行。这个领域 对于紧密缠绕的理想环面而言，环面内部的大小是恒定的。环面外的磁场为零。用右手定则可以很容易地求出环面内磁场的方向。用右手的手指沿着线圈中电流的方向弯曲抓住环面。然后拇指指向磁场的方向。
两个电线：
当两个直流电导体彼此平行时，它们彼此之间会受到某种力。这种力可以有两种类型:吸引或排斥。这个力取决于流经它们的电流的方向。如果两根导线的电流方向相同，那么这两根导线就会相互吸引。如果电流流向相反的方向，它们就会互相排斥。
应用程序
地球：
你可能读过太阳风暴造成的毁灭性太阳耀斑，或者读过形成北极光的美丽电离模式。这两种现象都与行星和恒星的磁场有关。地球的作用很像条形磁铁，唯一明显的区别是大小。
为了理解这一点，我们需要一些已经被提出的理论来解释地球的磁性本质。在早期的 世纪以来，中国旅行者注意到他们的罗盘在海上被人玩弄。研究人员假设，地球的旋转和地球地幔中铁的存在可能导致这种异常磁性。这些理论很快就被驳斥，并被地球发电机理论所取代。该理论认为，许多离子在地球表面下的地幔中移动，因此产生了产生磁场的电流。
请注意，就像每个条形磁铁一样，我们的地球也有两极，不同的是，这些两极与我们地理上的北极和南极不重合，因此被称为磁极。根据条形磁铁的性质，我们知道产生磁场的磁力线起源于北极，终止于南极，因此是闭环。尽管有时人们认为地球的地核有一块巨大的磁铁，但事实并非如此，但这为案例研究提供了一个很好的图景。
如前所述，地球磁场使有害的太阳耀斑偏转，带走电离粒子。假设一个来自太阳的带电粒子。当它径直冲向地球时，会遇到一个垂直于其运动方向的磁场，并被偏转。这在地球周围形成了某种保护层，可以维持来自太阳的典型耀斑。这种磁屏蔽效应如下图所示:
粒子加速器：
粒子加速器用于将基本粒子和原子加速到接近光速的巨大速度。然后粒子被碰撞，这些碰撞的产物被仔细分析，以寻找假设粒子或全新粒子的特征。加速器也被用来产生用于癌症治疗的辐射，如质子疗法。
加速器有几种类型，主要是回旋加速器和同步加速器。
回旋加速器：
回旋加速器的机制结合了恒定磁场和开关电场，使粒子保持在半径不断增加的螺旋路径上。要了解这是如何工作的，考虑一个带电的质量粒子 在恒定磁场中作圆周运动的。我们当然有质点的向心加速度被作用在它上面的洛伦兹力平衡
这意味着 ．轨迹的频率由 ，这说明轨道的频率正好 ．我们注意到这与能量和半径无关。因此，任何能量的粒子都将保持频率 ，即使它的能量在变化!我们可以利用这种难以置信的轨道规律性(即使它是螺旋状的)来设计一个简单的加速器。
考虑一个区域，我们保持一个恒定的磁场强度 ．进一步，考虑一条分界线(下图中红色和蓝色之间的接口)。每当粒子在这条线的右边，电场就指向左边，使它们向左加速穿过空隙，而每当粒子在左边，电场就指向右边，它们向右加速。由于磁场使粒子在运动轨迹上保持恒定的频率，粒子每次穿过间隙时都有规律地加速到更高的能量，并沿着半径增加的路径运动。
考虑到这个在时域内的情况，我们可以看到我们可以用一个电场来驱动这个加速器它可以改变方向 秒。黑线对应上面的红蓝界面。
因此，使用开关 -field(直接指着间隙)和制服 -场(垂直方向)的串联，我们可以加速螺旋轨道的带电粒子，然后这些粒子可以从加速器中释放出来，用于下游目的(即碰撞，治疗等)。
同步：
同步加速器是回旋加速器的进化形式;它是一种圆形加速器，其中偶极磁铁用于引导粒子的路径，四极磁铁用于保持带电粒子束的聚焦。
大型强子对撞机
利用高频射频场将能量传递给粒子，无论能量如何，路径保持恒定。回旋加速器和同步加速器之间的区别是由于同步辐射的产生而可见的。
同步加速器辐射当一个高能量的电子(速度接近光速)通过偶极磁铁时发生，它经历一个侧向力，引起向心加速度。在这一阶段，电子发出与其路径切向的强辐射，称为同步辐射。
光子：
光子当然是光的基本量子;在给定的频率下，光流的强度只能以单个光子的增量变化。但光子也是电磁场的基本量子。在这个观点中，光子不仅仅是EM场中的波纹，它们还是EM场本身。因此，在空间中传播的电磁波就是光子。
假设我们有一个振荡的电场在 方向,即。 ．这个磁场在空间和时间上都在变化，这意味着它通过法拉第的感应定律产生了磁场。磁场移动半个周期，并垂直于电场振荡。显然，这个论点反过来也适用(传播的磁场会产生垂直振荡的电场)，因此它们是不可分割的。
将这一结果可视化，我们看到电磁波在空间中的传播由耦合的 而且 横向振荡的场，其方向是波的共轴。
电场线就是从传播轴指向每个波的振幅的箭头。
费曼的建议
毕竟，电场线只是解释磁场的一种“粗糙”方式。然而，它不仅仅是一个几何对象。这是量子电动力学的先驱理查德·费曼在费曼物理讲座：
场线只是描述场的一种粗略的方法，而且很难直接用场线给出正确的、定量的规律。此外，电场线的概念不包含电动力学的最深层原理，即叠加原理。尽管我们知道一组电荷的场线是什么样子，知道另一组电荷的场线是什么样子，但我们不知道当两组电荷同时出现时，场线会是什么样子。另一方面，从数学的角度来看，叠加很容易——我们只需将两个向量相加。电场线在描绘生动图像方面有一定的优势，但也有一些缺点。直接相互作用的思维方式在考虑静止电荷时有很大的优点，但在考虑快速运动的电荷时有很大的缺点。
他进一步补充道:
最好的方法是使用抽象的领域概念。它是抽象的，这是不幸的，但却是必要的。