本章研究真空中本章研究真空中稳恒电流稳恒电流所激发的恒定磁场的物理性质所激发的恒定磁场的物理性质磁感应强度的定义磁感应强度的定义毕奥毕奥-萨伐尔定律萨伐尔定律磁场的高斯定理与安培环路定理磁场的高斯定理与安培环路定理 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动磁场对电流的作用磁场对电流的作用有磁介质时的高斯定理与安培环路定理有磁介质时的高斯定理与安培环路定理包括包括恒定电流的磁场恒定电流的磁场1. 1. 1. 1. 基本磁现象基本磁现象基本磁现象基本磁现象中国在磁学方面的中国在磁学方面的贡献：献：最早最早发现磁磁现象：磁石吸引象：磁石吸引铁屑屑春秋春秋战国国吕氏春秋氏春秋记载 东汉王充王充论衡衡描述：描述：司南勺司南勺最早的指南器具最早的指南器具 十一世十一世纪沈括沈括发明指南明指南针，发现地磁偏角，地磁偏角，十二世十二世纪已有关于指南已有关于指南针用于航海的用于航海的记载司南勺司南勺磁现象的发现比电现象早很多磁现象的发现比电现象早很多公元前六、七世纪就已有了公元前六、七世纪就已有了关于天然磁石的记载。关于天然磁石的记载。早期的磁早期的磁现象包括象包括:(1)磁性磁性：天然磁：天然磁铁吸引吸引铁、钴、镍等物等物质。 (2)条条形形磁磁铁两两端端磁磁性性最最强，称称为磁磁极极。一一只只能能够在在水水平平面面内内自自由由转动的的条条形形磁磁铁，平平衡衡时总是是顺着着南南北北指指向向。指指北北的的一一端端称称为北北极极或或N极极，指指南南的的一一端端称称为南南极极或或S极极。同同性性磁磁极极相相互互排排斥斥，异异性性磁磁极极相相互互吸吸引引。说明明磁磁极极间有有相相互互作作用用力力，此此作用力称作用力称为磁磁场力或磁力。力或磁力。 (3)把把磁磁铁作作任任意意分分割割，每每一一小小块都都有有南南北北两两极极，任一磁任一磁铁总是是两极同两极同时存在存在。 (4)某某些些本本来来不不显磁磁性性的的物物质，在在接接近近或或接接触触磁磁铁后就有了磁性，后就有了磁性，这种种现象称象称为磁化磁化。磁磁现象与象与电现象有没有象有没有联系？系？奥斯特奥斯特 1819年年 奥斯特奥斯特奥斯特奥斯特 发现，放在载发现，放在载流导线周围的磁针会受到磁力作流导线周围的磁针会受到磁力作用而发生偏转。用而发生偏转。奥斯特奥斯特发现电流发现电流的磁效应后，人们才认识到磁与的磁效应后，人们才认识到磁与电的密切联系。电的密切联系。 1820年，年，安培安培安培安培发现放在磁铁附近的载流导线或发现放在磁铁附近的载流导线或线圈也会受到磁力作用而发生运动，而后又发现线圈也会受到磁力作用而发生运动，而后又发现载流导线之间也会发生相互作用。载流导线之间也会发生相互作用。 1822年年安培安培安培安培由此提出了物质由此提出了物质磁性本质磁性本质的假说，即的假说，即一切磁现象的根源是一切磁现象的根源是电流电流，构成物质的分子中都存在，构成物质的分子中都存在有回路电流有回路电流分子电流分子电流 安培分子安培分子电流假流假说与近代关于原子和分子与近代关于原子和分子结构的构的认识相吻合。原子是由原子核和核外相吻合。原子是由原子核和核外电子子组成的，成的，电子子的的绕核运核运动就形成了就形成了经典概念的典概念的电流。流。 磁磁现象与象与电现象有很多象有很多类似，但自然界有独立存似，但自然界有独立存在的在的电荷，至今却没找到独立存在的磁荷，即所荷，至今却没找到独立存在的磁荷，即所谓“磁磁单极子极子”。寻找找“磁磁单极子极子”是当今科学界面是当今科学界面临的重大的重大课题之一。之一。 每一分子每一分子电流相当于一个基元磁流相当于一个基元磁铁，其两极，其两极对应于分子于分子电流的正反两面，无法流的正反两面，无法单独存在。独存在。物物质的磁性决定于物的磁性决定于物质中中这些分子些分子电流流对外磁效外磁效应的的总和。和。一切磁现象都来源于电荷的运动（电流）一切磁现象都来源于电荷的运动（电流）磁力就是运动电荷之间的一种相互作用力磁力就是运动电荷之间的一种相互作用力 运动电荷在周围空间激发磁场，电流或运动运动电荷在周围空间激发磁场，电流或运动电荷之间相互作用的磁力是通过磁场而作用的电荷之间相互作用的磁力是通过磁场而作用的,磁磁场是物质存在的一种形式场是物质存在的一种形式。