§21磁的基本现象和基本规律.ppt

第二章 恒磁场 §1. 磁的基本现象和基本规律 1.1 磁的库仑定律 中国古代的磁学研究 公元前4世纪左右成书的《管子·地数篇》上面写道“上有慈石者，下有铜金。” 《吕氏春秋.精通》中有“慈石召铁，或引之也。”（高诱的注释：“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子，石之不慈者，亦不能引也。”也就是比喻成慈爱的母亲对子女的吸引。） 我国最早的磁性指南记载是在公元一世纪的《论衡》中。王充写到：“司南之杓，投之于地，其柢指南。” 11世纪北宋的沈括在《梦溪笔谈》中第一次明确地记载了指南针。同时，记载利用天然强磁体摩擦进行人工磁化制作指南针的方法。此外，沈括是世界上最早发现地磁偏角的人。 磁铁的性质 磁极与中性区 各种指南针 磁极间的相互作用 磁的库仑定律 与电偶极子相比，一个小磁针可看成是一个“磁偶极子”，在它的两端各带有正、负“磁荷”（设N极带正磁荷+qm，S极带负磁荷-qm）。库仑用精心设计的实验证明，点磁荷1、2之间也服从类似点电荷之间的库仑定律式： 恒磁场与静电场中各物理概念、规律和公式的比较 例题1 求磁偶极子产生的磁场强度H。 解：取磁偶极矩pm的方向为x轴方向，磁势为 1.2 电流的磁效应 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 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 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 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 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 磁场 归纳以上因素，则有 写成等式有 例题2：求一对平行电流元之间的相互作用力，二者都与联线垂直。（p88） 例题3：求一对垂直电流元之间的相互作用力，其中电流元1沿联线，电流元2垂直于联线。（p88） 1.4 电流单位——安培 “安培”这个基本单位的定义和绝对测量，正是以安培定律为依据的。 式中力的单位为N＝kg·m／s2，长度的单位为m，比例系数k为 通过平行电流间的相互作用说明电流的单位 对于平行电流有 安培秤： 用来测量载流导线受磁场作用力的天平。 的量纲 （式中k与单位的选择有关） （3）dF12的方向在dl1和r12组成的平面Ⅱ内，并与dl2垂直 得矢量式 ——安培定律的表达式 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”． 并取 这样确定下来的单位即为安培，记作A. 令I1=I2=I，则有 如果当 时， 若测得的相互作用力 则每