第十五章穩(wěn)恒磁場(chǎng)第十五章穩(wěn)恒磁場(chǎng)15-1磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度一、磁的基本現(xiàn)象

我國(guó)是世界上最早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用磁現(xiàn)象的國(guó)家之一，早在公元前300百年就發(fā)現(xiàn)磁鐵吸引鐵的現(xiàn)象。在十一世紀(jì)我國(guó)已制造出指南針（司南）(compass)?！渡胶＝?jīng)》中有“山中有磁石者，必有赤金?！薄端?jīng)注》記載，秦始皇的阿房宮有“北闕門”用磁石做成的，以防刺客。1．磁現(xiàn)象的初期認(rèn)識(shí)15-1磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度一、磁的基本現(xiàn)象我國(guó)（1）同號(hào)的磁極有相互排斥力，異號(hào)的磁極有相互吸引力（磁鐵間相互作用力稱為磁力）（2）磁鐵分割成小段，小段仍有兩極（磁荷假說）（3）鐵棒可以被磁化人們最早認(rèn)識(shí)磁現(xiàn)象是從天然磁鐵開（稱天然磁鐵為永恒磁鐵）。對(duì)其基本現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)歸納如下：磁鐵間的相互作用SNSN（1）同號(hào)的磁極有相互排斥力，異號(hào)的磁極有相互吸引力（2）磁二、磁力、磁性的起源

在1820年以前，人們對(duì)磁現(xiàn)象的研究?jī)H限于磁極（magniticpole）磁極間的相互作用。而把磁與電分割開來，看作彼此無(wú)關(guān)。

奧斯特（HansChristanOersted，1777-1851）

丹麥物理學(xué)家，發(fā)現(xiàn)了電流對(duì)磁針的作用，從而導(dǎo)致了19世紀(jì)中葉電磁理論的統(tǒng)一和發(fā)展。

丹麥物理學(xué)家奧斯特─一位康德哲學(xué)思想的信奉者，就堅(jiān)信：客觀世界的各種力具有統(tǒng)一性。并開始對(duì)電與磁的統(tǒng)一性進(jìn)行研究。二、磁力、磁性的起源在1820年以前，人們對(duì)科學(xué)的真正突破，就在于打破思維定勢(shì)的束縛，創(chuàng)建新的科學(xué)概念。1820年4月某天晚上，奧斯特在講課的過程中突然來了靈感，就在快要下課時(shí)，奧斯特說，讓我把導(dǎo)線與磁針平行放置來試試看于是他毫不猶豫地在大庭廣眾面前接上了電源?？茖W(xué)的真正突破，就在于打破思維定勢(shì)的束縛，創(chuàng)他發(fā)現(xiàn)：閉合電鍵的瞬刻，通電導(dǎo)線附近的磁針微微跳動(dòng)了一下！這個(gè)奧斯特日夜盼望的現(xiàn)象對(duì)停課的人毫無(wú)影響！但奧斯特卻激動(dòng)無(wú)比，他立刻中止講座回到實(shí)驗(yàn)室，苦苦進(jìn)行了三個(gè)月的連續(xù)實(shí)驗(yàn)研究，終于在1820年7月21日發(fā)表了題為《關(guān)于磁針上電流碰撞的實(shí)驗(yàn)》的論文。這篇僅用4頁(yè)紙寫成的極其簡(jiǎn)潔的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，向科學(xué)界宣布了電流的磁效應(yīng)，轟動(dòng)整個(gè)歐洲。這一天作為劃時(shí)代的日子載入史冊(cè)?！峨姶艑W(xué)》就此誕生！他發(fā)現(xiàn)：閉合電鍵的瞬刻，通電導(dǎo)線附近的磁針微奧斯特的發(fā)現(xiàn)立即引起法國(guó)數(shù)學(xué)家物理學(xué)家安培（A.M.Ampere）的注意安培如果電流激發(fā)的磁場(chǎng)能作用于磁性物質(zhì)，那么它也應(yīng)能作用于電流！他的想法是：他在短短的幾個(gè)星期內(nèi)對(duì)電流的磁效應(yīng)作了系列的研究。發(fā)現(xiàn)不僅電流對(duì)磁針有作用，而且兩個(gè)電流之間彼此也有作用。安培提出分子電流(molecularcurrent)的假設(shè)。奧斯特的發(fā)現(xiàn)立即引起法國(guó)數(shù)學(xué)家物理學(xué)家安培（A安培演示電流相互作用的裝置（復(fù)制品）安培演示電流相互作用的裝置（復(fù)制品）電流與電流之間的相互作用II智能手機(jī)推薦197gouwu平板電腦推薦17buypad電流與電流之間的相互作用II智能手機(jī)推薦197gouwu平板電流與電流之間的相互作用IIFF電流與電流之間的相互作用IIFF+磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用電子束+磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用電子束S+磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用N電子束S+磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用N電子束II思想深邃的科學(xué)家自問：磁鐵究竟是什么？如果磁場(chǎng)是由電荷運(yùn)動(dòng)激發(fā)的，那么來自一塊磁鐵的磁場(chǎng)是否也可能是由于電流的的效果呢？我們得把問題引向一個(gè)更深的層次安培用通電螺線管很好地模擬了一個(gè)磁針：II思想深邃的科學(xué)家自問：磁鐵究竟是什么？如從這個(gè)實(shí)驗(yàn)看來，一塊磁鐵，如同一個(gè)永恒的環(huán)形電流。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)看來，一塊磁鐵，如同一個(gè)永恒的環(huán)形大學(xué)物理《電磁學(xué)》PPT課件安培還注意到，地球也如同一個(gè)大磁鐵，它的南北極指向就如同地球上有自東向西繞行的電流。安培還注意到，地球也如同一個(gè)大磁鐵，它的南北安培分子環(huán)流假說天然磁性的產(chǎn)生也是由于磁體內(nèi)部有電流流動(dòng)。分子電流電荷的運(yùn)動(dòng)是一切磁現(xiàn)象的根源。等效環(huán)形電流安培分子環(huán)流假說天然磁性的產(chǎn)生也是由于磁體內(nèi)部有電流流動(dòng)。分解釋磁現(xiàn)象：（1）.天然磁鐵的磁性（分子流）（2）.磁化現(xiàn)象（分子磁矩的轉(zhuǎn)向）人們認(rèn)識(shí)到磁性的根源：電荷的運(yùn)動(dòng)。解釋磁現(xiàn)象：（1）.天然磁鐵的磁性（分子流）（2）.磁化現(xiàn)現(xiàn)代物理已經(jīng)充分把握，原子核外的電子繞核高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電子還有自旋運(yùn)動(dòng)。核外電子的這些運(yùn)動(dòng)整體上表現(xiàn)為分子環(huán)流，這便是物質(zhì)磁性的基本起源。不過，安培的分子環(huán)流說至今還只能是一個(gè)假說。有三個(gè)疑點(diǎn)到現(xiàn)在還未查明：①磁單極子（magneticmonopole）所謂磁單極子，就是只有N極或只有S極的最小磁性物質(zhì)單元?，F(xiàn)代物理已經(jīng)充分把握，原子核外的電子繞核高速?gòu)陌才嗟募僬f能夠解釋為什么不存在磁單極子(單獨(dú)的N極或S

