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1、第二章第二章恒磁场恒磁场n 磁的基本现象与基本规律磁的基本现象与基本规律n 毕奥萨筏尔定律毕奥萨筏尔定律 磁感应强度磁感应强度n 安培环路定理安培环路定理n 磁场磁场“高斯定理高斯定理” 磁矢势磁矢势n 磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用n 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动一 磁的库仑定律二 电流的磁效应三 安培定律四 电流的单位1 磁的基本现象与基本规律磁的基本现象与基本规律一. 磁的库仑定律n条形磁铁的两端称为磁极(图2-2)n指北的一端称为北极(N);指南的一端称为南极(S)n地球本身是个大磁铁,其N极为地理南极,S极为地理北极n同号磁极相互排斥;异号磁极相互吸引(图2
2、-4)把电荷之间的相互作用与磁极之间的相互作用类比n磁的库仑定律 n磁场强度 H n磁的环路定理n磁标势 n磁偶极子的磁标势n例题1(p100)磁标势法只适用于没有电流环链的区域磁单极子不存在二. 电流的磁效应n1919世纪世纪2020年代前，磁和年代前，磁和电是独立发展的电是独立发展的n奥斯特奥斯特, ,丹麦物理学家丹麦物理学家 Hans Christian Hans Christian OerstedOersted深受康德哲学关深受康德哲学关于于“自然力自然力”统一观点统一观点的影响，试图找出电、的影响，试图找出电、磁之间的关系磁之间的关系 奥斯特实验1820年7月导线南北放置,其下有一可
3、在水平面内自由转动的磁针奥斯特实验表明n长直导线通电后长直导线通电后, ,与之平行放置的磁针受与之平行放置的磁针受力偏转力偏转, ,说明电流可以对磁铁施加作用力说明电流可以对磁铁施加作用力 电流的磁效应电流的磁效应n磁针是在水平面内偏转的磁针是在水平面内偏转的 横向力横向力意义意义n揭示了电现象与磁现象的联系揭示了电现象与磁现象的联系n宣告电磁学作为一个统一学科诞生宣告电磁学作为一个统一学科诞生n历史性的突破历史性的突破, ,此后迎来了电磁学蓬勃发展的此后迎来了电磁学蓬勃发展的高潮高潮n突破了非接触物体之间只存在有心力的观念突破了非接触物体之间只存在有心力的观念拓宽了作用力的类型拓宽了作用力的
4、类型评价评价AmpereAmpere写写道道：“OersterOerster先先生生已已经经永永远远把把他他的的名名字字和和一一个个新新纪纪元元联联系系在在一一起了起了”FaradayFaraday评评论论说说：“它它突突然然打打开开了了科科学学中中一一个个一一直直是是黑黑暗暗的的领领域域的的大大门门，使使其其充满光明充满光明”磁铁对电流的作用通电导线受马蹄形磁铁作用而运动相关实验相关实验相关实验相关实验相关实验相关实验电流方向相同时,相互吸引;电流方向相反时,相互排斥;电流之间有相互作用载流线圈的行为螺线管与磁铁相互作用时显示出N极和S极相关实验相关实验确定载流螺线管极性 实验表明载流螺线管
5、相当于磁棒，螺线管的极性与电流成右手螺旋关系一系列实验表明 磁铁 磁铁 电流 电流都存在相互作用这些相互作用是通过磁场来传递的爱因斯坦指出爱因斯坦指出n n“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上或实验因为解决一个问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已，而上的技能而已，而提出新的问题提出新的问题，新的可能性，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想像力，而且想像力，而且标志着科学的真正进步标志着科学的真正进步。”安培的问题安培的问题n安培提出安培提出”磁铁和电流在本源
6、上是否是磁铁和电流在本源上是否是一致的一致的?”n安培认为：安培认为：q磁现象的本质是电流磁现象的本质是电流q物质的磁性来源于物质的磁性来源于“分子分子”电流电流“分子分子”电流电流n所谓所谓“分子分子”，是指构成物质的基元，当时，是指构成物质的基元，当时对物质结构和分子、原子的认识还很肤浅对物质结构和分子、原子的认识还很肤浅 n每个分子都有电流环绕着，当分子排列整齐每个分子都有电流环绕着，当分子排列整齐时，在宏观上就显示出时，在宏观上就显示出N N和和S S极极 n磁化可视为使物质中的分子电流取向一致磁化可视为使物质中的分子电流取向一致n以以“分子电流分子电流”取代磁荷取代磁荷 能解释磁棒与
