電磁-22.1第二章恒磁場(chǎng)

第二章恒磁場(chǎng)

奧斯特實(shí)驗(yàn)安培定律畢奧－薩筏爾定律安培環(huán)路定理磁場(chǎng)“高斯定理”磁矢勢(shì)磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)線的作用帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)奧斯特實(shí)驗(yàn)及其意義相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究課題

奧斯特實(shí)驗(yàn)2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)奧斯特實(shí)驗(yàn)及其意義19世紀(jì)20年代前，磁和電是獨(dú)立發(fā)展的奧斯特,丹麥物理學(xué)家

HansChristianOersted深受康德哲學(xué)關(guān)于“自然力”統(tǒng)一觀點(diǎn)的影響，試圖找出電、磁之間的關(guān)系2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)奧斯特實(shí)驗(yàn)1820年7月看演示實(shí)驗(yàn)2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)奧斯特實(shí)驗(yàn)表明長(zhǎng)直載流導(dǎo)線與之平行放置的磁針受力偏轉(zhuǎn)——電流的磁效應(yīng)磁針是在水平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)的

——橫向力突破了非接觸物體之間只存在有心力的觀念——拓寬了作用力的類(lèi)型2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)意義揭示了電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的聯(lián)系宣告電磁學(xué)作為一個(gè)統(tǒng)一學(xué)科誕生歷史性的突破此后迎來(lái)了電磁學(xué)蓬勃發(fā)展的高潮2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)評(píng)價(jià)

Ampere寫(xiě)道：“Oerster先生……已經(jīng)永遠(yuǎn)把他的名字和一個(gè)新紀(jì)元聯(lián)系在一起了”．Faraday評(píng)論說(shuō)：“它突然打開(kāi)了科學(xué)中一個(gè)一直是黑暗的領(lǐng)域的大門(mén)，使其充滿(mǎn)光明”．2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)相關(guān)實(shí)驗(yàn)9.18Ampere圓電流對(duì)磁針作用9.25Ampere平行電流對(duì)磁針作用9.25Arago鋼片被電流磁化2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)磁鐵對(duì)電流的作用Ampere通電導(dǎo)線受馬蹄形磁鐵作用而運(yùn)動(dòng)2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)Ampere螺線管與磁鐵相互作用時(shí)顯示出N極和S極2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)確定載流螺線管極性

實(shí)驗(yàn)表明載流螺線管相當(dāng)于磁棒，螺線管的極性與電流成右手螺旋關(guān)系2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)一系列實(shí)驗(yàn)表明

磁鐵————磁鐵

電流————電流

都存在相互作用2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)愛(ài)因斯坦指出：“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問(wèn)題也許僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技能而已，而提出新的問(wèn)題，新的可能性，從新的角度去看舊的問(wèn)題，卻需要有創(chuàng)造性的想像力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步?！?023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)研究課題畢奧－薩筏爾的研究課題安培的研究課題電流產(chǎn)生磁的逆效應(yīng)電、磁相互作用的傳遞問(wèn)題2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)畢奧－薩筏爾的研究課題尋找電流元對(duì)磁極作用力的定量規(guī)律認(rèn)為電流對(duì)磁極的作用力是自然界的基本力受Oester橫向力的影響，認(rèn)為每一個(gè)電流元對(duì)磁極的作用力也垂直于導(dǎo)線與磁極構(gòu)成的平面困難是無(wú)孤立的電流元

2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)關(guān)鍵是找到幾何關(guān)系把電流分割成許多電流元還和幾何因素如有關(guān)即解決了電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的規(guī)律（見(jiàn)下節(jié)）2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)安培的研究課題幾乎在同樣的背景下，安培提出的問(wèn)題更深入，顯示出大師的風(fēng)范安培認(rèn)為：磁現(xiàn)象的本質(zhì)是電流物質(zhì)的磁性來(lái)源于“分子”電流這是安培根據(jù)實(shí)驗(yàn)的種種表現(xiàn)作出的重要的抽象2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)“分子”電流所謂“分子”，是指構(gòu)成物質(zhì)的基元，當(dāng)時(shí)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和分子、原子的認(rèn)識(shí)還很膚淺

