2.1 磁的基本现象和基本规律.ppt

《2.1 磁的基本现象和基本规律.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2.1 磁的基本现象和基本规律.ppt（28页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第二章第二章 恒磁场恒磁场n 奥斯特实验奥斯特实验 安培定律安培定律n 毕奥萨筏尔定律毕奥萨筏尔定律n 安培环路定理安培环路定理n 磁场磁场“高斯定理高斯定理”磁矢势磁矢势n 磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用n 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动1.磁的基本现象和基本规律磁的基本现象和基本规律 二、奥斯特实验二、奥斯特实验一、磁的库仑定律一、磁的库仑定律磁铁对磁铁的作用磁铁对磁铁的作用同号的磁极互相排斥，异号的磁极互相吸引同号的磁极互相排斥，异号的磁极互相吸引奥斯特实验及其意义n19世纪世纪20年代前，磁和电年代前，磁和电是独立发展的，新的实验是独立发展的，新的实验现象打破了

2、这种格局。现象打破了这种格局。n奥斯特奥斯特,丹麦物理学家丹麦物理学家 Hans Christian Oersted深深受康德哲学关于受康德哲学关于“自然力自然力”统一观点的影响，试图统一观点的影响，试图找出电、磁之间的关系找出电、磁之间的关系奥斯特实验1820年年7月月电流对磁铁的作用电流对磁铁的作用奥斯特实验表明n长直载流导线与之平行放置的磁针长直载流导线与之平行放置的磁针受力偏转受力偏转电流的磁效应电流的磁效应n磁针是在水平面内偏转的磁针是在水平面内偏转的横向力横向力n突破了非接触物体之间只存在有心突破了非接触物体之间只存在有心力的观念力的观念拓宽了作用力的类型拓宽了作用力的类型意义：意

3、义：n揭示了电现象与磁现象的联系揭示了电现象与磁现象的联系n宣告电磁学作为一个统一学科诞生宣告电磁学作为一个统一学科诞生n历史性的突破历史性的突破n此后迎来了电磁学蓬勃发展的高潮此后迎来了电磁学蓬勃发展的高潮评价：评价：Ampere写写道道：“Oerster先先生生已已经经永永远远把把他他的的名名字字和和一一个个新新纪纪元联系在一起了元联系在一起了”Faraday评评论论说说：“它它突突然然打打开开了了科科学学中中一一个个一一直直是是黑黑暗暗的的领领域域的的大门，使其充满光明大门，使其充满光明”二、相关实验二、相关实验平行电流间的相互作用平行电流间的相互作用磁铁对电流的作用磁铁对电流的作用Am

4、pere通电导线受通电导线受马蹄形磁铁马蹄形磁铁作用而运动作用而运动螺线管与磁铁相互作用时显示出N极和S极 实验表明载流螺线管相当实验表明载流螺线管相当于磁棒，螺线管的极性与于磁棒，螺线管的极性与电流成电流成右手螺旋关系右手螺旋关系。一系列实验表明 磁铁 磁铁 电流 电流 都存在相互作用爱因斯坦指出：爱因斯坦指出：n“提出一个问题往往比解决一个问提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许题更重要，因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能仅仅是一个数学上或实验上的技能而已，而而已，而提出新的问题提出新的问题，新的可能，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却性，从新的角度

5、去看旧的问题，却需要有创造性的想像力，而且需要有创造性的想像力，而且标志标志着科学的真正进步着科学的真正进步。”三、研究课题三、研究课题n毕奥萨筏尔的研究课题毕奥萨筏尔的研究课题n安培的研究课题安培的研究课题n电流产生磁的逆效应电流产生磁的逆效应n电、磁相互作用的传递问题电、磁相互作用的传递问题毕奥萨筏尔的研究课题毕奥萨筏尔的研究课题n寻找电流元对磁极作用力的定量规律寻找电流元对磁极作用力的定量规律n认认为为电电流流对对磁磁极极的的作作用用力力是是自自然然界界的的基基本力本力n受受Oester横横向向力力的的影影响响，认认为为每每一一个个电电流流元元对对磁磁极极的的作作用用力力也也垂垂直直于于

6、导导线线与与磁磁极极构成的平面构成的平面n困难是无孤立的电流元困难是无孤立的电流元关键是找到几何关系关键是找到几何关系把把电流分割成电流分割成许多电流元许多电流元还和几何因素如还和几何因素如有关有关即解决了电流产生磁场的规律（见下节）即解决了电流产生磁场的规律（见下节）安培的研究课题安培的研究课题n几乎在同样的背景下，安培提出的几乎在同样的背景下，安培提出的问题更深入，显示出大师的风范问题更深入，显示出大师的风范n安培认为：安培认为：n磁现象的本质是电流磁现象的本质是电流n物质的磁性来源于物质的磁性来源于“分子分子”电流电流n这是安培根据实验的种种表现作出这是安培根据实验的种种表现作出的重要的

7、抽象的重要的抽象“分子分子”电电流流n所谓所谓“分子分子”，是指构成物质的基，是指构成物质的基元，元，当时对物质结构和分子、原子当时对物质结构和分子、原子的认识还很肤浅的认识还很肤浅 n每个分子都有电流环绕着，当分子每个分子都有电流环绕着，当分子排列整齐时，它们的电流合起来就排列整齐时，它们的电流合起来就可以满足磁棒的磁性所需要的电流可以满足磁棒的磁性所需要的电流 n磁化可视为使物质中的分子电流排磁化可视为使物质中的分子电流排列整齐显示出总体效果列整齐显示出总体效果n以以“分子电流分子电流”取代磁荷取代磁荷 能解释磁棒与载流螺线管的能解释磁棒与载流螺线管的等效性等效性n可将种种磁相互作用归结为

