11-1 磁感强度矢量

第十一章关键词：磁现象、稳恒(steady)电流、稳恒磁场基本性质：稳恒性、涡旋性（非势场）基本内容：稳恒场的性质磁场对电荷与电流的作用基本概念：磁感应强度、磁通量；基本规律：毕-萨-拉定律(Biot--Savart—Laplacelaw)----磁场高斯定理、安培环路定理.洛仑滋力公式、安培力公式基本方法：对比法静止电荷运动电荷稳恒电流静电场稳恒磁场电场磁场学习方法--类比法本章研究稳恒电流所激发的稳恒磁场的物理性质§11-1磁感强度矢量一.基本磁现象1中国在磁学方面的贡献：最早发现磁现象：磁石吸引铁屑春秋战国《吕氏春秋》记载：磁石召铁东汉王充《论衡》描述：司南勺最早的指南器具十一世纪沈括发明指南针，发现地磁偏角，比欧洲的哥伦布早四百年十二世纪已有关于指南针用于航海的记载司南勺指南针战国时司南和地盘复原模型北宋科学家沈括指南针四种试验复原北宋初年，曾公亮主编的《武经总要》（约成书1044年）中介绍了一种“指南鱼”(复原模型)元代磁州窑绘浮针瓷碗元代指南龟复原(剖面)明代航海水罗盘复原明嘉靖年间(1522～1566)航海木帆船沿用“旱罗盘”2磁铁的性质---早期的磁现象:(1)天然磁铁吸引铁、钴、镍等物质-磁性。(2)条形磁铁（磁体）两端磁性最强，称为磁极。一只能够在水平面内自由转动的条形磁铁，平衡时总是顺着南北指向。指北的一端称为北极或N极，指南的一端称为南极或S极。同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引。(3)把磁铁作任意分割，每一小块都有南北两极，任一磁铁总是两极同时存在。(4)某些本来不显磁性的物质，在接近或接触磁铁后就有了磁性，这种现象称为磁化。基本磁现象磁性物质1磁性物质2磁场1磁场2+3磁铁间的相互作用磁场(magneticfield)SNSN（1）奥斯特实验（电流的磁效应）科学背景：早在17世纪，学者吉尔伯特在研究电现象和磁现象时，就仔细对比了电与磁的性质，他断言电和磁是两种截然不同的现象，没有什么一致性。甚至连库仑这样一位有名望的学者，也认为电与磁不可能有什么关系。奥斯特4电磁相互作用（电现象-----联系----磁现象）到18世纪，有一些自然哲学家根据闪电产生的某些奇怪现象猜测电和磁有某种形式的联系。一位商人描述：闪电使他的刀叉磁化了；富兰克林企图用莱顿瓶放电的方法磁化一根钢针，他实际上办到了，但不明确磁化作用是否直接由电流引起；德国巴伐利亚电学研究院公布有奖征解：电力和磁力是否存在物理的相似性？富兰克林1735年1751年1774年18世纪末─19世纪初康德关于力及其向其它各种力转化的哲学思想谢林关于自然力是统一的思想（德国自然哲学派首席）对物理学界有很大影响丹麦物理学家奥斯特─一位康德哲学思想的信奉者，就坚信：客观世界的各种力具有统一性。并开始对电与磁的统一性进行研究。康德翻开科学史，了解科学家们作出重大科学发现前后的一系列思想活动就会发现，他们确实是自觉不自觉地接受了正确的哲学观的影响。从某种程度上说，他们观察世界的方式也是符合审美方式的。如对称性、统一性等等。富兰克林发现莱顿瓶放电磁化钢针的现象对奥斯特启发很大，他认识到，电向磁的转化，不是可不可能的问题，而是如何把这种可能性转变为现实，电向磁的转化条件才是问题的关键。1819年冬天，奥斯特在哥本哈根开办了一个讲座，专门为精通自然哲学和具备相当物理知识的学者讲授电和磁方面的课题。在备课过程中奥斯特注意到，许多人在电流方向寻找磁效应都失败了。他警觉到：莫非电流对磁体的作用根本不是纵向的？奥斯特的思考突破了只有中心力的观念！这是打破思维定势的范例。正是这一闪念，导致了奥斯特的成功！产生这种想法是不同寻常的，就当时所知，所有的相互作用力，都是推拉性质的中心力如万有引力库仑力弹性力摩擦力┅┅科学的真正突破，就在于打破思维定势的束缚，创建新的科学概念。时至1820年4月某天晚上，奥斯特在讲课的过程中突然来了灵感，就在快要下课时，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犹豫地在大庭广众面前接上了电源。