對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的深入理解

1、對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的深入理解一、磁感應(yīng)強(qiáng)度的幾種定義 磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)的基本物理量，已知一個(gè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布，就可以確定運(yùn)動(dòng)電荷、電流在磁場(chǎng)中受到的作用力。磁感應(yīng)強(qiáng)度B是和靜電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度E相對(duì)應(yīng)的物理量。靜電場(chǎng)對(duì)電荷有作用力，靜電場(chǎng)可以用檢驗(yàn)電荷在電場(chǎng)中各點(diǎn)受到的力來研究， 電場(chǎng)強(qiáng)度E定義為E=F/q。研究磁場(chǎng)也要引進(jìn)一個(gè)檢測(cè)的物體，由于磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷、電流有作用力，對(duì)通電線圈有力矩的作用，所以可以采用這三種物體作為檢測(cè)磁場(chǎng)的物體，采用不同的檢測(cè)物體，也就相應(yīng)地給出了磁感應(yīng)強(qiáng)度B的不同定義。二、下面介紹常見的磁感應(yīng)強(qiáng)度的三種定義方法。(1)用一段通電直導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力來定義通電直導(dǎo)線

2、在磁場(chǎng)中受到力的作用，這種力叫做安培力。實(shí)驗(yàn)表明，如果直導(dǎo)線的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，電流為I，垂直放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，作用在導(dǎo)線上的安培力大小為F=ILB。由此可以定義磁感應(yīng)強(qiáng)度B，即B=F/(IL)。這種定義方法是用一小段通電導(dǎo)線作為檢測(cè)物體，安培力能夠演示，形象直觀，便于學(xué)生接受。中學(xué)教科書多采用這種定義方法，在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室用來測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的電流天平就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。但是這種方法確定的是一小段通電導(dǎo)線所在范圍內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平均值，只有對(duì)勻強(qiáng)磁場(chǎng)，給出的才是各點(diǎn)的B；對(duì)于非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，不能給出各點(diǎn)的B，因此，對(duì)學(xué)生建立磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念有不利之處。 (2)用通電矩形線圈受到的力矩來定義面積為S的小矩

3、形線圈，通以電流I，當(dāng)線圈平面跟磁場(chǎng)平行時(shí)，線圈所受磁場(chǎng)力的力矩為M=BIS，由此可給出B的定義式，即B=M/(IS)。由于線圈等效于一個(gè)小磁針，線圈在磁場(chǎng)中受到的作用力相當(dāng)于小磁針受到的作用力。所以用線圈作為檢測(cè)物體來研究磁場(chǎng)，與歷史上對(duì)磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)過程比較一致，某些普通物理教科書中有采用這種定義方法的，但是由于線圈總有一定的大小，所確定的也是線圈范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平均值，不能嚴(yán)格地確定磁場(chǎng)中各個(gè)點(diǎn)的B。 (3)用運(yùn)動(dòng)電荷受到的磁場(chǎng)力來定義實(shí)驗(yàn)表明，運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中要受到力的作用，這個(gè)力叫做洛倫茲力。運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中某點(diǎn)所受磁場(chǎng)力的大小跟電荷量q、運(yùn)動(dòng)速度v以及該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)系，還

4、跟運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向間的夾角有關(guān)系，當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)的方向垂直于磁場(chǎng)時(shí)所受的磁場(chǎng)力最大，且F=qvB，由此可給出磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義式，即B=F/(vq)。 電磁學(xué)是研究電磁場(chǎng)與電荷間相互作用及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的，電磁場(chǎng)對(duì)電荷有作用力，通過電場(chǎng)對(duì)電荷的作用力引入了電場(chǎng)強(qiáng)度E，與此對(duì)應(yīng)，通過磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力來引入磁感應(yīng)強(qiáng)度B。從理論上講，這種定義B的方法也比較本質(zhì)、嚴(yán)謹(jǐn)，所以許多教科書中采 用這種定義方法，但這種定義方法比較抽象，要求學(xué)習(xí)者有較高的抽象思維能力和推理能力。磁感應(yīng)強(qiáng)度還有一個(gè)名稱叫做磁通密度，即它在數(shù)值上等于通過與磁場(chǎng)方向垂直的單位面積的磁通量大小，反映了該處磁感線的疏密情況。這種定義方法可

5、以把描述磁場(chǎng)的兩種方法磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感線有機(jī)地結(jié)合起來，便于學(xué)生理解。三、磁場(chǎng)知識(shí)的拓展磁的應(yīng)用非常廣泛，隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，和磁有關(guān)的霍爾元件得到廣泛應(yīng)用，我們下面主要介紹霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用。 霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)也是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠

6、判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓。根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測(cè)量出磁場(chǎng)，就可確定導(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。如果把霍爾元件