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第二章恒磁场奥斯特实验安培定律毕奥－萨筏尔定律安培环路定理磁场“高斯定理”磁矢势磁场对载流导线的作用带电粒子在磁场中的运动2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写奥斯特实验及其意义相关实验研究课题奥斯特实验2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写奥斯特实验及其意义19世纪20年代前，磁和电是独立发展的奥斯特,丹麦物理学家HansChristianOersted深受康德哲学关于“自然力”统一观点的影响，试图找出电、磁之间的关系2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写奥斯特实验•1820年7月看演示实验2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写奥斯特实验表明长直载流导线与之平行放置的磁针受力偏转——电流的磁效应磁针是在水平面内偏转的——横向力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2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写意义揭示了电现象与磁现象的联系宣告电磁学作为一个统一学科诞生历史性的突破此后迎来了电磁学蓬勃发展的高潮2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写评价Ampere写道：“Oerster先生……已经永远把他的名字和一个新纪元联系在一起了”．Faraday评论说：“它突然打开了科学中一个一直是黑暗的领域的大门，使其充满光明”．2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写相关实验9.18Ampere圆电流对磁针作用9.25Ampere平行电流对磁针作用9.25Arago钢片被电流磁化2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写磁铁对电流的作用Ampere通电导线受马蹄形磁铁作用而运动2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写Ampere螺线管与磁铁相互作用时显示出N极和S极2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写确定载流螺线管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2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写一系列实验表明磁铁————磁铁电流————电流都存在相互作用2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写爱因斯坦指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想像力，而且标志着科学的真正进步。”2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写研究课题毕奥－萨筏尔的研究课题安培的研究课题电流产生磁的逆效应电、磁相互作用的传递问题2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写毕奥－萨筏尔的研究课题寻找电流元对磁极作用力的定量规律认为电流对磁极的作用力是自然界的基本力受Oester横向力的影响，认为每一个电流元对磁极的作用力也垂直于导线与磁极构成的平面困难是无孤立的电流元2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写关键是找到几何关系Idldf把电流分割成许多电流元还和几何因素如有关,r即解决了电流产生磁场的规律（见下节）2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写安培的研究课题几乎在同样的背景下，安培提出的问题更深入，显示出大师的风范安培认为：磁现象的本质是电流物质的磁性来源于“分子”电流这是安培根据实验的种种表现作出的重要的抽象2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写“分子”电流所谓“分子”，是指构成物质的基元，当时对物质结构和分子、原子的认识还很肤浅每个分子都有电流环绕着，当分子排列整齐时，它们的电流合起来就可以满足磁棒的磁性所需要的电流磁化可视为使物质中的分子电流排列整齐显示出总体效果2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写以“分子电流”取代磁荷——能解释磁棒与载流螺线管的等效性可将种种磁相互作用归结为电流之间的相互作用提出寻找任意两个电流元之间作用力的定量规律——即可解决磁相互作用的问题2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写困难同样是无孤立的电流元两电流元及两者连线三者不共面涉及的几何因素更多，难度增大安培精心设计了四个示零实验来解决这些困难2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写无定向秤实验一：用对折导线，在其中通以大小相等、方向相反的电流．把它移近无定向秤附近的不同部位，观察无定向秤的反应结果：无定向称不动说明：当电流反向时，它产生的作用力也反向数学表达：成线性关系221112dlIdlIdF、与2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写实验二：用载流曲折线对无定向秤作用，结果与载流直导线的作用一样说明电流元具有矢量性,表为2211ldIldI、实验三：装置如图只允许圆弧形导体沿其切线方向运动而不允许圆弧形导体沿着与其垂直的方向运动结果：圆弧导体不动说明：作用在电流元上的力是与它垂直的——横向力10212212lldFdldFd或2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写实验四圆线圈A、B、、C线度之比为1/n：1：n，A与B的距离以及线圈B与C的距离比为1：n，A与C固定，并串联，其中电流相同，线圈B可以活动，通以另一电流结果：B不动结论：所有几何线度增加同一倍数时，作用力的大小不变212221112rdlIdlIdF才能保持不变增加同一倍数当121221dFrdldl，、、2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写安培给出的公式根据安培的假设：两个电流元之间的相互作用沿它们的联线，相当于承认假设的目的是期望电流元之间相互作用力满足牛顿第三定律，由此推出的公式][1212rFd内含各项都是标量两者方向相反P90（2.14)实际没有孤立的电流元，两个孤立电流元不一定满足牛顿第三定律，横向力，并不一定沿连线，此条件应该去掉2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写安培定律经过后人对安培的公式修正、加工，得到现在的安培定律形式,)ˆ(12212122112rrldldIIkFd2700/104,4ANk被Maxwell誉为“科学中最光辉的成就之一”．Ampere本人则被誉为“电学中的Newton”．2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写启示安培从错综复杂的现象与联系中，提炼出磁现象的本质——独具慧眼；提出寻找电流、电流之间的相互作用的定量规律问题——问题的深度、广度和重要性高于其他同代人提出的问题，显示出大师风范，也反映了正确抽象、洞察本质的重要性；在解决问题上，面对难以测量的困难，巧妙地设计示零实验，设计与理论猜测相结合，揭示出电流元相互作用应具有的特点，采用矢量点乘、叉乘来表示dl1、dl2、r12之间的关系；2020/3/25北京大学物理学院王稼军编写进一步提出的课题电流产生磁的逆效应的问题将导致电磁感应现象的发现电、磁相互作用的传递问题超距作用和近距作用的论争再次激化，将导致电磁场理论的建立