極)，這正是分子環(huán)流的結(jié)果。但是，量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一狄拉克從相對(duì)論性量子理論出發(fā)，預(yù)言磁單極子是應(yīng)該存在的，并且由此可以解釋電荷的量子化。從安培的假說能夠解釋為什么不存在磁單極子(這種電荷與磁荷的內(nèi)在聯(lián)系，從對(duì)稱性的角度看來是十分誘人的。近年來，許多科學(xué)家都在致力于對(duì)磁單極子的探索。但是這種探索將是十分困難的，據(jù)“大統(tǒng)一”理論，磁單極子應(yīng)該在宇宙演化的極早期（～10-35s）的超高能狀態(tài)（～1023eV、～1027K）下產(chǎn)生，隨著宇宙的膨脹、溫度降低而急劇相變，至今若還有殘存的話，也是極為稀少了。美國(guó)斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組在實(shí)驗(yàn)室中安置了一個(gè)超導(dǎo)鈮線圈，守株待兔似的企圖捕捉宇宙射線中可能存在的磁單極子從中穿過。1982年的一天，該小組突然宣布，他們記錄到一個(gè)事件，經(jīng)測(cè)定與狄拉克預(yù)言的磁單極子穿過該線圈將會(huì)引起的磁通量的跳變完全吻合，因而找到了一個(gè)磁單極子存在的證據(jù)！這種電荷與磁荷的內(nèi)在聯(lián)系，從對(duì)稱性的角度看來這天正是西方情人節(jié)斯坦福大學(xué)的這個(gè)探測(cè)結(jié)果只是一個(gè)不能重現(xiàn)的孤立事件，在沒有其它實(shí)驗(yàn)室認(rèn)同的情況下，是不能作為對(duì)磁單極子的認(rèn)定結(jié)論的。正當(dāng)全世界都在為人們成雙成對(duì)慶賀的時(shí)候，物理學(xué)家卻為他們找到了孤獨(dú)的磁單極子而歡呼雀躍！一位專欄作家幽默地評(píng)論道：這天正是西方情人節(jié)斯坦福大學(xué)的這個(gè)探測(cè)結(jié)果只所有磁現(xiàn)象可歸結(jié)為運(yùn)動(dòng)電荷AA的磁場(chǎng)B的磁場(chǎng)產(chǎn)生作于用產(chǎn)生作于用運(yùn)動(dòng)電荷