每個(gè)分子都有電流環(huán)繞著，當(dāng)分子排列整齊時(shí)，它們的電流合起來(lái)就可以滿(mǎn)足磁棒的磁性所需要的電流

磁化可視為使物質(zhì)中的分子電流排列整齊顯示出總體效果2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)以“分子電流”取代磁荷

——能解釋磁棒與載流螺線管的等效性可將種種磁相互作用歸結(jié)為電流之間的相互作用提出尋找任意兩個(gè)電流元之間作用力的定量規(guī)律——即可解決磁相互作用的問(wèn)題2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)困難同樣是無(wú)孤立的電流元兩電流元及兩者連線三者不共面涉及的幾何因素更多，難度增大安培精心設(shè)計(jì)了四個(gè)示零實(shí)驗(yàn)來(lái)解決這些困難2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)無(wú)定向秤實(shí)驗(yàn)一：用對(duì)折導(dǎo)線，在其中通以大小相等、方向相反的電流．把它移近無(wú)定向秤附近的不同部位，觀察無(wú)定向秤的反應(yīng)結(jié)果：無(wú)定向稱(chēng)不動(dòng)說(shuō)明：當(dāng)電流反向時(shí)，它產(chǎn)生的作用力也反向數(shù)學(xué)表達(dá)：2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)二：用載流曲折線對(duì)無(wú)定向秤作用，結(jié)果與載流直導(dǎo)線的作用一樣說(shuō)明電流元具有矢量性,表為

實(shí)驗(yàn)三：裝置如圖只允許圓弧形導(dǎo)體沿其切線方向運(yùn)動(dòng)而不允許圓弧形導(dǎo)體沿著與其垂直的方向運(yùn)動(dòng)結(jié)果：圓弧導(dǎo)體不動(dòng)說(shuō)明：作用在電流元上的力是與它垂直的——橫向力

2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)四

圓線圈A、B、、C線度之比為1/n：1：n，A與B的距離以及線圈B與C的距離比為1：n，A與C固定，并串聯(lián)，其中電流相同，線圈B可以活動(dòng)，通以另一電流結(jié)果：B不動(dòng)結(jié)論：所有幾何線度增加同一倍數(shù)時(shí)，作用力的大小不變2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)安培給出的公式根據(jù)安培的假設(shè)：兩個(gè)電流元之間的相互作用沿它們的聯(lián)線，相當(dāng)于承認(rèn)假設(shè)的目的是期望電流元之間相互作用力滿(mǎn)足牛頓第三定律，由此推出的公式內(nèi)含各項(xiàng)都是標(biāo)量?jī)烧叻较蛳喾碢90（2.14)實(shí)際沒(méi)有孤立的電流元，兩個(gè)孤立電流元不一定滿(mǎn)足牛頓第三定律，橫向力，并不一定沿連線，此條件應(yīng)該去掉2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)安培定律

經(jīng)過(guò)后人對(duì)安培的公式修正、加工，得到現(xiàn)在的安培定律形式被Maxwell譽(yù)為“科學(xué)中最光輝的成就之一”．Ampere本人則被譽(yù)為“電學(xué)中的Newton”．2023/1/4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編寫(xiě)啟示

安培從錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)象與聯(lián)系中，提煉出磁現(xiàn)象的本質(zhì)

——獨(dú)具慧眼；提出尋找電流、電流之間的相互作用的定量規(guī)律問(wèn)題——問(wèn)題的深度、廣度和重要性高于其他同代人提出的問(wèn)題，顯示出大師風(fēng)范，也反映了正確抽象、洞察本質(zhì)的重要性；

在解決問(wèn)題上，面對(duì)難以測(cè)量的困難，巧妙地設(shè)計(jì)示零實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)與理論猜測(cè)相結(jié)合，揭示出電