磁力 Magnetism

磁力最早是在磁鐵間看到！

磁鐵有南北兩極！同極相斥，異極相吸。

鐵屑會在磁鐵周圍形成如電力線般連續的流線。

一群小指南針取代鐵屑

可以如電力線決定電場的方式，由磁力線定義磁場：

磁力線的切線方向即磁場方向，磁力線密度即當地磁場大小。

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磁鐵的磁力線由北極發出，由南極進入磁鐵。

一群小磁鐵在磁鐵周圍形成的連續流線稱為磁力線

地球周圍有一個磁場

E

B

Q?

S

南北極似乎與正負電荷非常類似！

磁極並無法被分離形成磁荷！

如果我們把南北極切開，新的極會在分離處形成：

0AdB

連續的磁力線的數目將永遠守恆！

磁場的高斯定律

如果沒有磁荷來產生及消滅磁力線

0q

AdE

0AdB

dt

dsdE B

dt

disdB E

P

000

Maxwell Equations

磁極並無法被分離形成磁荷！

什麼東西產生磁力？電力由電荷產生。

0AdB

閃電會使金屬磁化

電流

磁

i

1820 Orsted 奧斯特

電流的磁作用

i

電流對磁極的力不是徑向！

電流的磁作用

1820 Orsted 奧斯特 電流的磁作用

Ampere 1820

緊接著奧斯特，安培在 11 September 1820 知道這個結果，一個禮拜以後就發表一篇更完整的論文，接著在短短半年間釐清了電流與磁的關係！

Ampere 1820

電流周圍的磁力線是環繞該電流！與電力線非常不同！

磁力：

電流↔磁鐵

Ampere 1920

磁力：

電流↔電流

磁力：

電流↔磁鐵

磁力的研究開始可以量化！

http://www.youtube.com/watch?v=he9G1wtSV6c

長直導線電流周圍磁場大小的測量

qQ

qQ

B

v’

v

磁力是移動的電荷之間的力！

移動的電荷在周圍產生磁場，磁場對當地的移動電荷施磁力！

1820 年的磁學大革命

磁場就是會讓位於當地的運動電荷 q 得到靜磁力的空間的物理性質

電流在磁場中所受的力

移動電荷在磁場中所受的力

BvqFB

移動電荷在磁場中所受的力

力與速度及磁場皆垂直

BvqFB

sin vBqBvqFB

kBjBiBkvjvivqBvqF zyxzyxBˆˆˆˆˆˆ

kji ˆˆˆ kij ˆˆˆ

xyyxBz BvBvqF

yzzyBx BvBvqF

zxxzBy BvBvqF

一段直導線在磁場中所受之磁力

BLi

BLvABvLABvqFB

BLiFB

電荷於磁場中會作圓周或螺旋運動

T

vm

r

vmqvB 2

2

qB

mT

2

qB

mvr 由半徑量動量

周期與半徑無關

電荷於電場中會偏向或偏離電場方向

若粒子初速與磁場不垂直，則作螺旋狀運動

LHC Large Hadron Collider

Collider

What is the world made of?

What holds it together?

Fundamental Constituent Structure

Of the material nature

To see the details, you need to get closer.

1st reason

Why do we need high energy collider to study the fundamental structure?

To get closer, you need higher energy, faster particles.

Energy can transfer into mass and generate new heavier particles.

2nd reason

Accelerator

And if the protons and neutrons were a centimeter in diameter; Then the electrons and quarks would be less than the diameter of a hair; and The entire atom's diameter would be greater than the length of 30 football fields!

原子

原子核

Accelerator

CMS

A lot of people are expecting (hoping for?) surprises, what surprises?

Detector

極光

氧原子

氮分子

O(1S) O(3P) 波長 5577A

氮雙原子分子還可以振動！

長及高可達數千公里，厚度卻只有數百公尺！

木星