运动运动电荷电荷磁场磁场运动运动电荷电荷磁场的特征：磁场的特征：（1）在磁场中的运动电荷、载流导体、）在磁场中的运动电荷、载流导体、 磁性介质等磁性介质等受磁场力作用受磁场力作用。（2）载流导体在磁场中运动时，磁力做功。）载流导体在磁场中运动时，磁力做功。 磁场具有能量磁场具有能量2 磁感应强度磁感应强度磁感应强度的引入磁感应强度的引入磁感应强度的引入磁感应强度的引入 设带电量量为q，速速度度为v的的运运动试探探电荷荷处于于磁磁场中，中，实验发现： （2）在在磁磁场中中的的p点点处存存在在着着一一个个特特定定的的方方向向，当当电荷荷沿沿此此方方向向或或相相反反方方向向运运动时，所所受受到到的的磁磁力力为零零，与与电荷荷本本身身性性质无无关关，定定义该方方向向为磁磁场方方向向; （1）当当运运动试探探电荷荷以以同同一一速速率率v沿沿不不同同方方向向通通过磁磁场中中某某点点 p 时，电荷荷所所受受磁磁力力的的大大小小是是不不同同的，但的，但磁力的方向却磁力的方向却总是与是与电荷运荷运动方向方向 垂直；垂直； （3）在在磁磁场中中的的p点点处，电荷荷沿沿与与上上述述特特定定方方向向垂垂直直的的方方向向运运动时所所受受到到的的磁磁力力最最大大(记为Fm)， 并并且且Fm与与qv的比的比值是与是与q、v无关的确定无关的确定值。方向：方向：小磁小磁针平衡平衡时N 极的指向极的指向大小：大小：单位：位：特斯拉（特斯拉（T） 高斯（高斯（Gs） 由由实验结果果可可见，磁磁场中中任任何何一一点点都都存存在在一一个个固固有有的的特特定定方方向向和和确确定定的的比比值Fm/(qv)，与与试验电荷荷的的性性质无无关关，反反映映了了磁磁场在在该点点的的方方向向和和强弱弱特特征征，为此，定此，定义一个一个矢量函数矢量函数：磁感磁感应强度度3. 3. 3. 3. 磁场的高斯定理磁场的高斯定理磁场的高斯定理磁场的高斯定理几种不同形状电流磁场的磁感应线几种不同形状电流磁场的磁感应线3.1磁场的描绘磁场的描绘：磁感应线：磁感应线 规定定：磁感：磁感应线的切的切线方向方向为该点的磁点的磁场方向；方向；通通过磁磁场中中某某点点处垂垂直直于于 矢矢量量的的单位位面面积的的磁磁感感应线数数等等于于该点点 的的大大小小。磁磁感感应线越越密密，磁磁场越越强；磁磁感感应线越越稀稀，磁磁场就就越越弱弱，磁磁感感应线的的分分布布能形象地反映磁能形象地反映磁场的方向和大小特征。的方向和大小特征。切向：该点切向：该点 方向方向疏密：正比于该点疏密：正比于该点 的大小的大小3.2 磁通量磁通量磁通量：磁通量：垂直穿垂直穿过磁磁场中任一中任一给定曲面的磁感定曲面的磁感线总数数。 对于于曲曲面面上上的的非非均均匀匀磁磁场，一一般般采采用用微微元元分分割割法法求其磁通量。求其磁通量。dSn磁感应线的性质磁感应线的性质与与电流相互套流相互套连无起点、无无起点、无终点的点的闭合曲合曲线 互不相交互不相交环绕方向与方向与电流流向互成右手螺旋关系流流向互成右手螺旋关系电流磁感应线单位：位：韦伯伯(Wb)对所取微元，磁通量：所取微元，磁通量：对整个曲面，磁通量：整个曲面，磁通量：dSn 穿穿过任任意意闭合合曲曲面面S的的总磁磁通通量量必必然然为零零，这就就是磁是磁场的的高斯定理高斯定理。说明磁明磁场是是无源无源场。3.3 稳恒稳恒磁场的高斯定理磁场的高斯定理通通过闭合曲面的合曲面的电通量通量闭合曲面内的合曲面内的电量量 由由磁磁感感应线的的闭合合性性可可知知，对任任意意闭合合曲曲面面，穿穿入入的的磁磁感感应线条条数数与与穿穿出出的的磁磁感感应线条条数数相相同同，因因此，通此，通过任何任何闭合曲面的磁通量合曲面的磁通量为零。零。高斯定理的高斯定理的积分形式积分形式磁场是无源场磁场是无源场磁感应线闭合成环，无头无尾磁感应线闭合成环，无头无尾不存在磁单极。不存在磁单极。电高斯：高斯：2. 磁场叠加原理磁场叠加原理若空间不止一个运动电荷，则空间某点总磁感若空间不止一个运动电荷，则空间某点总磁感应强度等于各运动电荷单独在该点激发的磁感应强度等于各运动电荷单独在该点激发的磁感应强度的矢量和：应强度的矢量和：一电子以速度 垂直地进入磁感应强度为 的均匀磁场中，此电子在磁场中运动轨道所围的面积内的磁通量将：(A)正比于B，反比于 。(B)反比于B，正比于 。(C)正比于B，反比于 。(D)反比于B，反比于 。提示：磁场力提供向心力正确答案：（B）