他发现：闭合电键的瞬刻，通电导线附近的磁针微微跳动了一下！这个奥斯特日夜盼望的现象对听课的人毫无影响！但奥斯特却激动无比，他立刻中止讲座回到实验室，苦苦进行了三个月的连续实验研究，终于在1820年7月21日发表了题为《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文。这篇仅用4页纸写成的极其简洁的实验报告，向科学界宣布了电流的磁效应，轰动整个欧洲。这一天作为划时代的日子载入史册。《电磁学》诞生了！电流磁性物质磁场按场论的观点：奥斯特实验意味着安培：“奥斯特先生…已经永远地将他的名字和一个新纪元联系在一起了。”法拉第：“它突然打开了科学中一个一直是黑暗的领域的大门，使其充满了光明。”一系列实验接踵而来……奥斯特实验一公布，法国物理学家阿拉果、安培、毕奥、萨伐尔、拉普拉斯迅速行动，展开了一系列的研究。这期间，安培着重研究了电流对电流的作用。从奥斯特注意到磁针的一跳到对磁现象的系统认识只用了半年时间！科学家们锲而不舍的精神值得我们每一位后来人敬仰。安培如果电流激发的磁场能作用于磁性物质，那么它也应能作用于电流！他的想法是：电流与电流之间的相互作用IIFF电流与电流之间的相互作用IIFF安培演示电流相互作用的装置（复制品）+磁场对运动电荷的作用电子束S+磁场对运动电荷的作用N电子束磁性物质1电流1磁性物质2电流2磁场1磁场2+按场论的观点：II思想深邃的科学家自问：磁铁究竟是什么？如果磁场是由电荷运动激发的，那么来自一块磁铁的磁场是否也可能是由于电流的的效果呢？我们将问题引向一个更深的层次安培用通电螺线管很好地模拟了一个磁针：从这个实验看来，一块磁铁，如同一个永恒的环形电流。II安培还注意到，地球也如同一个大磁铁，它的南北极指向就如同地球上有自东向西绕行的电流。（2）安培分子环流假说-----物质磁性的起源天然磁性的产生也是由于磁体内部有电流流动。分子电流！！！电荷的运动是一切磁现象的根源。NSIn等效环形电流现代物理已经充分把握，原子核外的电子绕核高速运动，同时电子还有自旋运动。核外电子的这些运动整体上表现为分子环流，这便是物质磁性的基本起源。不过，安培的分子环流说至今还只能是一个假说。有三个疑点到现在还未查明：①磁单极子（magneticmonopole）所谓磁单极子，就是只有N极或只有S极的最小磁性物质单元。SNNSNSSN从安培的假说能够解释为什么不存在磁单极子(单独的N极或S极)，这正是分子环流的结果。但是，量子力学的创始人之一狄拉克从相对论性量子理论出发，预言磁单极子是应该存在的，并且由此可以解释电荷的量子化。这种电荷与磁荷的内在联系，从对称性的角度看来是十分诱人的。近年来，许多科学家都在致力于对磁单极子的探索。但是这种探索将是十分困难的，据“大统一”理论，磁单极子应该在宇宙演化的极早期（～10-35s）的超高能状态（～1023eV、～1027K）下产生，随着宇宙的膨胀、温度降低而急剧相变，至今若还有残存的话，也是极为稀少了。美国斯坦福大学的一个研究小组在实验室中安置了一个超导铌线圈，守株待兔似的企图捕捉宇宙射线中可能存在的磁单极子从中穿过。1982年的一天，该小组突然宣布，他们记录到一个事件，经测定与狄拉克预言的磁单极子穿过该线圈将会引起的磁通量的跳变完全吻合，因而找到了一个磁单极子存在的证据！这天正是西方情人节斯坦福大学的这个探测结果只是一个不能重现的孤立事件，在没有其它实验室认同的情况下，是不能作为对磁单极子的认定结论的。正当全世界都在为人们成双成对庆贺的时候，物理学家却为他们找到了孤独的磁单极子而欢呼雀跃！一位专栏作家幽默地评论道：②中子和电子的自旋磁矩夸克理论认为，象中子这样的强子由带分数电荷的夸克组成，但夸克只能囚禁在强子内，它们在强子中的存在方式还未完全清楚，因而中子的磁性来源仍是一个迷，安培的假说对中子还能奏效吗？中子是电中性的，可是中子具有自旋磁矩。