电磁学：4 第四章 稳恒磁场(1)

分（析2）技术发展是推动科学发展的动力－－
伏打对比电磁池铁的间发的明作，用为，研电 究电流磁效应奠定基
础－流产－生重了视磁实。验研究；
（电3流）的我本国质科是学运源动的头电创荷新的困境思考。
运动的电荷产生磁场 磁与电的关系
电流方向变化、磁 针转动方向也变化
问题 电流对磁铁有作用，磁铁对电流是否有作用？
平面 I
1 / 2,2 / 2
问题： dF12的最大值条件？
dl1
r12
nˆ dl2
dF12
k
I1dl1 I2dl2 r122
电流元dl1，dl2
dF12
在同一 平面
k
I1 I 2dl2
(dl1 r122
rˆ12 )
dF21的表达式
dF21 k
载流螺线管磁极的确定方法： 右手法则
总结：磁作用的表现形式
磁铁 电流
磁铁
磁场
电流
分析 上述各种作用应该具有相同的作用机理，
电荷之间的库伦作用力通过电场来传递，
上述作用力也应该通过一种场来传递， 这种场就是磁场
3.磁场 问题
磁场的概念最早由法拉第提出，是当时物理学的一个创举 ，爱因斯坦认为场的价值比电磁感应高许多。 学习过程：力场，物理本源：电磁场场粒子电磁力
dl1 平面 I dl1、rˆ12所在平面
在平面I内 且垂直平面II
dF12的大小与电流元参量之间的关系
dF12
I1dl1
I2dl2 sin1 sin2
r122
2
nˆ dl2 平面 II
d库F1仑对2 定比k律I1
I
2Fd1l22
r1(22dqlr111q222rˆ12
)
1 dl1
r12 dF12
安培假设：两个电流元之间的相互作用力 沿它们的连线
安培定理的数学表达： 安培最初的数学表达式 dF12 kI1 I2r12 ( )
错误之一：作用力沿电流元之间的连线
正确的安培定理数学表达式
dF12
k
I1 I 2dl2
(dl1 r122
rˆ12 )
该公式与安培实验结果相符（自行验证）
研究过程：提出了一个假设，设计了四 个实验，根据实验结果，通过数 学分析得到了安培定律。
推导安培定理的四个示零实验
实验一 电流反向
实验二 矢量和
F?
无定向秤
弧形导体
水银槽
I II
III
R1: R2: R3=
1 n
:1:n
C
垂直结构 固定绝缘柄
d1 d2
d1: d2=
运动限制
n:1
实验三：作用力方向 实验四：作用力与几何尺度
作开展研究，发现了载流长直导线对磁极作用反比于距离r的实验
结果,这是人们第一次得到电流磁效应的定量结果，并确定了电流 对磁极的作用力为横向力。拉普拉斯参与实验分析，推导得到了电 流元产生磁场的毕奥和萨伐尔定律。
奥斯汀发现电流磁效应的半年后，就基本建立了电流磁场的
1.1不同的磁作用形式
（Baidu Nhomakorabea）磁铁 磁铁
实验 结论
N 极向内
和磁铁一样，载流导线 不仅具有磁性，也受磁 I=0 I 作用力
（3）电流 电流(应该存在作用力)
实验
结论 作用规律 同向电流相吸
I
异向电流相斥
II
I I
磁铁 磁铁 磁作用具有极性特点
电流 电流 磁作用也具有极性特点 问题 载流导体也具有磁极 ?
N
SN
S
载流螺线管
与磁铁的作用
I
I
磁铁 磁场 是一种产生方式？ 电流 磁场 还是两种产生方式?
分析 载流螺线管
条形磁铁
实验表明:磁性特征相同
产生磁场的源应该相同
环向电流
安培分子 环流假说
环向电流
1822安培提出：组成磁铁的最小单元(磁分子)就 是环形电流，这些分子环流定向排列，在宏观上 就会显示出N、S极。
图示 N
等效宏观表面电流 S
磁铁内部分子电流相互抵消
为什么是假说？ 安培提出了分子环流，但在安培时代，还没有建立 物质的分子、原子模型。因此，安培的模型为假说。 现代观点 物质组成：分子、原子
原子：原子核（正电）+ 电子（负电） 电子绕核旋转+电子自旋 分子环流 经典模型
磁场的本源
相互作用模型 的统一
运动的电荷
导线中的传导电流 磁铁中的分子环流
（束缚电流）
电流 磁场
电流
分子 传导 环流 电流
分子 传导 环流 电流
库仑力 与磁力 的区别
磁铁 载流线
静止（相对静止）电荷之间的作用 运动电荷之间的作用
库仑力、磁力的对比
定量描述 定律
库仑力 库仑定律
定律 地位
基本规律 高斯 环路
研究 难易
历史 过程
相对简单
实验上可以得到 近似的点电荷
相对简单明了
1820年9月,法国人阿拉果经过一段时间的旅行,回到法国,并带
来了丹麦奥斯特发现电流磁效应的消息,这在法国科学界引起了轰 动. 安培、毕奥、萨伐尔迅速开展了关于这种效应的定量研究。安 培开展独立研究平行载流导线之间相互作用的研究，并通过一系列 的实验（课本小字部分）由此发展得到安培定律。毕奥和萨伐尔合
讲授过程
简单
磁作用力
3.安培定律 ？
（应该为）基本规律
?
?
相对复杂
没有简单的电流元 （稳恒电流必须 构成闭合回路）
相对曲折（B、H，磁荷观点）
简单化处理
3.安培定律
研究内容：两个电流元之间的磁相互作用力
dl1
I1
dl2
I2
说说明明：： 不同于库仑定律的发现，安培没有能 直接通过实验得到电流元之间磁相 互作用力。（原因？）
安培定理数学表达式说明见下页
安培定理数学 表达式的说明
I 1 dl1
r12 F12
dF12
k
I1 I 2dl2
(dl1 rˆ12 ) r122
dl2 I2
dF12的方向与电流元空间取向的关系
dl1 rˆ12方向
2
平面 II
nˆ dl2
dF12垂直
nˆ
dl2
1
r12 dF12
dF12
第四章 (真空中)稳恒电流的磁场 magnetic field §1. 磁的基本现象和规律 作业：p350思考题2
磁现象研究发展概要
1820年之前，磁学和电学是独立的学科，人们认为磁和电是没 有关系的物理问题。 1820年丹麦人奥斯特的电流的磁效应揭示：运 动的电产生磁。发现的意义：电磁之间有相互联系。
物质成分
天然磁铁：Fe3O4 人工磁铁: 铷铁硼合金
钴镆合金等
中性区 磁极
磁铁分区
条形磁铁的两端磁性强，称作磁 极，中部磁性弱，称作中性区
作用规律：同性相斥、异性相吸
指南针指南原理 S
N
（2）电流线—磁铁（电流磁效应 奥斯特实验 ）
启实示验：现象 历史真相
（1）机遇总是垂青准备的头脑－－奥斯特 信实奉验康结德论哲学，认为世界上的各种力可以相 互电转流对化磁；铁有作用