磁场 磁感应强度

磁场磁感应强度磁现象一、从远古起，人们就对自然界存在的一些磁现象有所认识.实际上，磁现象比电现象发现得更早.然而在很长的时期内，人们却不了解磁现象的本质和成因.1820年，丹麦物理学家奥斯特发现，在载流导线旁边放置的小磁针会发生偏转，如图9-4所示.图9-4载流导线对小磁针的作用这说明载流导线周围存在着能够影响小磁针指向的磁场，就像电荷周围存在着电场一样.同年，法国物理学家安培发现，通电导线在磁极附近会受到力的作用，如图9-5所示.图9-5磁铁对载流导线的作用安培在实验后不久，又发现了载流导线之间也有相互作用力，如图9-6所示.图9-6两平行载流导线间的相互作用实验发现，通电的线圈对外界的作用与一根条形磁铁相似，线圈的一端为N极，另一端为S极.若右手握拳，以四指表示电流方向，则大拇指的方向就指向N极的一端，如图9-7所示.图9-7通电线圈的磁极以上实验说明，载流导线周围存在着磁场，磁场又对放在其中的通电导线产生作用力.这种情况与电荷周围存在电场，电场对场内其他电荷产生作用力相类似.人们自然会设想，磁现象与运动电荷(电流)可能有密切的关系.1822年，安培提出了关于磁现象起源的假设.他认为，一切磁现象都来源于电流.物体内部任何一个分子都相当于一个小的回路电流，称为分子电流.每个分子电流都和一个小磁针等效，磁针的N、S两极对应于分子电流的两侧，如图9-8（a)所示.宏观物质的磁性，是其内部大量分子电流产生的磁效应的叠加.如果物体内部各分子电流排列整齐，叠加后宏观上呈现磁性，如图9-8（b)所示；相反，如果各分子电流排列杂乱，则宏观上不呈现磁性，如图9-8（c)所示.图9-8分子电流安培分子电流理论把宏观的磁现象和物质的微观结构联系起来，这是一个重要的贡献.安培分子电流理论与现代物质结构的磁学理论吻合一致.当然，根据现在的认识，物质的磁性不能简单地用分子电流来描述，但是分子电流理论不失为一个很好的简化模型.磁场二、运动电荷之间，除库仑力作用外，还有磁力作用.过去人们曾把磁力看作超距作用力，学者法拉第第一个纠正了这种看法.法拉第提出了场的思想和概念，他认为如电荷在其周围激发电场一样，运动电荷或电流也在其周围空间激发磁场.对静电场的研究知道，静止电荷之间的相互作用是通过电场来传递的，而电场的物质性之一是它对于任何置于其中的静止电荷施加作用力.与此相似，磁力和电场力一样是近距力，它是通过磁场来传递的，任何运动电荷、电流及磁铁周围空间中都存在着磁场，而磁场的基本性质之一是它对置于其中的任一运动电荷都有磁力的作用.这种相互作用可表示为

运动电荷←→磁场←→运动电荷因此，磁力也称为磁场力.利用磁场的观点，可以清楚地了解前述关于磁铁和磁铁、磁铁和电流，以及电流和电流之间的相互作用力都是通过同一种场——磁场来传递的.并且，它们都可归结为运动电荷之间通过磁场而相互作用.磁针能自动指出南北，说明地球是一个大磁场——地磁场对磁针的作用.关于地磁场的起因曾有各种假说，一种新的观点认为起因于地球液态内核的转动，此内核的转速比地壳的转速还要快.既然磁性起源于电荷的运动，而世界万物又都是由运动的带电粒子所组成，因而形成了磁现象的普遍性.现代科学的发展已经证实，从微观世界中的分子、原子、原子核、基本粒子，到宏观宇宙中的月球、地球太阳及遥远的星际空间，都具有或强或弱的磁性.对磁现象的研究形成了除传统磁学外还有其他磁学分支，从而推动了边缘磁学的发展，并在实际中得到广泛的应用.例如，生物在其生命活动中会产生微弱的磁场，心磁图、脑磁图所显示的是人体某部位的电压或磁场随时间的变化，可以反映生理和病理方面的信息.又如，绝热退磁法是一种获得超低温的重要方法，在目前的研究工作中已获得10－9K的极低温度.大陆岩磁性和海底岩磁性的研究分别给出了大陆漂移和海底扩张的强有力的证据，对了解地质构造都具有重要意义.

磁场是物质存在的一种形式.磁场的物质性表现之一是磁场对磁体、运动电荷或载流导线有磁力或磁力矩的作用；表现之二是载流导线在磁场中运动时，磁力要做功，从而显示出磁场具有能量.磁感应强度三、虽然人们不能用眼睛和手去感知磁场，但磁场的存在并非只是一个假设.它是物质存在的一种表现形式，具有一切物质的本质属性，如质量、能量和运动等.对于如此抽象的物质，只能从磁场的物质性表现方面描述它.小磁针在通电导线旁发生偏转，实际上是受到电流的磁场对磁针力矩的作用.按照安培分子电流的观点，一个载流小线圈相当于一个小磁针，它在载流导线旁也会发生偏转，实践证明也确实如此.这样就可以用载流小线圈代替磁针来探测磁场的分布.先定义载流线圈的磁矩.若一个小试验线圈的面积为ΔS，线圈中的电流为I则试验线圈的磁矩Pm=IΔSen，en为线圈法线方向的单位矢量，Pm与电流方向满足右手螺旋关系如图9-9所示.图9-9载流线圈的磁矩把试验线圈悬在所研究磁场中的某场点，并设线圈悬线的扭力矩可以忽略.实验发现，在磁场中的任意一点，试验线圈磁矩最终都有一个平衡方向，磁场中的线圈受到的力矩使试验线圈转到一定位置而稳定平衡.此时，线圈所受的磁力矩为零，将线圈正法线en（垂直于载流线圈平面的方向）所指的方向定义为线圈所在处的磁场B的方向.用小磁针做实验时，它就是平衡时小磁针的N极指向.下面是几种常见磁场的数量级：地球磁场0.5×10-4T一般永磁体1×10-2T大型磁