第三章 磁场 第一节 磁现象和磁场 我国是世界上最早发现磁现象的国家 早在战国末年就有磁铁的记载 我国古代的四大发明之一的指南针就是其中之一 指南针的发明为世界的航海业做出了巨大的贡献 在现代 磁现象与日常生活 科技密切相关 导入 电磁炉采用磁场感应电流 又称为涡流 的加热原理 通过电子线路板组成部分产生交变磁场 当用含铁质锅具底部放置炉面时 锅具即切割交变磁感线而在锅具底部金属部分产生交变的电流 即涡流 涡流使锅具铁分子高速无规则运动 分子互相碰撞 摩擦而产生热能使器具本身自行高速发热 用来加热和烹饪食物 上海磁悬浮列车专线西起上海地铁龙阳路站 东至上海浦东国际机场 列车加速到平稳运行之后 速度是430公里 小时 这个速度超过了F1赛事的最高时速 司南 一 磁现象 最初发现的磁体是被称为 天然磁石 的矿物 其中含有主要成分为Fe3O4 能吸引其他物体 很像磁铁 一 磁现象 1 磁性 能够吸引铁质物体的性质 2 磁体 具有磁性的物体叫磁体 3 磁极 磁体上磁性最强的部分叫磁极 小磁针静止时指南的磁极叫做南极 又叫S极 指北的磁极叫做北极 又叫N极 4 磁极间的相互作用 同名磁极相斥 异名磁极相吸 5 变无磁性物体为有磁性物体叫磁化 变有磁性物体为无磁性物体叫退磁 一 磁现象 问题 1 电现象与磁现象有何相似 2 电现象与磁现象有何区别 3 为什么丹麦物理学家奥斯特相信电和磁之间存在关系 4 为什么之前的实验都失败了 纵向力 横向作用 1777年8月14日生于丹麦朗格兰德岛一个药剂师家庭 12岁开始帮助父亲在药房里干活 同时坚持学习化学 由于刻苦攻读 17岁以优异的成绩考取了哥本哈根大学的免费生 他一边当家庭教师 一边在学校学习药物学 天文 数学 物理 化学等 1806年任哥本哈根大学物理学教授 1820年4月发现了电流的磁效应 1821年被选为英国皇家学会会员 1823年被选为法国科学院院士 后来任丹麦皇家科学协会会长 二 电流的磁效应 二 电流的磁效应 奥斯特实验 奥斯特实验 1 实验装置 2 实验现象 当给导线通电时 与导线平行放置的小磁针发生转动 3 注意事项 导线应沿南北方向水平放置 4 实验结论 通电导体对磁体有力的作用 二 电流的磁效应 问题 磁体之间是通过什么发生相互作用的呢 联想 电荷之间是通过什么发生相互作用的呢 电荷之间的相互作用是通过电场发生的 磁体之间的相互作用是通过磁场发生的 电场和磁场都是一种物质 1 磁场 磁体周围空间存在的一种特殊物质 三 磁场 问题 是否只有磁铁周围才存在磁场 磁体 磁体 磁场 2 电流的磁效应 电流能在周围空间产生磁场 磁铁不是磁场的唯一来源 磁体 磁体 磁场 三 磁场 1 磁场 磁体周围空间存在的一种特殊物质 结论 磁体对通电导体有力的作用 磁体与电流之间的相互作用 问题 磁体和通电导体之间的相互作用是通过什么发生的呢 磁体 电流 磁场 三 磁场 2 电流的磁效应 电流能在周围空间产生磁场 问题 电流与电流之间是否有力的作用 结论 同向电流相互吸引 结论 反向电流相互排斥 问题 电流和电流之间的相互作用是通过什么发生的呢 电流 电流 磁场 问题 电流与电流之间是否有力的作用 三 磁场 2 电流的磁效应 电流能在周围空间产生磁场 1 磁场 磁体周围空间存在的一种特殊物质 磁场对放入其中的磁体或通电导体会产生磁力作用 磁体与磁体之间 磁体与通电导体之间 通电导体与通电导体之间的相互作用都是通过磁场发生的 3 磁场的性质 三 磁场 3 2磁感应强度 3 1第三章磁场 1 用哪个物理量来描述电场的强弱和方向 用电场强度来描述电场的强弱和方向 2 电场强度是如何定义的 其定义式是什么 电场强度是通过将一试探电荷放在电场中分析电荷所受的电场力与试探电荷量的比值来定义的 定义式为E 一 磁感应强度的方向 小磁针北极受力的方向 亦即小磁针静止时北极 N 所指的方向规定为该点的磁感应强度的方向 简称为磁场方向 磁场对电流的作用力通常称为安培力 1 保持磁场和通电导线的长度不变 改变电流的大小 2 