奧斯特實驗解讀

第二章恒磁場

奧斯特實驗安培定律畢奧－薩筏爾定律安培環(huán)路定理磁場“高斯定理”磁矢勢磁場對載流導線的作用帶電粒子在磁場中的運動奧斯特實驗及其意義相關實驗研究課題

奧斯特實驗奧斯特實驗及其意義19世紀20年代前，磁和電是獨立發(fā)展的奧斯特,丹麥物理學家

HansChristianOersted深受康德哲學關于“自然力”統(tǒng)一觀點的影響，試圖找出電、磁之間的關系奧斯特實驗1820年7月奧斯特實驗表明長直載流導線與之平行放置的磁針受力偏轉——電流的磁效應磁針是在水平面內偏轉的

——橫向力突破了非接觸物體之間只存在有心力的觀念——拓寬了作用力的類型意義揭示了電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的聯(lián)系宣告電磁學作為一個統(tǒng)一學科誕生歷史性的突破此后迎來了電磁學蓬勃發(fā)展的高潮評價

Ampere寫道：“Oerster先生……已經永遠把他的名字和一個新紀元聯(lián)系在一起了”．Faraday評論說：“它突然打開了科學中一個一直是黑暗的領域的大門，使其充滿光明”．相關實驗9.18Ampere圓電流對磁針作用9.25Ampere平行電流對磁針作用9.25Arago鋼片被電流磁化磁鐵對電流的作用Ampere通電導線受馬蹄形磁鐵作用而運動Ampere螺線管與磁鐵相互作用時顯示出N極和S極確定載流螺線管極性

實驗表明載流螺線管相當于磁棒，螺線管的極性與電流成右手螺旋關系一系列實驗表明

磁鐵————磁鐵

電流————電流

都存在相互作用愛因斯坦指出：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許僅是一個數(shù)學上或實驗上的技能而已，而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創(chuàng)造性的想像力，而且標志著科學的真正進步?！毖芯空n題畢奧－薩筏爾的研究課題安培的研究課題電流產生磁的逆效應電、磁相互作用的傳遞問題畢奧－薩筏爾的研究課題尋找電流元對磁極作用力的定量規(guī)律認為電流對磁極的作用力是自然界的基本力受Oester橫向力的影響，認為每一個電流元對磁極的作用力也垂直于導線與磁極構成的平面困難是無孤立的電流元

關鍵是找到幾何關系把電流分割成許多電流元還和幾何因素如有關即解決了電流產生磁場的規(guī)律（見下節(jié)）安培的研究課題幾乎在同樣的背景下，安培提出的問題更深入，顯示出大師的風范安培認為：磁現(xiàn)象的本質是電流物質的磁性來源于“分子”電流這是安培根據(jù)實驗的種種表現(xiàn)作出的重要的抽象“分子”電流所謂“分子”，是指構成物質的基元，當時對物質結構和分子、原子的認識還很膚淺

每個分子都有電流環(huán)繞著，當分子排列整齊時，它們的電流合起來就可以滿足磁棒的磁性所需要的電流

磁化可視為使物質中的分子電流排列整齊顯示出總體效果以“分子電流”取代磁荷

——能解釋磁棒與載流螺線管的等效性可將種種磁相互作用歸結為電流之間的相互作用提出尋找任意兩個電流元之間作用力的定量規(guī)律——即可解決磁相互作用的問題困難同樣是無孤立的電流元兩電流元及兩者連線三者不共面涉及的幾何因素更多，難度增大安培精心設計了四個示零實驗來解決這些困難無定向秤實驗一：用對折導線，在其中通以大小相等、方向相反的電流．把它移近無定向秤附近的不同部位，觀察無定向秤的反應結果：無定向稱不動說明：當電流反向時，它產生的作用力也反向數(shù)學表達：實驗二：用載流曲折線對無定向秤作用，結果與載流直導線的作用一樣說明電流元具有矢量性,表為

