1、13.1 磁场磁场 磁感线磁感线 我国春秋战国时期的一些著作已有关我国春秋战国时期的一些著作已有关 于磁石的记载和描述。于磁石的记载和描述。指南针是我国古代指南针是我国古代 四大发明之一。四大发明之一。12 世纪初，我国已将指南针世纪初，我国已将指南针用于航海，宋俑持罗盘者就记录了这个用于航海，宋俑持罗盘者就记录了这个 科技史实。科技史实。 你是否感受你是否感受到，凡是用到电的地方，到，凡是用到电的地方， 几乎都有磁现象相伴随？你知道电和磁几乎都有磁现象相伴随？你知道电和磁有有 怎样的联系吗怎样的联系吗一、电和磁的联系一、电和磁的联系 自然界中的磁体总存在着两个磁极，自然界中同样存自然界中的磁
2、体总存在着两个磁极，自然界中同样存 在着在着两种电荷。不仅如此，磁极之间的相互作用，与电荷两种电荷。不仅如此，磁极之间的相互作用，与电荷 之间的相之间的相互作用具有相似的特征：同名磁极或同种电荷相互作用具有相似的特征：同名磁极或同种电荷相 互排斥，异名互排斥，异名磁极或异种电荷相互吸引。但是，直到磁极或异种电荷相互吸引。但是，直到19世世 纪初，库仑、英国纪初，库仑、英国物理学家杨和法国物理学家安培等都认为电与磁是互不相关的两物理学家杨和法国物理学家安培等都认为电与磁是互不相关的两回事。回事。 不过，在不过，在18 世纪和世纪和19 世纪之交，随着对摩擦生热及世纪之交，随着对摩擦生热及 热机热
3、机做功等现象认识的深化，自然界各种运动形式之间存做功等现象认识的深化，自然界各种运动形式之间存 在着相互在着相互联系并相互转化的思想，在哲学界和科学界逐渐形成。丹麦物联系并相互转化的思想，在哲学界和科学界逐渐形成。丹麦物理学家奥斯特相信，电和磁之间应该存在某理学家奥斯特相信，电和磁之间应该存在某 种联系，并开始了种联系，并开始了不懈的探索。当时人们见到的力都沿着不懈的探索。当时人们见到的力都沿着 物体连线的方向。受这物体连线的方向。受这个观念的局限，奥斯特在寻找电和磁的联系时，总是把磁针放个观念的局限，奥斯特在寻找电和磁的联系时，总是把磁针放在通电导线的延长线上，结果在通电导线的延长线上，结果
4、 实验均以失败告终。实验均以失败告终。 1820年年4月，在一次讲课中，他偶然地把导线放置在月，在一次讲课中，他偶然地把导线放置在 一个指一个指南针的上方，通电时磁针转动了（图南针的上方，通电时磁针转动了（图13.1-1）。这个）。这个 现象虽然没现象虽然没有引起听众的注意，但却是奥斯特盼望已久的。有引起听众的注意，但却是奥斯特盼望已久的。 他连续进行了他连续进行了大量研究，同年大量研究，同年7月发表论文，宣布发现了月发表论文，宣布发现了 电流的磁效应，首次电流的磁效应，首次揭示了电与磁的联系。为此，安培写揭示了电与磁的联系。为此，安培写 道：道：“奥斯特先生奥斯特先生已已经永远把他的名字和一
5、个新纪元联经永远把他的名字和一个新纪元联 系在一起了。系在一起了。”二、磁场二、磁场 自奥斯特实验之后，安培等人又做了很多实验研究。自奥斯特实验之后，安培等人又做了很多实验研究。 他们他们发现，不仅通电导线对磁体有作用力，磁体对通电导发现，不仅通电导线对磁体有作用力，磁体对通电导 线也有作线也有作用力。例如，把一段直导线悬挂在蹄形磁体的两用力。例如，把一段直导线悬挂在蹄形磁体的两 极间，通以电极间，通以电流，导线就会移动。他们还发流，导线就会移动。他们还发 现，任意两条通电导线之间也有现，任意两条通电导线之间也有作用力作用力. 那么，这些相互作用是怎样发生的？其实，正像电荷那么，这些相互作用是
