大學(xué)物理學(xué)（少課時(shí)）第2版 課件 9.1-9.2 電流的磁場(chǎng)

第九章電流的磁場(chǎng)

§9-1基本磁現(xiàn)象

§9-2磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度

§9-3畢奧-薩伐爾定律

§9-4穩(wěn)恒磁場(chǎng)的高斯定理與安培環(huán)路定理

§9-5磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)線(xiàn)和載流線(xiàn)圈的作用

§9-6磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響

§9-7鐵磁質(zhì)

第一節(jié)

基本磁現(xiàn)象一、磁現(xiàn)象二、磁現(xiàn)象的本質(zhì)生活中磁的應(yīng)用無(wú)處不在一、磁現(xiàn)象1、中國(guó)古代在磁現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用方面的貢獻(xiàn)：磁石吸鐵方面的最早記載：《呂氏春秋》：石，鐵之母也。以有慈石，故能吸其子。一、磁現(xiàn)象唐代《元和郡縣志》：“秦磁石門(mén)，即阿房宮之北門(mén)也，…累磁石為之。著鐵甲入者，磁石吸之不得過(guò)。羌胡以為神?！薄鞍矙z系統(tǒng)”一、磁現(xiàn)象中國(guó)在磁學(xué)方面的貢獻(xiàn)：最早發(fā)現(xiàn)磁現(xiàn)象：磁石吸引鐵屑

東漢王充《論衡》描述：司南勺——最早的指南器具。北宋時(shí)期已經(jīng)利用磁針制造指南針并應(yīng)用于航海

。公元1600年，英國(guó)人吉爾伯特（M.Gilbert）發(fā)表《論磁體》一書(shū)

。司南勺早期的磁現(xiàn)象包括:

(1)天然磁鐵吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)。

(2)條形磁鐵兩端磁性最強(qiáng)，稱(chēng)為磁極。任一磁鐵總是兩極同時(shí)存在，在自然界不存在獨(dú)立的N極、S極。同性磁極相互排斥，異性磁極相互吸引。磁單極子雖理論預(yù)言存在，至今尚未觀(guān)察到。

(3)地球本身為一個(gè)大磁體，地球磁體N、S極與地理南北極不是同一點(diǎn)。存在磁偏角。著有《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史》的英國(guó)科學(xué)家李約瑟指出:“作為一個(gè)整體的現(xiàn)代科學(xué)沒(méi)有發(fā)生在中國(guó)，它發(fā)生于西方——?dú)W美。這有什么原因呢？”制度問(wèn)題：科舉制度，閉關(guān)鎖國(guó)從文化視角看：我過(guò)傳統(tǒng)文化講究“實(shí)用”，缺乏科學(xué)探索，建立理論思維的動(dòng)力。從科學(xué)方法看：滿(mǎn)足表面現(xiàn)象，但沒(méi)有嚴(yán)格意義下的實(shí)驗(yàn)和歸納法。愛(ài)因斯坦：“西方科學(xué)的發(fā)展是以?xún)蓚€(gè)偉大的成就為基礎(chǔ)的，即希臘哲學(xué)家發(fā)明的形式邏輯體系（在歐幾里得幾何學(xué)中），以及通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有可能找出因果關(guān)系（在文藝復(fù)興時(shí)期）?！笨茖W(xué)方法論：從“一般到特殊”，理論上的演繹法；從“特殊到一般”，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的分析和歸納法?？茖W(xué)復(fù)興一、磁現(xiàn)象生物磁現(xiàn)象2015年北京大學(xué)謝燦教授在《自然-材料》發(fā)表標(biāo)題為《一個(gè)磁性蛋白生物指南針》的研究論文。此論文意味著，人類(lèi)首次發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物體內(nèi)的“生物指南針”。2、中國(guó)近年來(lái)在磁研究和應(yīng)用方面的重大進(jìn)展純鐵鑄造界和回旋加速器界的“天下第一大餅”2014年我國(guó)制成世界最大緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器大科學(xué)設(shè)備2019年8月8日，由新奧集團(tuán)自主設(shè)計(jì)建造的中國(guó)首座中等規(guī)模球形托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置——新奧“玄龍-50”在廊坊建成，并實(shí)現(xiàn)了第一次等離子體放電，正式啟動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)。45.22萬(wàn)高斯！我國(guó)刷新這一領(lǐng)域保持23年的世界紀(jì)錄。磁敏傳感器1751年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)萊頓瓶放電可以使縫衣針磁化。1785～1789年，庫(kù)侖測(cè)量磁鐵之間的相互作用力，與電荷之間的相互作用力相似。1731年，英國(guó)商人發(fā)現(xiàn)雷電后，刀叉具有磁性。但是人們很長(zhǎng)時(shí)間曾認(rèn)為磁和電是兩類(lèi)截然不同的現(xiàn)象。1、電和磁聯(lián)系的一些早期線(xiàn)索二、磁現(xiàn)象的本質(zhì)NNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNS分割不出單獨(dú)的N極或