保持磁场和导线中的电流不变 改变通电导线的长度 探究影响通电导线受力的因素 1 保持磁场和通电导线的长度不变 改变电流的大小 现象 电流越大 导线的偏角越大 结论 在通电导线的长度和磁场不变时 电流越大 导线所受的安培力就越大 2 保持磁场和导线中的电流不变 改变通电导线的长度 结论 在通电导线的电流和磁场不变时 导线越长 导线所受的安培力就越大 精确的实验表明 通电导线在磁场中受到的安培力的大小 既与导线的长度L成正比 又与导线中的电流I成正比 即与I和L的乘积成正比 B F IL 磁感应强度 1 定义 在磁场中垂直于磁场方向的通电导线 所受的安培力F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值叫磁感应强度 2 定义式 B 思考1 一根长度为L的导线通有电流I 当放到磁场中某点时受到的安培力为F 问导线所在处的磁感应强度一定为吗 电流元 很短的一段通电导线中的电流I与导线长度L的乘积IL叫做电流元 思考 有人根据B F IL提出 磁场中某点的磁感应强度B跟磁场力F成正比 跟电流强度I和导线长度L的乘积IL成反比 这种提法有什么问题 错在哪里 磁场中某点的磁感应强度只决定于场源和该点在场中的位置 与在该点放不放通电导线 通电导线的长度 导线中的电流以及导线受力情况无关 5 方向 磁感应强度是矢量 把某点的磁场方向定义为该点的磁感应强度的方向 4 在国际单位制中 磁感应强度的单位是特斯拉 简称特 国际符号是T 1T 1N A m 3 物理意义 B是表示磁场强弱和方向的物理量 是描述磁场力的性质的物理量 若在某一空间同时存在几个磁场 那么该空间中的某点的磁感应强度B应如何确定 6 磁场的叠加若某一空间同时存在几个磁场 空间的磁场应由这几个磁场叠加而成 某点的磁感应强度为B 则有B B1 B2 B3 矢量和 磁感应强度B B的方向 小磁针静止时N极所指的方向 B的大小 B L 注 磁感应强度B为矢量 其由磁场本身属性决定 3 3几种常见的磁场 一 磁感线 把小磁针放在磁体磁场中的不同位置 小磁针静止时的指向一般不相同 小磁针在磁场中静止时的取向反映了磁场的方向 设想一下 如果磁场中各处都连续摆满了小磁针 会是什么现象 磁感线 曲线上任一点的切线方向 与这点上的磁场方向一致 磁感线 实验中常用铁屑来模拟磁感线的形状 利用同样的方法可以得到不同磁体的磁感线分布图 磁感线 磁场中画出一系列有方向的曲线 且使曲线上每一点的切线方向与该点的磁感应强度的方向一致 人们规定 磁场的强弱可以用磁感线的疏密程度来表示 磁感线越密的地方磁场越强 磁感线越稀的地方磁场越弱 磁感线 右图中 B点磁感应强度大于A点 c 磁感线的疏密可以反映磁场的强弱d 任何两条磁感线都不相交 磁感线的特点 a 为形象地描述磁场而人为引入的假想曲线 b 磁感线某点的切线方向表示该点的磁场方向 e 磁感线是封闭曲线 二 几种常见磁场磁感线分布 1 条形磁铁 地磁场 1 地球是一个巨大的磁体 2 地球周围空间存在的磁场叫地磁场 3 地磁的北极在地理的南极附近 地磁的南极在地理的北极附近 但两者并不完全重合 它们之间的夹角称为磁偏角 4 磁偏角的数值在地球上不同地方是不同的 二 几种常见磁场磁感线分布 1 马蹄形磁铁 3 直线电流周围磁场 右手螺旋定则 安培定则 用右手握住导线 让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致 弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向 磁感线为以导线上的各点为圆心的同心圆 且在跟导线垂直的平面上 二 几种常见磁场磁感线分布 直线电流 画出直线电流的磁场的立体 顶视 底视 正视图 课堂练习 问题 如果把通电直导线弯成圆环 那么它周围的磁场又是如何分布 解决方案 用安培定则分析 4 环形电流周围磁场 安培定则 让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致 伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁感线的方向 环形电流的磁场可等效为小磁针或条形磁铁 课堂练习 画出下图环形电流磁感线的俯视图和正视图 立体图 环形电流其实就是只有一匝的通电螺线管 通电螺线管则是由许多环形电流串联而成的 通电螺线管的磁场也就是这些环形电流磁场的叠加 环形电流的安培定则也可以用来判定通电螺线管的磁场 5 通电螺旋管周围磁场 等效 安培定则 用右手握住螺旋管 让弯曲的四指所指的方向跟电流方向一致 大拇指所指的方向就是螺旋管内部磁感线的方向 磁铁和电流都能产生磁场 磁铁的磁场和电流的磁场是否有相同的起源呢 电流是电荷的运动产生的 所以电流的磁场应该是由于电荷的运动产生的 那么 磁铁的磁场是否也是由电荷的运动产生的呢 思考与讨论 证明了运动电荷确实能产生磁场 罗兰的实验 美国科学家罗兰的实验 把大量的电荷加在一个橡胶圆盘上 然后使圆盘绕中心高速转动 在盘的附近用小磁针来检验运动电荷产生的磁场 结果发现小磁针果然发生了偏转 三 安培分子电流假说 通电螺线管外部的磁场与条形磁铁的磁场十分相似 法国学者安培由此受到启发 提出了著名的分子电流假说 法国科学家安培认为 在原子 分子等物质微粒的内部 存在着一种环形电流 分子电流 分子电流使每个分子都成为微小的磁体 它的两侧相当于两个磁极 分子电流假说 分子电流假说对磁化和去磁现象的解释 1 一根软铁棒在未被磁化时 内部各分子电流的取向是杂乱无章的 它们的磁场互相抵消 对外界不显磁性 2 当软铁棒受到外界磁场的作用时 各分子电流的取向变得大致相同 软铁棒就被磁化了 两端对外界显示出较强的磁作用 形成磁极 3 磁体受到高温或猛烈敲打时 会失去磁性 这是因为激烈的热运动或机械振动 使各分子电流的取向变得杂乱了 意义 1 成功解释磁化和消磁现象 3 揭示了电和磁的本质联系 2 揭示了磁性的起源 三 安培分子电流假说 磁现象的电本质 一切磁场都是由运动电荷产生 一切磁现象都是运动电荷周围磁场间的相互作用 1 将小磁针分别放入A B C处时 问 小磁针N极的指向 A 2 在光滑的水平杆上有两个通有同方向的金属圆环 问 两环将怎样运动 靠近或远离 课堂练习 3 如图 一束带电粒子沿水平方向平行的飞过磁针上方时 磁针的N极向纸内偏转 则这束带电离子可能是 A 向右飞行的正粒子束B 向左飞行的正离子束C 向右飞行的负粒子束D 向左飞行的负离子束 AD 四 磁通量 1 定义 在匀强磁场中 有一个与磁场方向垂直的平面 磁场的磁感应强度为B 平面的面积为S 则磁感应强度B和面积S的乘积 就叫做穿过这个平面的磁通量 简称磁通 用字母 表示 2 定义式 BS 条件 匀强磁场 且B S 3 单位 韦伯 Wb 1Wb 1T m2 1 若B S 那么 磁通量又为多少呢 若B与S成 角呢 1 B S时 0 2 B与S成 时 BSsin 思考与讨论 2 磁感应强度是既有大小又有方向的矢量 那么 磁通量呢 磁通量是指穿过平面的磁感线条数 由于磁场具有方向 如图所示 可知穿过的磁感线条数不是6条 而是两条 即磁通量也有方向 但它的运算遵循代数加减法则 故磁通量是标量 3 讨论 如图所示 两个圆形线圈中哪一个的磁通量较大 思考与讨论 磁通量的物理意义 磁感线越密的地方 穿过垂直磁感线单位面积的磁感线条数越多 反之越少 因此垂直穿过单位面积的磁通量的大小 反映了磁感应强度的大小 即在数值上就等于磁感应强度 故磁感应强度又叫磁通密度 有B S 匀强磁场且B S 思考 在如图所示的两种情况中 磁通量是否有区别呢 如何区分 4 磁通量是标量 但有正负之分 磁通量的符号是为了区分磁感线穿过平面的方向不同的 练习1 计算图中穿过平面ABCD的磁通量的大小 练习2 如图所示 两圆环AB同心放置且半径RA RB 将一条形磁铁置于两环的圆心处且与圆环平面垂直 则穿过A B两环所围的面积的磁通量大小是 A A BB A BC A BD 无法判断