21奥斯特实验

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,2005.3,*,第二章 恒磁场,奥斯特实验 安培定律,毕奥萨筏尔定律,安培环路定理,磁场“高斯定理”磁矢势,磁场对载流导线的作用,带电粒子在磁场中的运动,1,奥斯特实验及其意义,相关实验,研究课题,奥斯特实验,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,看演示实验,奥斯特实验表明,长直载流导线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,评价,Ampere写道：“Oerster先生已经永远把他的名字和一个新纪元联系在一起了”,Faraday评论说：“它突然打开了科学中一个一直是黑暗的领域的大门，使其充满光明”,相关实验,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,磁铁对电流的作用,Ampere,通电导线受马蹄形磁铁作用而运动,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,爱因斯坦指出：,“,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上的技能而已，而,提出新的问题,，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想像力，而且,标志着科学的真正进步,。”,研究课题,毕奥萨筏尔的研究课题,安培的研究课题,电流产生磁的逆效应,电、磁相互作用的传递问题,毕奥萨筏尔的研究课题,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）,安培的研究课题,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,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,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,P90,（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,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,”,启示,安培从错综复杂的现象与联系中，提炼出磁现象的本质,独具慧眼；,提出寻找电流、电流之间的相互作用的定量规律问题问题的深度、广度和重要性高于其他同代人提出的问题，显示出大师风范，也反映了正确抽象、洞察本质的重要性；,在解决问题上，面对难以测量的困难，巧妙地设计示零实验，设计与理论猜测相结合，揭示出电流元相互作用应具有的特点，采用矢量点乘、叉乘来表示,dl,1,、,dl,2,、,r,12,之间的关系,；,进一步提出的课题,电流产生磁的逆效应的问题,将导致电磁感应现象的发现,电、磁相互作用的传递问题,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,