4-1稳恒磁场解读

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 稳恒磁场,主要内容：,1 磁的基本现象和基本规律,2 载流回路的磁场,3 磁场中的高斯定理与安培环路定理,4 磁场对载流导线的作用,5 带电粒子在磁场中的运动,人类最早认识到的磁现象：,磁极：,N,、,S,极，地磁；,同号磁极互相排斥，异号磁极互相吸引；,类比法 “磁荷” 模型，,磁的库仑定理；,目前仍然不能在实验中确认磁单极子存在。,1 基本磁现象和基本规律,奥斯特实验及其意义：,19世纪20年代前，磁和电是独立发展的,奥斯特,丹麦物理学家,Hans Christian Oersted,深受康德哲学关于“自然力”统一观点的影响，试图找出电、磁之间的关系,奥斯特实验,1820,年,7,月,磁针在导线的下面平行放置,A-B,的电流，从上往下看，磁针逆时针偏转,B-A,的电流，从上往下看，磁针顺时针偏转,奥斯特实验表明,长直载流导线使与之平行放置的磁针受力偏转电流的磁效应,磁针是在水平面内偏转的,横向力,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,意义,揭示了电现象与磁现象的联系,宣告电磁学作为一个统一学科诞生,历史性的突破,此后迎来了电磁学蓬勃发展的高潮,相关思考：,奥斯特实验表明：,电流可以对磁铁施加作用力,问题：,磁铁是否也会给电流施加作用力？,答案：ampere,磁铁对电流的作用,Ampere,通电导线受马蹄形磁铁作用而运动,9.18 Ampere圆电流对磁针作用,9.25 Ampere平行电流对磁针作用,9.25 Arago 钢片被电流磁化,电流与电流之间的相互作用力,Ampere,螺线管与磁铁相互作用时显示出N极和S极,确定载流螺线管极性,实验表明载流螺线管相当于磁棒，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,毕奥萨筏尔的研究,寻找电流元对磁极作用力的定量规律,认为电流对磁极的作用力是自然界的基本力,受Oester横向力的影响，认为每一个电流元对磁极的作用力也垂直于导线与磁极构成的平面,困难是无孤立的电流元,关键是找到几何关系,把电流分割成许多电流元,还和几何因素如,有关,即解决了电流产生磁场的规律（见下节）,安培的研究,几乎在同样的背景下，安培提出的问题更深入，显示出大师的风范,安培认为：,磁现象的本质是电流,物质的磁性来源于“分子”电流,这是安培根据实验的种种表现作出的重要的抽象,“,分子”电流假说,所谓“分子”，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,每个分子都有电流环绕着，当分子排列整齐时，它们的电流合起来就可以满足磁棒的磁性所需要的电流,磁化可视为使物质中的分子电流排列整齐显示出总体效果,以“分子电流”取代磁荷,能解释磁棒与载流螺线管的等效性,可将种种磁相互作用归结为电流之间的相互作用,提出寻找任意,两个电流元,之间作用力的定量规律即可解决磁相互作用的问题,困难,同样是无孤立的电流元,两电流元及两者连线三者不共面,涉及的几何因素更多，难度增大,安培精心设计了四个示零实验来解决这些困难,无定向秤：,在均匀磁场中（地磁场）不受力和力矩，可以随遇平衡；但对于非均匀磁场将会作出反应。,实验一：,用对折导线，在其中通以大小相等、方向相反的电流,把它移近无定向秤附近的不同部位，观察无定向秤的反应,结果：无定向称不动,说明：当电流反向时，它产生的作用力也反向,数学表达：,实验二：,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,说明电流元具有矢量性,表为,实验三：,装置如图,只允许圆弧形导体沿其切线方,向运动而不允许圆弧形导体沿,着与其垂直的方向运动,结果：圆弧导体不动,说明：作用在电流元上的力是与它垂直的,横向力,实验四,圆线圈A、B、C线度之比为1/n：1：n，A与B的距离以及线圈B与C的距离比为1：n， A,与,C,固定，并串联，其中电流相同，线圈,B,可以活动，通以另一电流,结果：B不动,结论：,所有几何线度增加同一倍数时，作用力的大小不变,安培给出的公式,根据安培的假设：两个电流元之间的相互作用沿它们的联线，相当于承认,假设的目的是,期望,电流元之间相互作用力满足牛顿第三定律，由此推出的公式,内含各项都是标量,两者方向相反,P107,（2.14),实际,没有孤立的电流元，两个孤立电流元不一定满足牛顿第三定律，横向力，并不一定沿连线，此条件应该,去掉,安培定律,经过后人对安培的公式修正、加工，得到现在的安培定律形式,1、设dF,12,为电流元1给电流元2的力， dF,12,的大小满足下式,把载流回路分割为电流元,2、dF,12,的大小还与两电流元的取向有关,共面的情形,普遍的情形：dl,2,不在dl,1,和r,12,组成的平面,内,综合起来,被,Maxwell,誉为“科学中最光辉的成就之一”,Ampere,本人则被誉为“电学中的,Newton,”,考虑方向：,dF,12,的方向在,dl,1,和,r,12,组成的,平面内，并与,dl,2,垂直，即：,电流强度单位安培的定义和绝对测量,安培定律公式中，取,力的单位为,牛顿,，长度单位为,米,，这样确定下来的电流强度的单位为,安培,以平行电流元为例：,令,I,1,=I,2,=I,，则有：,如果当,r,12,2,/dl,1,dl,2,=C(C1),时，若测得的相互作用力,F,12,=10,-7,/C,，则每根导线中的电流强度,I,定义为,1,安培。,磁感应强度,B,电场,E,定量描述电场分布,磁场,B,定量描述磁场分布,引入试探电流元,闭合回路,L,1,上的电流元,与试探电流元无关，从中扣除试探电流元,说明,I,2,dl,2,在,B,中的受力取决于,dl,2,B,的方向,B,的场源可以是任何产生磁场的场源如磁铁,单位：,N/Am；也用特斯拉（T）表示,1T=1 N/Am=10,4,Gs (高斯,),B,的,叠加原理,磁场同样遵从矢量叠加原理,任何一个闭合回路产生的磁场,，可看成回路上各个电流元产生的元磁场强度的矢量和,