B+所有磁現(xiàn)象可歸結(jié)為運(yùn)動(dòng)電荷A的B的產(chǎn)生作于用產(chǎn)生作于用運(yùn)將一實(shí)驗(yàn)電荷射入磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中會(huì)受到磁力作用。對(duì)比靜電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的定義①θ＝0時(shí)Fm=0，1.磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義：實(shí)驗(yàn)表明

q0時(shí)Fm達(dá)到最大值②三、磁感應(yīng)強(qiáng)度(MagneticInduction)將一實(shí)驗(yàn)電荷射入磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中會(huì)受到定義SI單位：T（特斯拉）工程單位常用高斯（G）磁感應(yīng)強(qiáng)度是反映磁場(chǎng)性質(zhì)的物理量，與引入到磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)電荷無(wú)關(guān)。將Fm=0時(shí)的速度方向定義為的方向

q0定義SI單位：T（特斯拉）工程單位常用高斯（G）磁感寫成矢量式─羅侖茲力運(yùn)動(dòng)電荷受到的磁場(chǎng)力為寫成矢量式─羅侖茲力運(yùn)動(dòng)電荷受到的磁場(chǎng)力為解：普通物理學(xué)教案例題1：一電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，以速率v通過A點(diǎn)求磁感應(yīng)強(qiáng)度當(dāng)時(shí)，測(cè)得若，一個(gè)分力由由于解：普通物理學(xué)教案例題1：一電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，以速率v通資料資料2.電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相對(duì)性靜止電荷激發(fā)靜電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)電荷激發(fā)電場(chǎng)磁場(chǎng)靜電場(chǎng)對(duì)電荷q的作用力與它的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。靜止電荷對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用仍滿足庫(kù)侖定律。不因運(yùn)動(dòng)而不同。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。如在示波管中兩個(gè)靜止的平行帶電平板間形成靜電場(chǎng)，對(duì)通過板間電子束偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，作用在電子上的力的確與電子速度無(wú)關(guān)。都用來計(jì)算。2.電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相對(duì)性靜止電荷激發(fā)靜電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)都由電荷產(chǎn)生，也都由電荷的受力情況來檢驗(yàn)。那么，這兩種場(chǎng)之間到底有什么本質(zhì)的區(qū)別呢？眾所周知，電荷的靜止與運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)觀察者而言的，我們對(duì)運(yùn)動(dòng)與靜止的描述依賴于所選擇的參照系，這樣看來，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的區(qū)別，也只有相對(duì)意義了。具體地說：給定一試驗(yàn)電荷，在不同的參照系上，測(cè)定該試驗(yàn)電荷的受力情況從而辨認(rèn)其周圍空間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，所得描述結(jié)果是不同的。不同參照系間電場(chǎng)和磁場(chǎng)滿足羅侖茲變換─相對(duì)論性關(guān)系。電場(chǎng)和磁場(chǎng)都由電荷產(chǎn)生，也都由電荷的受力情況相對(duì)論的建立將告訴我們，電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力是同一種性質(zhì)的力。因此，電和磁并不是相互獨(dú)立的現(xiàn)象，必須將它們作為一個(gè)完整的場(chǎng)─電磁場(chǎng)而結(jié)合在一起認(rèn)識(shí)。相對(duì)論的建立將告訴我們，電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力是同一15.2磁通量磁場(chǎng)中的高斯定理1.磁感應(yīng)線用磁感應(yīng)線描述磁場(chǎng)的方法是：在磁場(chǎng)中畫一簇曲線，曲線上每一點(diǎn)的切線方向與該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向一致，這一簇曲線稱為磁感應(yīng)線。①方向：曲線上一點(diǎn)的切線方向和該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向一致。②大?。捍鸥袘?yīng)線的疏密反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。15.2磁通量磁場(chǎng)中的高斯定理1.磁感應(yīng)線通過無(wú)限小面元dS的磁感應(yīng)線數(shù)目d

m與dS的比值稱為磁感應(yīng)線密度。我們規(guī)定磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的值等于該點(diǎn)的磁感應(yīng)線密度。③性質(zhì)：磁感應(yīng)線是無(wú)頭無(wú)尾的閉合曲線，磁場(chǎng)中任意兩條磁感應(yīng)線不相交。磁感應(yīng)線與電流線鉸鏈又稱磁通密度(magneticfluxdensity)通過無(wú)限小面元dS的磁感應(yīng)線數(shù)目dm與d直線電流的磁感應(yīng)線II直線電流的磁感應(yīng)線IIBI圓電流的磁感應(yīng)線BI圓電流的磁感應(yīng)線通電螺線管的磁感應(yīng)線I通電螺線管的磁感應(yīng)線I中子星的磁感應(yīng)線中子星的磁感應(yīng)線2.磁通量（magneticflux）通過磁場(chǎng)中任一面積的磁感應(yīng)線數(shù)稱為通過該面的磁通量，用

m

表示。①均勻磁場(chǎng)，磁感應(yīng)線垂直通過S②均勻磁場(chǎng)，S法線方向與磁場(chǎng)方向成

角2.磁通量（magneticflux）通過磁場(chǎng)③磁場(chǎng)不均勻，S為任意曲面④S為任意閉合曲面規(guī)定：dS正方向?yàn)榍嫔嫌蓛?nèi)向外的法線方向。磁感應(yīng)線穿入，為負(fù)；穿出，為正。則③磁場(chǎng)不均勻，S為任意曲面④S為任意閉合曲面規(guī)定：dS正大學(xué)物理《電磁學(xué)》PPT課件3.磁場(chǎng)中的高斯定理─穿過任意閉合曲面的磁通量為零