大學物理學（少課時）第2版 課件 9.1-9.2 電流的磁場

第九章電流的磁場

§9-1基本磁現(xiàn)象

§9-2磁場磁感應強度

§9-3畢奧-薩伐爾定律

§9-4穩(wěn)恒磁場的高斯定理與安培環(huán)路定理

§9-5磁場對載流導線和載流線圈的作用

§9-6磁介質對磁場的影響

§9-7鐵磁質

第一節(jié)

基本磁現(xiàn)象一、磁現(xiàn)象二、磁現(xiàn)象的本質生活中磁的應用無處不在一、磁現(xiàn)象1、中國古代在磁現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)和應用方面的貢獻：磁石吸鐵方面的最早記載：《呂氏春秋》：石，鐵之母也。以有慈石，故能吸其子。一、磁現(xiàn)象唐代《元和郡縣志》：“秦磁石門，即阿房宮之北門也，…累磁石為之。著鐵甲入者，磁石吸之不得過。羌胡以為神?！薄鞍矙z系統(tǒng)”一、磁現(xiàn)象中國在磁學方面的貢獻：最早發(fā)現(xiàn)磁現(xiàn)象：磁石吸引鐵屑

東漢王充《論衡》描述：司南勺——最早的指南器具。北宋時期已經(jīng)利用磁針制造指南針并應用于航海

。公元1600年，英國人吉爾伯特（M.Gilbert）發(fā)表《論磁體》一書

。司南勺早期的磁現(xiàn)象包括:

(1)天然磁鐵吸引鐵、鈷、鎳等物質。

(2)條形磁鐵兩端磁性最強，稱為磁極。任一磁鐵總是兩極同時存在，在自然界不存在獨立的N極、S極。同性磁極相互排斥，異性磁極相互吸引。磁單極子雖理論預言存在，至今尚未觀察到。

(3)地球本身為一個大磁體，地球磁體N、S極與地理南北極不是同一點。存在磁偏角。著有《中國科學技術史》的英國科學家李約瑟指出:“作為一個整體的現(xiàn)代科學沒有發(fā)生在中國，它發(fā)生于西方——歐美。這有什么原因呢？”制度問題：科舉制度，閉關鎖國從文化視角看：我過傳統(tǒng)文化講究“實用”，缺乏科學探索，建立理論思維的動力。從科學方法看：滿足表面現(xiàn)象，但沒有嚴格意義下的實驗和歸納法。愛因斯坦：“西方科學的發(fā)展是以兩個偉大的成就為基礎的，即希臘哲學家發(fā)明的形式邏輯體系（在歐幾里得幾何學中），以及通過系統(tǒng)的實驗發(fā)現(xiàn)有可能找出因果關系（在文藝復興時期）?！笨茖W方法論：從“一般到特殊”，理論上的演繹法；從“特殊到一般”，以實驗為基礎的分析和歸納法?？茖W復興一、磁現(xiàn)象生物磁現(xiàn)象2015年北京大學謝燦教授在《自然-材料》發(fā)表標題為《一個磁性蛋白生物指南針》的研究論文。此論文意味著，人類首次發(fā)現(xiàn)了動物體內(nèi)的“生物指南針”。2、中國近年來在磁研究和應用方面的重大進展純鐵鑄造界和回旋加速器界的“天下第一大餅”2014年我國制成世界最大緊湊型強流質子回旋加速器大科學設備2019年8月8日，由新奧集團自主設計建造的中國首座中等規(guī)模球形托卡馬克聚變實驗裝置——新奧“玄龍-50”在廊坊建成，并實現(xiàn)了第一次等離子體放電，正式啟動物理實驗。45.22萬高斯！我國刷新這一領域保持23年的世界紀錄。磁敏傳感器1751年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)萊頓瓶放電可以使縫衣針磁化。1785～1789年，庫侖測量磁鐵之間的相互作用力，與電荷之間的相互作用力相似。1731年，英國商人發(fā)現(xiàn)雷電后，刀叉具有磁性。但是人們很長時間曾認為磁和電是兩類截然不同的現(xiàn)象。1、電和磁聯(lián)系的一些早期線索二、磁現(xiàn)象的本質NNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNS分割不出單獨的N極或

S極NS2、電和磁不同之處二、磁現(xiàn)象的本質2.實驗探求（1931年—今）

人類對磁單極的探尋從未停止

上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見一旦發(fā)現(xiàn)磁單極，將改寫電磁理論。二、磁現(xiàn)象的本質INS

1819年,奧斯特實驗首次發(fā)現(xiàn)了電流與磁鐵間有力的作用，才逐漸揭開了磁現(xiàn)象與電現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。

在歷史上很長一段時期里,人們曾認為磁和電是兩類截然不同的現(xiàn)象。1820年7月21日，奧斯特以拉丁文報導了60次實驗的結果。二、磁現(xiàn)象的本質磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象之間有著密切的聯(lián)系1.通過電流的導線(也叫載流導線)附近的磁針，會受到力的作用而偏轉2.放在蹄形磁鐵兩極間的載流導線，也會受力而運動3.載流導線之間也有相互作用力。當兩平行載流直導線的電流方向相同時，它們相互吸引；電流方向相反時，則相互排斥4.通過磁極間的運動電荷也受到力的作用。二、磁現(xiàn)象的本質（2）奧斯特實驗的重要性：