7、载流螺线管的等效能解释磁棒与载流螺线管的等效性性n可将种种磁相互作用归结为电流之间的相互可将种种磁相互作用归结为电流之间的相互作用作用 电流电流 磁场磁场 电流电流n无论电荷静止还是运动无论电荷静止还是运动, ,它们之间都存在库它们之间都存在库仑相互作用仑相互作用, ,但是只有运动电荷之间才存在但是只有运动电荷之间才存在着磁相互作用着磁相互作用n提出寻找任意两个电流元之间作用力的定量提出寻找任意两个电流元之间作用力的定量规律规律即可解决磁相互作用的问题即可解决磁相互作用的问题困难困难n无孤立的电流元n两电流元及两者连线三者不共面n涉及的几何因素更多，难度增大n安培精心设计了四个示零实验来解决这
8、些困难 这些实验设计思想十分精巧,堪称物理学史上不朽的杰作n无定向秤无定向秤n实验一：实验一：q用用对折导线对折导线，在其中通以大小相，在其中通以大小相等、方向相反的电流等、方向相反的电流q把它移近无定向秤附近的不同部把它移近无定向秤附近的不同部位，观察无定向秤的反应位，观察无定向秤的反应q结果：无定向称不动结果：无定向称不动q说明：当电流反向时，它产生的说明：当电流反向时，它产生的作用力也反向作用力也反向 n实验二：实验二：q用载流曲折线对无定向秤作用，结果与载用载流曲折线对无定向秤作用，结果与载流直导线的作用一样流直导线的作用一样q说明电流元具有矢量性说明电流元具有矢量性, ,表为表为 n
9、实验三：实验三：n装置如图装置如图n只只允允许许圆圆弧弧形形导导体体沿沿其其切切线线方方向运动而不允许圆弧形导体沿向运动而不允许圆弧形导体沿着与其垂直的方向运动着与其垂直的方向运动n结果：圆弧导体不动结果：圆弧导体不动n说说明明：作作用用在在电电流流元元上上的的力力是与它垂直的是与它垂直的横向力横向力n实验四实验四q圆圆线线圈圈A、B、C线线度度之之比比为为1/n：1：n，A与与B的的距距离离以以及及线线圈圈B与与C的的距距离离比比为为1：n，A与与C固固定定，并并串串联联，其其中中电电流流相相同同，线线圈圈B可可以以活动，通以另一电流活动，通以另一电流q结果：结果：B B不动不动q结结论论：
10、所所有有几几何何线线度度增增加加同同一一倍倍数数时时，作作用用力力的的大大小小不不变变故故三三. . 安培定律安培定律 dFdF1212的方向在的方向在dldl1 1和和r r1212组成的平面内组成的平面内, ,并与并与dldl2 2垂直垂直n安培定律形式安培定律形式 n被被Maxwell誉为誉为“科学中最光辉的成就之一科学中最光辉的成就之一”nAmpere本人则被誉为本人则被誉为“电学中的电学中的Newton”同理同理例题例题2：平行电流元之相互作用。平行电流元之相互作用。例题例题3：垂直电流元之相互作用。垂直电流元之相互作用。1.两电流元之相互作用不满足牛顿第三运动定律；两电流元之相互作
11、用不满足牛顿第三运动定律；2.两闭合回路积分后得到的合作用力仍满足牛顿第三运动两闭合回路积分后得到的合作用力仍满足牛顿第三运动定律。定律。垂直电流元垂直电流元平行电流元平行电流元启示启示 n安安培培从从错错综综复复杂杂的的现现象象与与联联系系中中，提提炼炼出出磁磁现现象的本质象的本质独具慧眼；独具慧眼；n提提出出寻寻找找电电流流、电电流流之之间间的的相相互互作作用用的的定定量量规规律律问问题题问问题题的的深深度度、广广度度和和重重要要性性高高于于其其他他同同代代人人提提出出的的问问题题，显显示示出出大大师师风风范范，也也反反映了正确抽象、洞察本质的重要性；映了正确抽象、洞察本质的重要性；n在在
12、解解决决问问题题上上，面面对对难难以以测测量量的的困困难难，巧巧妙妙地地设设计计示示零零实实验验，设设计计与与理理论论猜猜测测相相结结合合，揭揭示示出出电电流流元元相相互互作作用用应应具具有有的的特特点点，采采用用矢矢量量点点乘、叉乘来表示乘、叉乘来表示dl1、dl2、r12之间的关系之间的关系；四. 电流单位: 安培n电流的定义和测量正是以安培定律为依据的n取力的单位为kgm/ss,长度单位为米,比例系数n有了安培作为电流单位,再反过来定义真空磁导率的单位新的问题新的问题n n电流产生磁的逆效应的问题电流产生磁的逆效应的问题qq将导致电磁感应现象的发现将导致电磁感应现象的发现n n电、磁相互作用的传递问题电、磁相互作用的传递问题qq超距作用和近距作用的论争再次激化，超距作用和近距作用的论争再次激化，将导致电磁场理论的建立将导致电磁场理论的建立