6、怎样发生的？其实，正像电荷 的相的相互作用是通过电场发生的，磁体与磁体之间、磁体与互作用是通过电场发生的，磁体与磁体之间、磁体与 通电导体通电导体之间，以及通电导体与通电导体之间的相互作用，之间，以及通电导体与通电导体之间的相互作用， 是通过磁场是通过磁场（magnetic fifield）发生的。）发生的。 磁场尽管看不见，摸不着，但它磁场尽管看不见，摸不着，但它与电场类似，都是不与电场类似，都是不 依赖于我们的感觉而客观存在的物质，并依赖于我们的感觉而客观存在的物质，并且也都是在跟别且也都是在跟别 的物体发生相互作用时表现出自己的特性。那的物体发生相互作用时表现出自己的特性。那么，我们如么
7、，我们如 何来形象地描述磁场呢？何来形象地描述磁场呢？三、磁感线三、磁感线 小磁针有两个磁极，它在磁场中静止后就会显示出这小磁针有两个磁极，它在磁场中静止后就会显示出这 一点的一点的磁场对小磁针磁场对小磁针N极和极和S极作用力的方向。物理学中极作用力的方向。物理学中 把小磁针静止把小磁针静止时时 N 极所指的方向规定为该点磁场的方向。极所指的方向规定为该点磁场的方向。 实验中我们常用铁实验中我们常用铁屑的分布来反映磁场的分布。屑的分布来反映磁场的分布。 观察常见磁场的分布观察常见磁场的分布 ：在条形磁体上方放置一块玻璃板，：在条形磁体上方放置一块玻璃板，在玻璃板在玻璃板 上均匀地撒一层细铁屑，
8、细铁屑就在磁场里磁化上均匀地撒一层细铁屑，细铁屑就在磁场里磁化 成了成了“小磁针小磁针”。轻敲玻璃板，细铁屑就会有规。轻敲玻璃板，细铁屑就会有规 则地排列起来。则地排列起来。 再再将通电直导线穿过另一块玻璃板。重复以将通电直导线穿过另一块玻璃板。重复以 上操作。上操作。 观察条形磁观察条形磁体和通电直导线（图体和通电直导线（图13.1-4）周围细）周围细 铁屑的分布情况。铁屑的分布情况。 图图 13.1-4 通电直导线周围磁场中细铁屑的分布通电直导线周围磁场中细铁屑的分布 沿磁场中的细铁屑画出一些曲线，使曲线上每一点的沿磁场中的细铁屑画出一些曲线，使曲线上每一点的 切线方切线方向都跟这点磁场的
9、方向一致，这样的曲线就叫作磁向都跟这点磁场的方向一致，这样的曲线就叫作磁 感线感线（magnetic induction line）。正像在电场中可以用电场）。正像在电场中可以用电场 线来线来描述电场一样，利用磁感线可以形象地描述磁场。描述电场一样，利用磁感线可以形象地描述磁场。 如图如图 13.1-5，从条形磁体的磁感线可以看出，在磁体的两极，磁感线较密，表从条形磁体的磁感线可以看出，在磁体的两极，磁感线较密，表示磁场较强示磁场较强四、安培定则四、安培定则 图图 13.1-6 表示的是直线电流的磁感线分布。直线表示的是直线电流的磁感线分布。直线 电流的磁感线是一电流的磁感线是一圈圈的同心圆，
10、这些同心圆都在跟圈圈的同心圆，这些同心圆都在跟 导线垂直的平面上。导线垂直的平面上。 实验表明，改变电流的方向，各实验表明，改变电流的方向，各 点的磁场方向都变成相反的方向。点的磁场方向都变成相反的方向。直线电流的方向跟直线电流的方向跟 它的磁感线方向之间的关系可以用安培定则它的磁感线方向之间的关系可以用安培定则（Ampre rule，也叫右手螺旋定则）来判断，也叫右手螺旋定则）来判断 ：用右手握住导线，让：用右手握住导线，让 伸伸直的拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指直的拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指 的方向就是磁感的方向就是磁感线环绕的方向（图线环绕的方向（图 13
