磁的基本现象和规律

第二章真空中的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。§2.1磁的基本现象和基本规律中国古代对磁现象感性的认识:NS磁针在战国晚期成书的《吕氏春秋》中，就有“慈石召铁，或引之也”的话。这种吸铁性曾被喻为慈母爱恋子女，因此，秦汉以前，都把磁石写成“慈石”。沈括还着重指出指南针所指的方向“常微偏东，不全南也”。这是中国有关磁偏角的最早记载。明代航海用水罗盘自南宋至明中叶，中国航海中所用的罗盘，都是“水罗盘”。所谓水罗盘，是指磁针浮于水面，没有固定支点的水浮针盘。一、磁现象(magneticphenomenon)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。2.磁极：磁铁磁性最强区域称为磁极。磁铁被悬挂后，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，异号磁极互相吸引SNSNS§2.1磁的基本现象和基本规律•类比法“磁荷”模型，磁的库仑定律磁针和磁针；NSNS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，S极带负磁荷mqmq库仑设计的实验证明：点磁荷服从221041rqqFmm270/104mN常量——真空磁导率磁场强度磁场磁场强度H与电场强度E完全对应假如存在“磁荷”•磁库仑定律：•磁场强度：•磁场的性质–高斯定理：–环路定理：•磁势与磁场强度的关系：rrqquFmmˆ4122100mqFHSmSquSdH010LldHmUH•磁偶极子的磁势：•磁偶极子在外磁场中的受力：•至今未找到磁单极子………20ˆ41rrpuUmmHpLmS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。才使得电磁学在19世纪得到非常迅猛的发展，几乎达到完整•1820年7月1、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：丹麦物理学家•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•此后迎来了电磁学的蓬勃发展奥斯特实验的意义：电流磁场电流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,两导线相斥通电导线受马蹄形磁铁作用而运动(2)磁铁对电流的作用磁铁磁场电流通电螺线管与磁铁相互作用时显示出N极和S极（3）通电螺线管与磁铁相互作用磁铁磁场电流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电流磁铁磁场电流磁铁激发激发作用作用•磁铁磁铁•电流电流•都存在相互作用一系列实验表明电流磁场电流3磁现象的起源磁铁磁场磁铁实验表明：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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）之间的相互作用运动电荷磁场运动电荷即磁铁、电流的本源是运动电荷18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。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。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20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21二、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I任意形状、大小的电流都是若干个电流元组成的。Idla.电流强度与线元的乘积：Idlb.矢量性：电流元的方向为的方向dlc.与运动电荷等效dqIdldlvdqdtd.非独立性安培定律——电流之间磁相互作用的基本规律212221112rdlIdlIdF两电流元之间的相互作用1）2）2112sin,sindF将以上两点归纳起来，并写成等式21222112112sinsinrdldlIIkdF写成矢量式21212112212)ˆ(rrldIldIkFdI1dl1I2dl2r12ndF1212系数40k7010423例题求一对平行电流元之间的相互作用力11Idl22Idl12r12:dF解：111122Idlrn222dln12dF121012212312001221122121221212()444oIIdldlrdFrIIdldlnIIdldlrrr同理：0122121122214oIIdldldFrr21dF思考题：两个电流元之间的相互作用力是否满足牛顿第三定律11ldI22ldI12r21Fd21212112212)ˆ(rrldIldIkFd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