實驗三：裝置如圖只允許圓弧形導體沿其切線方向運動而不允許圓弧形導體沿著與其垂直的方向運動結果：圓弧導體不動說明：作用在電流元上的力是與它垂直的——橫向力

實驗四

圓線圈A、B、、C線度之比為1/n：1：n，A與B的距離以及線圈B與C的距離比為1：n，A與C固定，并串聯(lián)，其中電流相同，線圈B可以活動，通以另一電流結果：B不動結論：所有幾何線度增加同一倍數(shù)時，作用力的大小不變安培給出的公式根據(jù)安培的假設：兩個電流元之間的相互作用沿它們的聯(lián)線，相當于承認假設的目的是期望電流元之間相互作用力滿足牛頓第三定律，由此推出的公式內含各項都是標量兩者方向相反P90（2.14)實際沒有孤立的電流元，兩個孤立電流元不一定滿足牛頓第三定律，橫向力，并不一定沿連線，此條件應該去掉安培定律

經過后人對安培的公式修正、加工，得到現(xiàn)在的安培定律形式被Maxwell譽為“科學中最光輝的成就之一”．Ampere本人則被譽為“電學中的Newton”．1）將K寫成：并取，則當、、的單位為米，為牛頓時，確定下來的電流的單位為安培。2）反過來，可得為牛頓/安培2。電流強度單位——安培的定義和絕對測量啟示

安培從錯綜復雜的現(xiàn)象與聯(lián)系中，提煉出磁現(xiàn)象的本質

——獨具慧眼；提出尋找電流、電流之間的相互作用的定量規(guī)律問題——問題的深度、廣度和重要性高于其他同代人提出的問題，顯示出大師風范，也反映了正確抽象、洞察本質的重要性；

在解決問題上，面對難以測量的困難，巧妙地設計示零實驗，設計與理論猜測相結合，揭示出電流元相互作用應具有的特點，采用矢量點乘、叉乘來表示dl1、dl2、r12之間的關系；進一步提出的課題電流產生磁的逆效應的問題將導致電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)電、磁相互作用的傳遞問題超距作用和近距作用的論爭再次激化，將導致電磁場理論的建立§2

磁感應強度矢量(magneticinduction)1、由電場強度的定義方法,從安培力的角度來分析：則對整個L1的作用力為

2.1磁感應強度矢量

把電流元看成試探電流元則：

，為磁感應強度矢量

的大?。簡挝浑娏髟谠撎幩艿淖畲蟀才嗔?。的方向：垂直于試探電流受力最小處。的單位：特斯拉（T）高斯（特斯拉=104高斯）2.2畢奧---薩伐爾定律：磁感應線（B線）：有方向的曲線，其上每點的切線方向與該點的磁感應強度矢量的方向一致。7.2.2畢奧―薩伐爾定律應用舉例例1載流長直導線的磁場．在真空中有一長為載流直導線，導線中電流強度為，求導線附近一點的磁感應強度．解特例：無限長導線：例2圓形電流的磁場．有一半徑為的載流圓環(huán)，電流強度為，求它軸線上任一點的磁感應強度．解

由于圓形電流具有對稱性，各垂直分量相互抵消，所以總磁感強度的大小為各個平行分量的代數(shù)和為特例：圓心處例3

如圖所示，兩根長直導線沿半徑方向接到粗細均勻的鐵質圓環(huán)上的A和B兩點，并與很遠處的電源相接，試求環(huán)中心o點處的磁感應強度．解三段直導線在圓心處產生的磁場為零．

例：載流直導線的磁場例：載流圓線圈軸線上的磁場例：載流螺線管中的磁場無限長螺管：§3安培環(huán)路定理一、電流產生磁場的特點：1）磁感應線是閉合曲線或兩頭伸向無窮遠2）閉合的磁感應線和載流回路相互套連在一起。3）磁感應線和電流的方向相互服從右手定則。說明：

1）電流I的正負規(guī)定：當穿過回路L的電流方向與回路L的環(huán)繞方向服從右手法則時，I>0，反之，I<0。如