hgq2.1 磁的基本现象和规律-2015

激发 作用
作用
磁场
电
流
激发
磁
铁
• • •
磁铁 磁铁 电流 电流 都存在相互作用
3 磁现象的起源
磁 铁
电 流
磁场
磁场
磁
电
铁
流
实验表明：磁铁周围有磁场，电流周围也有磁 场，它们之间的相互作用是通过磁场进行的，而 非超距作用。安培提出磁性的起源假设表明：一 切磁现象的根源都是运动电荷(电流)。 即磁铁、电流的本源是运动电荷
I1dl1 dF21
r12
I 2dl2
原因：在恒定的条件下不存在孤立的电流元， 恒定电流只存在于闭合回路中。上式对闭合回路 的积分是相等的
n
I 2 dl2
d F 21 d F12
I I dl dl 同理： d F 21 0 1 2 2 1 r 12 o 2 4 r21
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思考题：
dF12 k
ˆ12 ) I 2 dl 2 ( I1dl1 r
2 r12
两个电流元之间的相互作用力是 否满足牛顿第三定律
1820年春，奥斯特安排了一个这方面的实验，他采用讲演时
常用的电池槽，让电流通过一根很细的铂丝，把一个带玻璃罩
的指南针放在铂丝下面，实验没有取得明显的效果． 1820 年 4 月的一天晚上，奥斯特在讲课中突然出现了一个想法，讲课快
结束时，他说：让我把导线与磁针平行放置来试试看．当他接
通电源时，他发现小磁针微微动了一下．这一现象使奥斯特又 惊又喜，他紧紧抓住这一现象，连续进行了3个月的实验研究， 终于在 1820 年 7 月 21 日发表了题为《关于磁针上的电流碰撞的 实验》的论文。 奥斯特从实验总结出：电流的作用仅存在于载流导线的周
写成矢量式
dF12 k
0 4 107 ˆ12 ) I 2 dl 2 ( I1dl1 r
2 r12
例题 求一对平行电流元之间的相互作用力 解： d F12 :
1 I1 dl1 r12 2
2 dl2 n 2

0 I1 I 2 dl2 (dl1 r12 ) d F 12 3 4 r12 0 I1 I 2 dl2 dl1 n 0 I1I 2 dl2 dl1 r21o 2 2 4 r12 4 r12
I1dl1
r12
1.磁性： 所有磁体都具有吸引铁、镍、钴等磁性 物质的性质，这个性质称为磁性。 磁铁磁性最强区域称为磁极。磁铁被悬挂 2.磁极： 后，指向地理位置北方的磁极为磁北极或N 极；指向地理位置南方的为磁南极或S极。 N、S极同时存在；且同号磁极互相排斥，
•类比法 “磁荷” 模型，磁的库仑定律
电 流
磁场
磁
铁
此实验：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
奥斯特实验的意义：
• 揭示了电现象与磁现象 的联系，是历史性的突破
• 宣告电磁学作为一个统一 学科的诞生
奥斯特： 丹麦物理学家
• 此后迎来了电磁学的蓬勃 发展
2.相关实验
(1) 安培实验 • 平行电流间的相互 作用:两导线电流方向 相同时,两导线相吸; 两电流方向相反时,两 导线相斥
围；沿着螺纹方向垂直于导线；电流对磁针的作用可以穿过各
种不同的介质；作用的强弱决定于介质，也决定于导线到磁针 的距离和电流的强弱；铜和其他一些材料做的针不受电流作用； 通电的环形导体相当于一个磁针，具有两个磁极，等等。
奥斯特
奥斯特实验
与长直载流导线平行放置的磁针在水平 面内受力偏转 奥斯特实验表明
磁针和磁针；
S NS N
与电偶极子类比，一个小磁针可看成一个“磁偶极子”
N极带正磁荷 qm ，S极带负磁荷 qm
库仑设计的实验证明：
点磁荷服从
常量
0 4 10 N / m ——真空磁导率
qm1qm 2 F 2 4 r 0 7 2 1
磁场强度H与电场强度 磁场强度 E完全对应
根大学的免费生．他一边当家庭教师，一边在学 校学习药物学、天文、数学、物理、化学等．
1806年任哥本哈根大学物理学教授，1821年被选
为英国皇家学会会员，1823年被选为法国科学院 院士，后来任丹麦皇家科学协会会长．
