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第十五章穩(wěn)恒磁場第1頁15-1磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度一、磁基本現(xiàn)象

我國是世界上最早發(fā)覺和應(yīng)用磁現(xiàn)象國家之一，早在公元前300百年就發(fā)覺磁鐵吸引鐵現(xiàn)象。在十一世紀(jì)我國已制造出指南針（司南）(compass)。《山海經(jīng)》中有“山中有磁石者，必有赤金?！薄端?jīng)注》記載，秦始皇阿房宮有“北闕門”用磁石做成，以防刺客。1．磁現(xiàn)象早期結(jié)識第2頁（1）同號磁極有互相排斥力，異號磁極有互相吸引力（磁鐵間互相作用力稱為磁力）（2）磁鐵分割成小段，小段仍有兩極（磁荷假說）（3）鐵棒能夠被磁化人們最早結(jié)識磁現(xiàn)象是從天然磁鐵開（稱天然磁鐵為永恒磁鐵）。對其基本現(xiàn)象結(jié)識歸納如下：磁鐵間互相作用SNSN第3頁二、磁力、磁性起源

在1823年此前，人們對磁現(xiàn)象研究僅限于磁極（magniticpole）磁極間互相作用。而把磁與電分割開來，看作彼此無關(guān)。

奧斯特（HansChristanOersted，1777-1851）

丹麥物理學(xué)家，發(fā)覺了電流對磁針作用，從而造成了19世紀(jì)中葉電磁理論統(tǒng)一和發(fā)展。

丹麥物理學(xué)家奧斯特─一位康德哲學(xué)思想信奉者，就堅(jiān)信：客觀世界多種力具有統(tǒng)一性。并開始對電與磁統(tǒng)一性進(jìn)行研究。第4頁科學(xué)真正突破，就在于打破思維定勢束縛，創(chuàng)建新科學(xué)概念。1823年4月某天晚上，奧斯特在講課過程中突然來了靈感，就在將近下學(xué)時(shí)，奧斯特說，讓我把導(dǎo)線與磁針平行放置來試試看于是他毫不躊躇地在大庭廣眾面前接上了電源。第5頁他發(fā)覺：閉合電鍵瞬刻，通電導(dǎo)線附近磁針微微跳動了一下！這個(gè)奧斯特日夜盼望現(xiàn)象對停課人毫無影響！但奧斯特卻激動無比，他立即中斷講座回到試驗(yàn)室，苦苦進(jìn)行了三個(gè)月連續(xù)試驗(yàn)研究，終于在1823年7月21日刊登了題為《有關(guān)磁針上電流碰撞試驗(yàn)》論文。這篇僅用4頁紙寫成極其簡潔試驗(yàn)報(bào)告，向科學(xué)界宣布了電流磁效應(yīng)，轟動整個(gè)歐洲。這一天作為劃時(shí)代日子載入史冊?！峨姶艑W(xué)》就此誕生！第6頁奧斯特發(fā)覺立即引發(fā)法國數(shù)學(xué)家物理學(xué)家安培（A.M.Ampere）注意安培假如電流激發(fā)磁場能作用于磁性物質(zhì)，那么它也應(yīng)能作用于電流！他想法是：他在短短幾個(gè)星期內(nèi)對電流磁效應(yīng)作了系列研究。發(fā)覺不但電流對磁針有作用，并且兩個(gè)電流之間彼此也有作用。安培提出分子電流(molecularcurrent)假設(shè)。第7頁安培演示電流互相作用裝置（復(fù)制品）第8頁電流與電流之間互相作用II第9頁電流與電流之間互相作用IIFF第10頁+磁場對運(yùn)動電荷作用電子束第11頁S+磁場對運(yùn)動電荷作用N電子束第12頁II思想深邃科學(xué)家自問：磁鐵究竟是什么？假如磁場是由電荷運(yùn)動激發(fā)，那么來自一塊磁鐵磁場是否也也許是由于電流效果呢？我們得把問題引向一種更深層次安培用通電螺線管較好地模擬了一種磁針：第13頁從這個(gè)試驗(yàn)看來，一塊磁鐵，猶如一種永恒環(huán)形電流。第14頁第15頁安培還注意到，地球也猶如一種大磁鐵，它南北極指向就猶如地球上有自東向西繞行電流。第16頁安培分子環(huán)流假說天然磁性產(chǎn)生也是由于磁體內(nèi)部有電流流動。分子電流電荷運(yùn)動是一切磁現(xiàn)象本源。等效環(huán)形電流第17頁解釋磁現(xiàn)象：（1）.天然磁鐵磁性（分子流）（2）.磁化現(xiàn)象（分子磁矩轉(zhuǎn)向）人們結(jié)識到磁性本源：電荷運(yùn)動。第18頁當(dāng)代物理已經(jīng)充足把握，原子核外電子繞核高速運(yùn)動，同步電子尚有自旋運(yùn)動。核外電子這些運(yùn)動整體上體現(xiàn)為分子環(huán)流，這便是物質(zhì)磁性基本起源。不過，安培分子環(huán)流說至今還只能是一種假說。有三個(gè)疑點(diǎn)到目前尚未查明：①磁單極子（magneticmonopole）所謂磁單極子，就是只有N極或只有S極最小磁性物質(zhì)單元。第19頁從安培假說能夠解釋為何不存在磁單極子(單獨(dú)N極或S