首次揭示了電和磁的聯(lián)系，宣告電磁學作為一個統(tǒng)一學科的誕生，開啟了電磁學的蓬勃發(fā)展之門。二、磁的本質-電和磁的聯(lián)系嚴謹?shù)目茖W態(tài)度：“我不喜歡沒有實驗的枯燥的講課，因為歸根到底，所有科學進展都是從實驗開始的?！睓C遇：法國著名生物學家巴斯德在講述奧斯特的發(fā)現(xiàn)時，說過一句名言：“在觀察的領域里，機遇只偏愛那些有準備的頭腦?！保?）奧斯特實驗的啟示：辯證的哲學方法指導：不能用孤立靜止的方法來研究自然界，而要用聯(lián)系發(fā)展的觀點來研究自然界。1、安培的實驗安培搶抓科學機遇！磁體

載流導線磁體線圈磁體磁體磁場電流電流？二、磁現(xiàn)象的本質電流與電流通電螺線管與條形磁鐵等效磁體為什么有磁性？志同道合道不同不相為謀二、磁現(xiàn)象的本質23Ls2、安培分子電流假說（1822年）

一切磁現(xiàn)象的根源是電流（運動電荷）的存在。磁性物質的分子中存在著“分子電流”，每個分子電流相當于一個小磁針（稱為“基元磁鐵”），物質的磁性取定于物質中分子電流的磁效應之總和。NS二、磁現(xiàn)象的本質NS解釋磁化與消磁磁化：可視為使物質中的分子電流排列整齊顯示出總體效果。二、磁現(xiàn)象的本質3、安培分子電流假說意義（1）成功的解釋了磁化現(xiàn)象和磁體消磁現(xiàn)象。（2）安培分子電流假說揭示了電和磁的本質聯(lián)系。（3）安培的分子電流假說一定程度上揭示了磁性的起源，認識到磁體的磁場和電流的磁場一樣，都是由電荷的運動產(chǎn)生的。（4）安培分子電流假說與近代關于原子和分子結構的認識相吻合。原子是由原子核和核外電子組成的，電子的繞核運動就形成了經(jīng)典概念的電流。二、磁現(xiàn)象的本質4、安培分子電流假說提出的科學方法所謂“分子”，是指構成物質的基元，當時對物質結構和分子、原子的認識還很膚淺。在這樣的背景下，安培根據(jù)實驗的種種表現(xiàn)，作出了重要的抽象，顯示出大師的風范。

嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，大膽浪漫的想象能力！二、磁現(xiàn)象的本質第二節(jié)

磁場

磁感應強度一、磁場二、磁感應強度§9-2

磁場磁感應強度

電荷(不論靜止或運動)在其周圍空間激發(fā)電場，而運動電荷在周圍空間還要激發(fā)磁場；在電磁場中，靜止的電荷只受到電力的作用，而運動電荷除受到電力作用外，還受到磁力的作用。電流或運動電荷之間相互作用的磁力是通過磁場而作用的，故磁力也稱為磁場力。靜電荷電場靜電荷磁場運動電荷運動電荷注意:這里所說的運動和靜止都是相對觀察者說的，同一客觀存在的場，它在某一參考系表現(xiàn)為磁場，而在另一參考系中卻可能表現(xiàn)為電場。一、磁場二、磁感應強度如何定量地描述磁場？陽極NS電子束-+陰極如何定義磁感應強度？

研究帶電量為q，速度為v的運動試探電荷處于磁場中受力情況。引入新的物理量磁感應強度描述磁場。

P*實驗結果（1）帶電粒子在磁場中運動所受的力與運動方向有關。帶電粒子在磁場中某點P

沿某一特定方向（或其反方向）運動時不受力，且此特定方向與小磁針指向一致。運動方向運動速率v帶電量qNS+不變不變改變研究磁場中運動電荷所受的作用力控制變量法二、磁感應強度（2）帶電粒子在磁場中沿其它方向運動時，其受力垂直于與磁場方向所組成的平面。（3）當帶電粒子在磁場中垂直于磁場方向運動時受力最大。二、磁感應強度垂直于磁場不變改變運動方向運動速率帶電量實驗結果：（1）運動速率和帶電量改變，力的大小改變（2）但是比值不變單位

特斯拉磁感強度大?。憾?、磁感應強度方向：可按右手螺旋法則確定大小：

單位：T（特斯拉）,Gs（高斯）

由實驗結果可見，磁場中任何一點都存在一個固有的特定方向和確定的比值Fm/(qv)，與試驗電荷的性質無關，反映了磁場在該點的方向和強弱特征，為此，定義一個矢量函數(shù)磁感應強度：

由正電荷所受力的方向出發(fā)，按右手螺旋法則，沿小于π的角度轉向正電荷運動速度v的方向，這時螺旋前進的方向便是該點B的方向。人體磁場極弱，如心電激發(fā)磁場約3×10-10T。測人體內(nèi)磁場分布可診斷疾病，圖示磁共振圖像。地球磁場約5×10-5T。大型電磁鐵磁場可大于2T。超導磁體能激發(fā)高達25T磁場；原子核附近可達104T；脈沖星表面高達108T。一些磁場的大?。喝?、磁感應線1、磁感應線規(guī)定：引入假想的一簇曲線形象地描述磁場（1）曲線上每一點的切線方向就是該點的磁感強度

的方向。（2）曲線的疏密程度表示該點的磁感強度的大小。

磁場中某點通過垂直于的單位面積的磁感線條數(shù)等于該點處磁感