11、.1-7）。）。 在初中，我们已经学会了判断通电螺线管的磁场方在初中，我们已经学会了判断通电螺线管的磁场方 向（图向（图 13.1-8）。）。通电螺线管可以看作许多匝环形电流串通电螺线管可以看作许多匝环形电流串 联而成。图联而成。图 13.1-9 是环形电流的是环形电流的磁场，它和螺线管的磁磁场，它和螺线管的磁 场都可以用另一种形式的安培定则判定：让右手场都可以用另一种形式的安培定则判定：让右手弯曲的弯曲的 四指与环形（或螺线管）电流的方向一致，伸直的拇指所四指与环形（或螺线管）电流的方向一致，伸直的拇指所 指的方指的方向就是环形导线（或螺线管）轴线上磁场的方向向就是环形导线（或螺线管）轴线上
12、磁场的方向 （图（图 13.1-10）。）。 与天然磁体的磁场相比，电流磁场的强弱容易控制，与天然磁体的磁场相比，电流磁场的强弱容易控制， 因而在因而在实际中有很多重要的应用。电磁起重机、电动机、实际中有很多重要的应用。电磁起重机、电动机、 发电机，以发电机，以及在自动控制中普遍应用的电磁继电器等，都及在自动控制中普遍应用的电磁继电器等，都 离不开电流的磁离不开电流的磁场。场。 近些年来，随着超导、新材料等技术的运用，人们可近些年来，随着超导、新材料等技术的运用，人们可 以较以较方便地获得大电流和强磁场。利用磁场与电流之间的方便地获得大电流和强磁场。利用磁场与电流之间的 相互作用，相互作用，人
13、们发明了磁浮列车、电磁弹射装置等人们发明了磁浮列车、电磁弹射装置等安培分子电流假说安培分子电流假说 磁体和电流都能产生磁场。它们的磁场是否有联系？我们知磁体和电流都能产生磁场。它们的磁场是否有联系？我们知 道，通道，通电螺线管外部的磁场与条形磁体的磁场十分相似。安培由电螺线管外部的磁场与条形磁体的磁场十分相似。安培由 此受到启发，此受到启发，提出了提出了“分子电流分子电流”假说。他认为，在物质内部，假说。他认为，在物质内部， 存在着一种环形电存在着一种环形电流流分子电流，分子电流使每个物质微粒都分子电流，分子电流使每个物质微粒都 成为微小的磁体，它的两成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极（图
14、侧相当于两个磁极（图13.1-11）。）。 安培的假说能够解释一些磁现象。一安培的假说能够解释一些磁现象。一根铁棒未被磁化的时根铁棒未被磁化的时 候，内部分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁候，内部分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁场互相抵消，场互相抵消， 对外不显磁性（图对外不显磁性（图13.1-12甲）。当铁棒受到外界磁场的作甲）。当铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大致相同，铁棒被磁用时，各分子电流的取向变得大致相同，铁棒被磁 化，两端对外界显示化，两端对外界显示出较强的磁性，形成磁极出较强的磁性，形成磁极 （图（图13.1-12乙）。磁体受到高温或猛烈撞击时乙）。磁体受到高温或猛烈撞击时 会失去磁性，这是因为激烈的热运动或震动使会失去磁性，这是因为激烈的热运动或震动使 分子电流的取向又变得杂分子电流的取向又变得杂乱无章了。在安培所乱无章了。在安培所 处的时代，人们不知道物质内部为什么会有分处的时代，人们不知道物质内部为什么会有分 子电子电流。流。20世纪后，人们认识到，原子内部带世纪后，人们认识到，原子内部带 电粒子在不停地运动，这种运电粒子在不停地运动，这种运动对应于安培所动对应于安培所 说的分子电流。说的分子电流。课堂练习课堂练习
