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第十五章稳恒磁场第1页15-1磁场磁感应强度一、磁基本现象

我国是世界上最早发觉和应用磁现象国家之一，早在公元前300百年就发觉磁铁吸引铁现象。在十一世纪我国已制造出指南针（司南）(compass)。《山海经》中有“山中有磁石者，必有赤金。”《水经注》记载，秦始皇阿房宫有“北阙门”用磁石做成，以防刺客。1．磁现象早期结识第2页（1）同号磁极有互相排斥力，异号磁极有互相吸引力（磁铁间互相作用力称为磁力）（2）磁铁分割成小段，小段仍有两极（磁荷假说）（3）铁棒能够被磁化人们最早结识磁现象是从天然磁铁开（称天然磁铁为永恒磁铁）。对其基本现象结识归纳如下：磁铁间互相作用SNSN第3页二、磁力、磁性起源

在1823年此前，人们对磁现象研究仅限于磁极（magniticpole）磁极间互相作用。而把磁与电分割开来，看作彼此无关。

奥斯特（HansChristanOersted，1777-1851）

丹麦物理学家，发觉了电流对磁针作用，从而造成了19世纪中叶电磁理论统一和发展。

丹麦物理学家奥斯特─一位康德哲学思想信奉者，就坚信：客观世界多种力具有统一性。并开始对电与磁统一性进行研究。第4页科学真正突破，就在于打破思维定势束缚，创建新科学概念。1823年4月某天晚上，奥斯特在讲课过程中突然来了灵感，就在将近下学时，奥斯特说，让我把导线与磁针平行放置来试试看于是他毫不踌躇地在大庭广众面前接上了电源。第5页他发觉：闭合电键瞬刻，通电导线附近磁针微微跳动了一下！这个奥斯特日夜盼望现象对停课人毫无影响！但奥斯特却激动无比，他立即中断讲座回到试验室，苦苦进行了三个月连续试验研究，终于在1823年7月21日刊登了题为《有关磁针上电流碰撞试验》论文。这篇仅用4页纸写成极其简洁试验报告，向科学界宣布了电流磁效应，轰动整个欧洲。这一天作为划时代日子载入史册。《电磁学》就此诞生！第6页奥斯特发觉立即引发法国数学家物理学家安培（A.M.Ampere）注意安培假如电流激发磁场能作用于磁性物质，那么它也应能作用于电流！他想法是：他在短短几个星期内对电流磁效应作了系列研究。发觉不但电流对磁针有作用，并且两个电流之间彼此也有作用。安培提出分子电流(molecularcurrent)假设。第7页安培演示电流互相作用装置（复制品）第8页电流与电流之间互相作用II第9页电流与电流之间互相作用IIFF第10页+磁场对运动电荷作用电子束第11页S+磁场对运动电荷作用N电子束第12页II思想深邃科学家自问：磁铁究竟是什么？假如磁场是由电荷运动激发，那么来自一块磁铁磁场是否也也许是由于电流效果呢？我们得把问题引向一种更深层次安培用通电螺线管较好地模拟了一种磁针：第13页从这个试验看来，一块磁铁，犹如一种永恒环形电流。第14页第15页安培还注意到，地球也犹如一种大磁铁，它南北极指向就犹如地球上有自东向西绕行电流。第16页安培分子环流假说天然磁性产生也是由于磁体内部有电流流动。分子电流电荷运动是一切磁现象本源。等效环形电流第17页解释磁现象：（1）.天然磁铁磁性（分子流）（2）.磁化现象（分子磁矩转向）人们结识到磁性本源：电荷运动。第18页当代物理已经充足把握，原子核外电子绕核高速运动，同步电子尚有自旋运动。核外电子这些运动整体上体现为分子环流，这便是物质磁性基本起源。不过，安培分子环流说至今还只能是一种假说。有三个疑点到目前尚未查明：①磁单极子（magneticmonopole）所谓磁单极子，就是只有N极或只有S极最小磁性物质单元。第19页从安培假说能够解释为何不存在磁单极子(单独N极或S