8、电流之可将种种磁相互作用归结为电流之间的相互作用间的相互作用电流磁场电流电流磁场电流n提出寻找任意提出寻找任意两个电流元两个电流元之间作用之间作用力的定量规律力的定量规律即可解决磁相互即可解决磁相互作用的问题作用的问题困困难难：恒恒定定电电流流只只能能存存在在于于闭闭合合回回中中，而而闭闭合合回回路路的的形形装和大小可千变万化。装和大小可千变万化。n同样是无孤立的电流元同样是无孤立的电流元n两电流元及两者连线三两电流元及两者连线三者不共面者不共面n涉及的几何因素更多，涉及的几何因素更多，难度增大难度增大n安培精心设计了四个实安培精心设计了四个实验来解决这些困难验来解决这些困难n无定向秤无定向秤

9、n实验一：实验一：n用用对折导线对折导线，在其中通以大小，在其中通以大小相等、方向相反的电流相等、方向相反的电流n把它移近无定向秤附近的不同把它移近无定向秤附近的不同部位，观察无定向秤的反应部位，观察无定向秤的反应n结果：无定向称不动结果：无定向称不动n说明：当电流反向时，它产生说明：当电流反向时，它产生的作用力也反向的作用力也反向n数学表达：数学表达：n实验二：实验二：n用载流曲折线对无定向秤作用，结果与载用载流曲折线对无定向秤作用，结果与载流直导线的作用一样流直导线的作用一样n说明电流元具有矢量性说明电流元具有矢量性,表为表为 n实验三：实验三：n装置如图装置如图n只只允允许许圆圆弧弧形形

10、导导体体沿沿其其切切线线方方向运动而不允许圆弧形导体沿向运动而不允许圆弧形导体沿着与其垂直的方向运动着与其垂直的方向运动n结果：圆弧导体不动结果：圆弧导体不动n说说明明：作作用用在在电电流流元元上上的的力力是与它垂直的是与它垂直的横向力横向力n实验四实验四n圆圆线线圈圈A、B、C线线度度之之比比为为1/n：1：n，A与与B的的距距离离以以及及线线圈圈B与与C的的距距离离比比为为1：n，A与与C固固定定，并并串串联联，其其中中电电流流相相同同，线线圈圈B可可以以活活动动，通通以以另另一电流一电流n结果：结果：B B不动不动n结结论论：所所有有几几何何线线度度增增加加同同一一倍倍数数时时，作作用用

11、力力的的大大小不变小不变安培给出的公式安培给出的公式n根据安培的假设：两个电流元之间的相互作用沿根据安培的假设：两个电流元之间的相互作用沿它们的联线，相当于承认它们的联线，相当于承认 n假设的目的是假设的目的是期望期望电流元之间相互作用力满足电流元之间相互作用力满足牛顿第三定律，由此推出的公式牛顿第三定律，由此推出的公式内含各项都内含各项都是标量是标量两者方两者方向相反向相反P90（2.14)n实际实际没有孤立的电流元，两个孤立电流元不一定没有孤立的电流元，两个孤立电流元不一定满足牛顿第三定律，横向力，并不一定沿连线，满足牛顿第三定律，横向力，并不一定沿连线，此条件应该此条件应该去掉去掉四四.

12、安培定律安培定律1.电流元电流元2.安培定律安培定律dF12为电流元为电流元1给电流元给电流元2的力的力 故故3.矢量式矢量式同理同理图图4.3矢积手势矢积手势被被Maxwell誉誉为为“科科学学中中最最光光辉辉的的成成就就之之一一”Ampere本人则被誉为本人则被誉为“电学中的电学中的Newton”两电流元共面两电流元共面两电流元不共面两电流元不共面启示启示 n安安培培从从错错综综复复杂杂的的现现象象与与联联系系中中，提提炼炼出出磁磁现现象象的本质的本质独具慧眼；独具慧眼；n提提出出寻寻找找电电流流、电电流流之之间间的的相相互互作作用用的的定定量量规规律律问问题题问问题题的的深深度度、广广度

13、度和和重重要要性性高高于于其其他他同同代代人人提提出出的的问问题题，显显示示出出大大师师风风范范，也也反反映映了了正正确抽象、洞察本质的重要性；确抽象、洞察本质的重要性；n在在解解决决问问题题上上，面面对对难难以以测测量量的的困困难难，巧巧妙妙地地设设计计示示零零实实验验，设设计计与与理理论论猜猜测测相相结结合合，揭揭示示出出电电流流元元相相互互作作用用应应具具有有的的特特点点，采采用用矢矢量量点点乘乘、叉叉乘来表示乘来表示dl1、dl2、r12之间的关系之间的关系；进一步提出的课题进一步提出的课题n电流产生磁的逆效应的问题电流产生磁的逆效应的问题n n将导致电磁感应现象的发现将导致电磁感应现象的发现n电、磁相互作用的传递问题电、磁相互作用的传递问题n n超距作用和近距作用的论争再次激超距作用和近距作用的论争再次激化，将导致电磁场理论的建立化，将导致电磁场理论的建立【例例1】：平行电流元之相互作用。平行电流元之相互作用。【例例2】：垂直电流元之相互作用。垂直电流元之相互作用。1.两电流元之相互作用不满足牛顿第三运动定律（但实际中两电流元之相互作用不满足牛顿第三运动定律（但实际中不存在孤立电流元）；不存在孤立电流元）；2.两闭合电流之积分相互作用仍满足牛顿第三运动定律。两闭合电流之积分相互作用仍满足牛顿第三运动定律。图图4.5垂直电流元垂直电流元图图4.4平行电流元平行电流元