極)，這正是分子環(huán)流成果。不過，量子力學(xué)創(chuàng)始人之一狄拉克從相對論性量子理論出發(fā)，預(yù)言磁單極子是應(yīng)當(dāng)存在，并且由此能夠解釋電荷量子化。第20頁這種電荷與磁荷內(nèi)在聯(lián)系，從對稱性角度看來是十分誘人。近年來，許多科學(xué)家都在致力于對磁單極子摸索。不過這種摸索將是十分困難，據(jù)“大統(tǒng)一”理論，磁單極子應(yīng)當(dāng)在宇宙演化極早期（～10-35s）超高能狀態(tài)（～1023eV、～1027K）下產(chǎn)生，伴隨宇宙膨脹、溫度減少而急劇相變，至今若尚有殘余話，也是極為稀少了。美國斯坦福大學(xué)一種研究小組在試驗(yàn)室中安頓了一種超導(dǎo)鈮線圈，守株待兔似企圖捕捉宇宙射線中也許存在磁單極子從中穿過。1982年一天，該小組突然宣布，他們統(tǒng)計(jì)到一種事件，經(jīng)測定與狄拉克預(yù)言磁單極子穿過該線圈將會引發(fā)磁通量跳變完全吻合，因而找到了一種磁單極子存在證據(jù)！第21頁這天正是西方情人節(jié)斯坦福大學(xué)這個(gè)探測成果只是一種不能重現(xiàn)孤立事件，在沒有其他試驗(yàn)室認(rèn)同情況下，是不能作為對磁單極子認(rèn)定結(jié)論。合法全世界都在為人們成雙成對慶祝時(shí)候，物理學(xué)家卻為他們找到了孤單磁單極子而歡呼雀躍！一位專欄作家風(fēng)趣地評論道：第22頁所有磁現(xiàn)象可歸結(jié)為運(yùn)動電荷AA磁場B磁場產(chǎn)生作于用產(chǎn)生作于用運(yùn)動電荷