极)，这正是分子环流成果。不过，量子力学创始人之一狄拉克从相对论性量子理论出发，预言磁单极子是应当存在，并且由此能够解释电荷量子化。第20页这种电荷与磁荷内在联系，从对称性角度看来是十分诱人。近年来，许多科学家都在致力于对磁单极子摸索。不过这种摸索将是十分困难，据“大统一”理论，磁单极子应当在宇宙演化极早期（～10-35s）超高能状态（～1023eV、～1027K）下产生，伴随宇宙膨胀、温度减少而急剧相变，至今若尚有残余话，也是极为稀少了。美国斯坦福大学一种研究小组在试验室中安顿了一种超导铌线圈，守株待兔似企图捕捉宇宙射线中也许存在磁单极子从中穿过。1982年一天，该小组突然宣布，他们统计到一种事件，经测定与狄拉克预言磁单极子穿过该线圈将会引发磁通量跳变完全吻合，因而找到了一种磁单极子存在证据！第21页这天正是西方情人节斯坦福大学这个探测成果只是一种不能重现孤立事件，在没有其他试验室认同情况下，是不能作为对磁单极子认定结论。合法全世界都在为人们成双成对庆祝时候，物理学家却为他们找到了孤单磁单极子而欢呼雀跃！一位专栏作家风趣地评论道：第22页所有磁现象可归结为运动电荷AA磁场B磁场产生作于用产生作于用运动电荷

B+第23页将一试验电荷射入磁场，运动电荷在磁场中会受到磁力作用。对比静电场场强定义①θ＝0时Fm=0，1.磁感应强度定义：试验表白

q0时Fm达成最大值②三、磁感应强度(MagneticInduction)第24页定义SI单位：T（特斯拉）工程单位常用高斯（G）磁感应强度是反应磁场性质物理量，与引入到磁场运动电荷无关。将Fm=0时速度方向定义为方向

q0第25页写成矢量式─罗仑兹力运动电荷受到磁场力为第26页解：一般物理学教案例题1：一电子在磁场中运动，以速率v通过A点求磁感应强度当时，测得若，一种分力由由于第27页资料原子核表面～1012T中子星表面～106T目前最强人工磁场～7×104T太阳黑子内部～0.3T太阳表面～10-2T地球表面～5×10-5T人体～3×10-10T第28页2.电场与磁场相对性静止电荷激发静电场运动电荷激发电场磁场静电场对电荷q作用力与它运动速度无关。静止电荷对运动电荷作用仍满足库仑定律。不因运动而不一样。试验证明了这一点。如在示波管中两个静止平行带电平板间形成静电场，对通过板间电子束偏转试验测量表白，作用在电子上力确实与电子速度无关。都用来计算。第29页电场和磁场都由电荷产生，也都由电荷受力情况来检查。那么，这两种场之间究竟有什么本质区分呢？众所周知，电荷静止与运动都是相对观测者而言，我们对运动与静止描述依赖于所选择参照系，这样看来，电场和磁场区分，也只有相对意义了。详细地说：给定一试验电荷，在不一样参照系上，测定该试验电荷受力情况从而识别其周围空间电场和磁场，所得描述成果是不一样。不一样参照系间电场和磁场满足罗仑兹变换─相对论性关系。第30页相对论建立将告诉我们，电场力和磁场力是同一种性质力。因此，电和磁并不是互相独立现象，必须将它们作为一种完整场─电磁场而结合在一起结识。第31页15.2磁通量磁场中高斯定理1.磁感应线用磁感应线描述磁场办法是：在磁场中画一簇曲线，曲线上每一点切线方向与该点磁场方向一致，这一簇曲线称为磁感应线。①方向：曲线上一点切线方向和该点磁场方向一致。②大小：磁感应线疏密反应磁场强弱。第32页通过无限小面元dS磁感应线数目d

m与dS比值称为磁感应线密度。我们要求磁场中某点磁感应强度值等于该点磁感应线密度。③性质：磁感应线是无头无尾闭合曲线，磁场中任意两条磁感应线不相交。磁感应线与电流线铰链又称磁通密度(magneticfluxdensity)第33页直线电流磁感应线II第34页BI圆电流磁感应线第35页通电螺线管磁感应线I第36页中子星磁感应线第37页2.磁通量（magneticflux）通过磁场中任一面积磁感应线数称为通过该面磁通量，用

m

表达。①均匀磁场，磁感应线垂直通过S②均匀磁场，S法线方向与磁场方向成

角第38页③磁场不均匀，S为任意曲面④S为任意闭合曲面要求：dS正方向为曲面上由内向外法线方向。磁感应线穿入，为负；穿出，为正。则