电和磁有没有联系？这是先人经常思索的问题。 17 世纪初， 吉尔伯特就断言，它们之间没有因果关系，库仑也持同样观点。 然而实际事例不断吸引人们注意。例如： 1731 年有一名英国商 人诉述，雷闪过后，他的一箱新刀叉竟带上了磁性。 1751 年富 兰克林发现在莱顿瓶放电后，缝纫针磁化了。 电真的会产生磁吗？这个疑问促使1774年德国一家研究机构 悬奖征解，题目是：“电力和磁力是否存在实际和物理的相似 性？”许多人纷纷作实验进行研究，但是，在伏打发明电堆以 前，这类实验很难成功，因为没有产生稳恒电流的条件。不过， 即使有了伏打电堆，也不一定能立即找到电和磁的联系。 1819 年冬，奥斯特在哥本哈根开设了一个讲座，讲授电磁 学方面的课题。在备课中，奥斯特分析了前人在电流方向上寻 找磁效应都未成功的事实，想到磁效应可能像电流通过导线产 生热和光那样是向四周散射的，即是一种横向力，而不是纵向 的。
磁场的讨论方法 点电荷 库仑定律 电场强度 电流元 安培定律 磁感应强度
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二、安培定律
反映电流元与电流元之间的磁相互作用
1. 电流元 任意形状、大小的电流都是若干 个电流元组成的。 I
a. 电流强度与线元的乘积： Id l
c. 与运动电荷等效 d. 非独立性
b. 矢量性：电流元的方向为 dl 的方向
1、奥斯特实验
•1820年7月
奥斯特的发现
奥斯特 丹 麦 物 理 学 家 奥 斯 特 (Hans
Christian Oersted ， 1777—1851)1777 年 8 月 14 日生于丹麦朗格兰德岛一个药剂师家庭．12岁开 始帮助父亲在药房里干活，同时坚持学习化学．
由于刻苦攻读，17岁以优异的成绩考取了哥本哈
物质磁性起源不能完全用经典理论来描述。
量子理论表明，核外电子对磁性有一定的贡献，
但物质磁性的主要来源是电子的自旋磁矩，铁磁
物质的强烈磁性则与相邻原子间电子自旋磁矩的
交换作用有关。都不能用经典概念予以描述。
21
结论：
运动电荷在其周围存在一种看不见、摸 不着，但客观存在的物质，这种物质叫磁场， 它可以传递运动电荷的相互作用。 运动电荷处于磁场中，都要受到磁场的 作用力，此作用力称为磁场力。磁场力是 通过磁场这种特殊物质传递的。 运动电荷在磁场中所受的磁场力称为洛伦兹力
ˆ 1 pm r Um • 磁偶极子的磁势： 4u0 r 2
• 磁偶极子在外磁场中的受力：
L pm H
• 至今未找到磁单极子………
二、电磁相互作用
19世纪以前，磁和电是独立发展的，直到19世纪20 年代后，一系列重要的发现才把电与磁联系起来，才 认识到电与磁之间有不可分割的联系。才使得电磁学 S 在19世纪得到非常迅猛的发展，几乎达到完整
假如存在“磁荷”
• F • 磁场强度：H q m0 • 磁场的性质 1 – 高斯定理： H dS qm u0 S S – 环路定理： H dl 0 L H Um • 磁势与磁场强度的关系：
1 qm1qm 2 ˆ F 磁库仑定律： 4u0 r 2 r
Id l
dq Idl dl vdq dt
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安培定律——电流之间磁相互作用的基本规律 n
两电流元之间的相互作用 I dl I dl 1 1 2 2 1） dF 12 2 r12
1
r12
I1dl1
2
I2dl2
dF12
2） dF 12 sin 1 , sin 2 将以上两点归纳起来，并写成等式 I1 I 2 dl1 sin 1dl2 sin 2 dF 12 k 2 r12 系数 k 0 4
电 流
磁场
电
流
(2) 磁铁对电流的作用
通电导线受 马蹄形磁铁作 用而运动
磁 铁
磁场
电
流
（3）通电螺线管与磁铁相互作用
通电螺线管 与磁铁相互作 用时显示出N 极和S极
电
流
磁场
磁 铁
确定载流螺线管的极性
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
电 磁
流 铁
第二章 真空中的稳恒磁场
运动电荷(电流)周围不仅存在电场，而 且还存在磁场，由稳恒电流产生的磁场是不 随时间变化的磁场，称作稳恒磁场。 在第一章真空中的静电场中，讨论了静止 电荷产生的电场及其电荷间的相互作用，本 章将讨论运动电荷（电流）产生的磁场及其 运动电荷（电流）间的相互作用
§2.1磁的基本现象和基本规律 一、磁现象 (magnetic phenomenon)
安培分子环流假说
组成磁铁的最小单元就是环形电流
——物质磁性的基本来源 即磁铁、电流的本源是运动电荷
运动电荷
磁场
运动电荷
物质之间磁相互作用的本质可归结为电流 （运动着的电荷）之间的相互作用
安培分子电流假说与近代关于原子和分子结构 的认识相吻合。原子是由原子核和核外电子组成 的，电子的绕核运动就形成了经典概念的电流。