B+第23頁將一試驗(yàn)電荷射入磁場，運(yùn)動電荷在磁場中會受到磁力作用。對比靜電場場強(qiáng)定義①θ＝0時(shí)Fm=0，1.磁感應(yīng)強(qiáng)度定義：試驗(yàn)表白

q0時(shí)Fm達(dá)成最大值②三、磁感應(yīng)強(qiáng)度(MagneticInduction)第24頁定義SI單位：T（特斯拉）工程單位常用高斯（G）磁感應(yīng)強(qiáng)度是反應(yīng)磁場性質(zhì)物理量，與引入到磁場運(yùn)動電荷無關(guān)。將Fm=0時(shí)速度方向定義為方向

q0第25頁寫成矢量式─羅侖茲力運(yùn)動電荷受到磁場力為第26頁解：一般物理學(xué)教案例題1：一電子在磁場中運(yùn)動，以速率v通過A點(diǎn)求磁感應(yīng)強(qiáng)度當(dāng)時(shí)，測得若，一種分力由由于第27頁資料原子核表面～1012T中子星表面～106T目前最強(qiáng)人工磁場～7×104T太陽黑子內(nèi)部～0.3T太陽表面～10-2T地球表面～5×10-5T人體～3×10-10T第28頁2.電場與磁場相對性靜止電荷激發(fā)靜電場運(yùn)動電荷激發(fā)電場磁場靜電場對電荷q作用力與它運(yùn)動速度無關(guān)。靜止電荷對運(yùn)動電荷作用仍滿足庫侖定律。不因運(yùn)動而不一樣。試驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。如在示波管中兩個(gè)靜止平行帶電平板間形成靜電場，對通過板間電子束偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)測量表白，作用在電子上力確實(shí)與電子速度無關(guān)。都用來計(jì)算。第29頁電場和磁場都由電荷產(chǎn)生，也都由電荷受力情況來檢查。那么，這兩種場之間究竟有什么本質(zhì)區(qū)分呢？眾所周知，電荷靜止與運(yùn)動都是相對觀測者而言，我們對運(yùn)動與靜止描述依賴于所選擇參照系，這樣看來，電場和磁場區(qū)分，也只有相對意義了。詳細(xì)地說：給定一試驗(yàn)電荷，在不一樣參照系上，測定該試驗(yàn)電荷受力情況從而識別其周圍空間電場和磁場，所得描述成果是不一樣。不一樣參照系間電場和磁場滿足羅侖茲變換─相對論性關(guān)系。第30頁相對論建立將告訴我們，電場力和磁場力是同一種性質(zhì)力。因此，電和磁并不是互相獨(dú)立現(xiàn)象，必須將它們作為一種完整場─電磁場而結(jié)合在一起結(jié)識。第31頁15.2磁通量磁場中高斯定理1.磁感應(yīng)線用磁感應(yīng)線描述磁場辦法是：在磁場中畫一簇曲線，曲線上每一點(diǎn)切線方向與該點(diǎn)磁場方向一致，這一簇曲線稱為磁感應(yīng)線。①方向：曲線上一點(diǎn)切線方向和該點(diǎn)磁場方向一致。②大小：磁感應(yīng)線疏密反應(yīng)磁場強(qiáng)弱。第32頁通過無限小面元dS磁感應(yīng)線數(shù)目d

m與dS比值稱為磁感應(yīng)線密度。我們要求磁場中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度值等于該點(diǎn)磁感應(yīng)線密度。③性質(zhì)：磁感應(yīng)線是無頭無尾閉合曲線，磁場中任意兩條磁感應(yīng)線不相交。磁感應(yīng)線與電流線鉸鏈又稱磁通密度(magneticfluxdensity)第33頁直線電流磁感應(yīng)線II第34頁BI圓電流磁感應(yīng)線第35頁通電螺線管磁感應(yīng)線I第36頁中子星磁感應(yīng)線第37頁2.磁通量（magneticflux）通過磁場中任一面積磁感應(yīng)線數(shù)稱為通過該面磁通量，用

m

表達(dá)。①均勻磁場，磁感應(yīng)線垂直通過S②均勻磁場，S法線方向與磁場方向成

角第38頁③磁場不均勻，S為任意曲面④S為任意閉合曲面要求：dS正方向?yàn)榍嫔嫌蓛?nèi)向外法線方向。磁感應(yīng)線穿入，為負(fù)；穿出，為正。則