电子当然带有负电性，但至今电子都被认为是一个“点”粒子。从经典力学的角度无法理解一个无几何尺寸的“点”的自转，那么如何理解电子自旋磁矩的起源？③地球磁场倒转地质考古学发现，在地球漫长的演化历史中，曾有过几次地磁场的极性倒转。对太阳磁场的观测也发现了其极性反向的证据。地磁场反向周期大约104～105年，反向过渡期约103年。并且，近百年的观测数据表明，目前地磁场在衰减，预计衰减到零后又将继而反向增强。如何解释其成因，能用安培假说吗？关于地磁场起源的一种解释为：地球表面带负电，地球自西向东的自转刚好形成自东向西的环形电流，因而形成地磁的N-S极。古地磁地质学家发现，在火成岩中保留有热剩磁；在沉积岩中保留有沉积剩磁；它们都可以指示当时当地的地磁场方向，所以叫古地磁。沉积剩磁—含有多量矿物的沉积岩也常有较明显的剩磁。许多矿物颗粒在海水中下沉，其中有一部分系已磁化的颗粒（例如含剩磁的熔岩碎屑），下沉到海底时，便顺着地磁场方向停积下来，以后为沉积岩也就保留了当时的地磁方向，这种剩磁叫沉积剩磁。热剩磁—火山岩和熔岩常常保留有热剩磁。当熔岩温度在5000℃以上时，熔岩中的矿物没有磁化；温度降低到4500℃时，某些磁性矿物按照地磁场方向磁化；该熔岩冷却以后，保留了当时地磁场的方向。这种剩磁叫热剩磁。有关地磁场的成因有很多种模式。古代认为地球核心是一块永久性磁铁，因而产生地磁场。后来发现热可以消除磁性，多数铁磁性物质的居里点(铁磁性物质达到一定的温度磁性会消除，这个温度叫居里点)在500摄氏度以上，地内60km深处就可以达到这个温度，地心温度更高，所以地心物质不可能具有磁性。也有人试图用电磁感应来解释，认为地球内部存在带电粒子，地球自转形成电流，从而由感应产生磁场。但经核算，要产生目前的地磁场必须有10亿安培的电流，而实际上这是不存在的。20世纪初，有人提出了发电机产生电流而导出磁场的说法。此后人们不断修改补充，提出了自激发电机的模式。认为地球有一个导电的旋转液态铁核，它比固态地幔转动慢些，因而在液核中形成无数同方向的小涡流，共同感应出一个微弱的初始磁场，在相当复杂的电磁反复感应下，象自激发电机那样使地球呈现出现在的基本地磁场。但这个假说的自激发过程很复杂，目前尚未完全解决。除上述悬案外，所有磁现象可归结为运动电荷AA的磁场B的磁场产生作于用产生作于用运动电荷B+(MagneticInduction)1.磁场的重要表现①磁场对进入场中的运动电荷或载流导体有磁力作用。②载流导体在磁场中移动时，磁力将对载流导体作功。这表明磁场具有能量二.磁感应强度将一实验电荷射入磁场，运动电荷在磁场中会受到磁力作用。对比静电场场强的定义0FqE1232.磁感应强度的定义：B实验表明(规律)mFvq0设带电量为q，速度为v的运动试探电荷处于磁场中。(,)mFvB磁感应强度是反映磁场性质的物理量，与引入到磁场的运动电荷无关。将Fm=0时的速度方向定义为的方向BmFvBq0mFqvB定义：SI单位：T（特斯拉）工程单位常用高斯（G）41T10G说明：1、B的方向：沿“零力线”方向2、B的大小：3、4、5、F的方向与运动电荷q的符号有关6、7、B是矢量点函数0sinmFBqv0sinmFqvmFv时Fm达到最大值2θ＝0时Fm=0，(,)mFvB写成矢量式mFqvB─罗仑兹力0sinmFqvB附：运动电荷受到的磁场力为mFmF规定：通过磁场中某点处垂直于矢量的单位面积的磁感应线数等于该点矢量的量值。磁感应线越密-磁场越强；磁感应线越稀-磁场-越弱。磁感线的分布能形象地反映磁场的方向和大小特征。BB3磁感应线（B线）几种不同形状电流磁场的磁感应线磁感应线的性质电流磁感应线与电流套连闭合曲线(磁单极子不存在)互不相交方向与电流成右手螺旋关系三电场与磁场的相对性静止电荷-激发-静电场运动电荷-激发-电场、磁场静电场对电荷q的作用力与它的运动速度无关。实验证实：静止电荷对运动电荷的作用仍满足库仑定律。不因运动而不同。如：在示波管中两个静止的平行带电平板间形成静电场，对通过板间电子束偏转的实