S極NS2、電和磁不同之處二、磁現(xiàn)象的本質(zhì)2.實(shí)驗(yàn)探求（1931年—今）

人類(lèi)對(duì)磁單極的探尋從未停止

上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見(jiàn)一旦發(fā)現(xiàn)磁單極，將改寫(xiě)電磁理論。二、磁現(xiàn)象的本質(zhì)INS

1819年,奧斯特實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了電流與磁鐵間有力的作用，才逐漸揭開(kāi)了磁現(xiàn)象與電現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。

在歷史上很長(zhǎng)一段時(shí)期里,人們?cè)J(rèn)為磁和電是兩類(lèi)截然不同的現(xiàn)象。1820年7月21日，奧斯特以拉丁文報(bào)導(dǎo)了60次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。二、磁現(xiàn)象的本質(zhì)磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象之間有著密切的聯(lián)系1.通過(guò)電流的導(dǎo)線(xiàn)(也叫載流導(dǎo)線(xiàn))附近的磁針，會(huì)受到力的作用而偏轉(zhuǎn)2.放在蹄形磁鐵兩極間的載流導(dǎo)線(xiàn)，也會(huì)受力而運(yùn)動(dòng)3.載流導(dǎo)線(xiàn)之間也有相互作用力。當(dāng)兩平行載流直導(dǎo)線(xiàn)的電流方向相同時(shí)，它們相互吸引；電流方向相反時(shí)，則相互排斥4.通過(guò)磁極間的運(yùn)動(dòng)電荷也受到力的作用。二、磁現(xiàn)象的本質(zhì)（2）奧斯特實(shí)驗(yàn)的重要性：

首次揭示了電和磁的聯(lián)系，宣告電磁學(xué)作為一個(gè)統(tǒng)一學(xué)科的誕生，開(kāi)啟了電磁學(xué)的蓬勃發(fā)展之門(mén)。二、磁的本質(zhì)-電和磁的聯(lián)系嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度：“我不喜歡沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的枯燥的講課，因?yàn)闅w根到底，所有科學(xué)進(jìn)展都是從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的?！睓C(jī)遇：法國(guó)著名生物學(xué)家巴斯德在講述奧斯特的發(fā)現(xiàn)時(shí)，說(shuō)過(guò)一句名言：“在觀(guān)察的領(lǐng)域里，機(jī)遇只偏愛(ài)那些有準(zhǔn)備的頭腦?！保?）奧斯特實(shí)驗(yàn)的啟示：辯證的哲學(xué)方法指導(dǎo)：不能用孤立靜止的方法來(lái)研究自然界，而要用聯(lián)系發(fā)展的觀(guān)點(diǎn)來(lái)研究自然界。1、安培的實(shí)驗(yàn)安培搶抓科學(xué)機(jī)遇！磁體

載流導(dǎo)線(xiàn)磁體線(xiàn)圈磁體磁體磁場(chǎng)電流電流？二、磁現(xiàn)象的本質(zhì)電流與電流通電螺線(xiàn)管與條形磁鐵等效磁體為什么有磁性？志同道合道不同不相為謀二、磁現(xiàn)象的本質(zhì)23Ls2、安培分子電流假說(shuō)（1822年）

一切磁現(xiàn)象的根源是電流（運(yùn)動(dòng)電荷）的存在。磁性物質(zhì)的分子中存在著“分子電流”，每個(gè)分子電流相當(dāng)于一個(gè)小磁針（稱(chēng)為“基元磁鐵”），物質(zhì)的磁性取定于物質(zhì)中分子電流的磁效應(yīng)之總和。NS二、磁現(xiàn)象的本質(zhì)NS解釋磁化與消磁磁化：可視為使物質(zhì)中的分子電流排列整齊顯示出總體效果。二、磁現(xiàn)象的本質(zhì)3、安培分子電流假說(shuō)意義（1）成功的解釋了磁化現(xiàn)象和磁體消磁現(xiàn)象。（2）安培分子電流假說(shuō)揭示了電和磁的本質(zhì)聯(lián)系。（3）安培的分子電流假說(shuō)一定程度上揭示了磁性的起源，認(rèn)識(shí)到磁體的磁場(chǎng)和電流的磁場(chǎng)一樣，都是由電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。（4）安培分子電流假說(shuō)與近代關(guān)于原子和分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)相吻合。原子是由原子核和核外電子組成的，電子的繞核運(yùn)動(dòng)就形成了經(jīng)典概念的電流。二、磁現(xiàn)象的本質(zhì)4、安培分子電流假說(shuō)提出的科學(xué)方法所謂“分子”，是指構(gòu)成物質(zhì)的基元，當(dāng)時(shí)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和分子、原子的認(rèn)識(shí)還很膚淺。在這樣的背景下，安培根據(jù)實(shí)驗(yàn)的種種表現(xiàn)，作出了重要的抽象，顯示出大師的風(fēng)范。

嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，大膽浪漫的想象能力！二、磁現(xiàn)象的本質(zhì)第二節(jié)

磁場(chǎng)

磁感應(yīng)強(qiáng)度一、磁場(chǎng)二、磁感應(yīng)強(qiáng)度§9-2

磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度

電荷(不論靜止或運(yùn)動(dòng))在其周?chē)臻g激發(fā)電場(chǎng)，而運(yùn)動(dòng)電荷在周?chē)臻g還要激發(fā)磁場(chǎng)；在電磁場(chǎng)中，靜止的電荷只受到電力的作用，而運(yùn)動(dòng)電荷除受到電力作用外，還受到磁力的作用。電流或運(yùn)動(dòng)電荷之間相互作用的磁力是通過(guò)磁場(chǎng)而作用的，故磁力也稱(chēng)為磁場(chǎng)力。靜電荷電場(chǎng)靜電荷磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)電荷注意:這里所說(shuō)的運(yùn)動(dòng)和靜止都是相對(duì)觀(guān)察者說(shuō)的，同一客觀(guān)存在的場(chǎng)，它在某一參考系表現(xiàn)為磁場(chǎng)，而在另一參考系中卻可能表現(xiàn)為電場(chǎng)。一、磁場(chǎng)二、磁感應(yīng)強(qiáng)度如何定量地描述磁場(chǎng)？陽(yáng)極NS電子束-+陰極如何定義磁感應(yīng)強(qiáng)度？

研究帶電量為q，速度為v的運(yùn)動(dòng)試探電荷處于磁場(chǎng)中受力情況。引入新的物理量磁感應(yīng)強(qiáng)度描述磁場(chǎng)。

P*實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所受的力與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。帶電粒子在磁場(chǎng)中某點(diǎn)P

沿某一特定方向（或其反方向）運(yùn)動(dòng)時(shí)不受力，且此特定方向與小磁針指向一致。運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)速率v帶電量qNS+不變不變改變研究磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)電荷所受的作用力控制變量法二、磁感應(yīng)強(qiáng)度（2）帶電粒子在磁場(chǎng)中沿其它方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力垂直于與磁場(chǎng)方向所組成的平面。（3）當(dāng)帶電粒子在磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)受力最大。二、磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直于磁場(chǎng)不變改變運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)速率帶電量實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（1）運(yùn)動(dòng)速率和帶電量改變，力的大小改變（2）但是比值不變單位

特斯拉磁感強(qiáng)度大小：二、磁感應(yīng)強(qiáng)度方向：可按右手螺旋法則確定大?。?/p>

單位：T（特斯拉）,Gs（高斯）

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，磁場(chǎng)中任何一點(diǎn)都存在一個(gè)固有的特定方向和確定的比值Fm/(qv)，與試驗(yàn)電荷的性質(zhì)無(wú)關(guān)，反映了磁場(chǎng)在該點(diǎn)的方向和強(qiáng)弱特征，為此，定義一個(gè)矢量函數(shù)磁感應(yīng)強(qiáng)度：

由正電荷所受力的方向出發(fā)，按右手螺旋法則，沿小于π的角度轉(zhuǎn)向正電荷運(yùn)動(dòng)速度v的方向，這時(shí)螺旋前進(jìn)的方向便是該點(diǎn)B的方向。人體磁場(chǎng)極弱，如心電激發(fā)磁場(chǎng)約3×10-10T。測(cè)人體內(nèi)磁場(chǎng)分布可診斷疾病，圖示磁共振圖像。地球磁場(chǎng)約5×10-5T。大型電磁鐵磁場(chǎng)可大于2T。超導(dǎo)磁體能激發(fā)高達(dá)25T磁場(chǎng)；原子核附近可達(dá)104T；脈沖星表面高達(dá)108T。一些磁場(chǎng)的大?。喝⒋鸥袘?yīng)線(xiàn)1、磁感應(yīng)線(xiàn)規(guī)定：引入假想的一簇曲線(xiàn)形象地描述磁場(chǎng)（1）曲線(xiàn)上每一點(diǎn)的切線(xiàn)方向就是該點(diǎn)的磁感強(qiáng)度

的方向。（2）曲線(xiàn)的疏密程度表示該點(diǎn)的磁感強(qiáng)度的大小。

磁場(chǎng)中某點(diǎn)通過(guò)垂直于的單位面積的磁感線(xiàn)條數(shù)等于該點(diǎn)處磁感