第十五章穩恒磁場第1頁15-1磁場磁感應強度一、磁基本現象

我國是世界上最早發覺和應用磁現象國家之一，早在公元前300百年就發覺磁鐵吸引鐵現象。在十一世紀我國已制造出指南針（司南）(compass)。《山海經》中有“山中有磁石者，必有赤金。”《水經注》記載，秦始皇阿房宮有“北闕門”用磁石做成，以防刺客。1．磁現象早期結識第2頁（1）同號磁極有互相排斥力，異號磁極有互相吸引力（磁鐵間互相作用力稱為磁力）（2）磁鐵分割成小段，小段仍有兩極（磁荷假說）（3）鐵棒能夠被磁化人們最早結識磁現象是從天然磁鐵開（稱天然磁鐵為永恒磁鐵）。對其基本現象結識歸納如下：磁鐵間互相作用SNSN第3頁二、磁力、磁性起源

在1823年此前，人們對磁現象研究僅限于磁極（magniticpole）磁極間互相作用。而把磁與電分割開來，看作彼此無關。

奧斯特（HansChristanOersted，1777-1851）

丹麥物理學家，發覺了電流對磁針作用，從而造成了19世紀中葉電磁理論統一和發展。

丹麥物理學家奧斯特─一位康德哲學思想信奉者，就堅信：客觀世界多種力具有統一性。并開始對電與磁統一性進行研究。第4頁科學真正突破，就在于打破思維定勢束縛，創建新科學概念。1823年4月某天晚上，奧斯特在講課過程中突然來了靈感，就在將近下學時，奧斯特說，讓我把導線與磁針平行放置來試試看于是他毫不躊躇地在大庭廣眾面前接上了電源。第5頁他發覺：閉合電鍵瞬刻，通電導線附近磁針微微跳動了一下！這個奧斯特日夜盼望現象對停課人毫無影響！但奧斯特卻激動無比，他立即中斷講座回到試驗室，苦苦進行了三個月連續試驗研究，終于在1823年7月21日刊登了題為《有關磁針上電流碰撞試驗》論文。這篇僅用4頁紙寫成極其簡潔試驗報告，向科學界宣布了電流磁效應，轟動整個歐洲。這一天作為劃時代日子載入史冊。《電磁學》就此誕生！第6頁奧斯特發覺立即引發法國數學家物理學家安培（A.M.Ampere）注意安培假如電流激發磁場能作用于磁性物質，那么它也應能作用于電流！他想法是：他在短短幾個星期內對電流磁效應作了系列研究。發覺不但電流對磁針有作用，并且兩個電流之間彼此也有作用。安培提出分子電流(molecularcurrent)假設。第7頁安培演示電流互相作用裝置（復制品）第8頁電流與電流之間互相作用II第9頁電流與電流之間互相作用IIFF第10頁+磁場對運動電荷作用電子束第11頁S+磁場對運動電荷作用N電子束第12頁II思想深邃科學家自問：磁鐵究竟是什么？假如磁場是由電荷運動激發，那么來自一塊磁鐵磁場是否也也許是由于電流效果呢？我們得把問題引向一種更深層次安培用通電螺線管較好地模擬了一種磁針：第13頁從這個試驗看來，一塊磁鐵，猶如一種永恒環形電流。第14頁第15頁安培還注意到，地球也猶如一種大磁鐵，它南北極指向就猶如地球上有自東向西繞行電流。第16頁安培分子環流假說天然磁性產生也是由于磁體內部有電流流動。分子電流電荷運動是一切磁現象本源。等效環形電流第17頁解釋磁現象：（1）.天然磁鐵磁性（分子流）（2）.磁化現象（分子磁矩轉向）人們結識到磁性本源：電荷運動。第18頁當代物理已經充足把握，原子核外電子繞核高速運動，同步電子尚有自旋運動。核外電子這些運動整體上體現為分子環流，這便是物質磁性基本起源。不過，安培分子環流說至今還只能是一種假說。有三個疑點到目前尚未查明：①磁單極子（magneticmonopole）所謂磁單極子，就是只有N極或只有S極最小磁性物質單元。第19頁從安培假說能夠解釋為何不存在磁單極子(單獨N極或S

極)，這正是分子環流成果。不過，量子力學創始人之一狄拉克從相對論性量子理論出發，預言磁單極子是應當存在，并且由此能夠解釋電荷量子化。第20頁這種電荷與磁荷內在聯系，從對稱性角度看來是十分誘人。近年來，許多科學家都在致力于對磁單極子摸索。不過這種摸索將是十分困難，據“大統一”理論，磁單極子應當在宇宙演化極早期（～10-35s）超高能狀態（～1023eV、～1027K）下產生，伴隨宇宙膨脹、溫度減少而急劇相變，至今若尚有殘余話，也是極為稀少了。美國斯坦福大學一種研究小組在試驗室中安頓了一種超導鈮線圈，守株待兔似企圖捕捉宇宙射線中也許存在磁單極子從中穿過。1982年一天，該小組突然宣布，他們統計到一種事件，經測定與狄拉克預言磁單極子穿過該線圈將會引發磁通量跳變完全吻合，因而找到了一種磁單極子存在證據！第21頁這天正是西方情人節斯坦福大學這個探測成果只是一種不能重現孤立事件，在沒有其他試驗室認同情況下，是不能作為對磁單極子認定結論。合法全世界都在為人們成雙成對慶祝時候，物理學家卻為他們找到了孤單磁單極子而歡呼雀躍！一位專欄作家風趣地評論道：第22頁所有磁現象可歸結為運動電荷AA磁場B磁場產生作于用產生作于用運動電荷

B+第23頁將一試驗電荷射入磁場，運動電荷在磁場中會受到磁力作用。對比靜電場場強定義①θ＝0時Fm=0，1.磁感應強度定義：試驗表白

q0時Fm達成最大值②三、磁感應強度(MagneticInduction)第24頁定義SI單位：T（特斯拉）工程單位常用高斯（G）磁感應強度是反應磁場性質物理量，與引入到磁場運動電荷無關。將Fm=0時速度方向定義為方向

q0第25頁寫成矢量式─羅侖茲力運動電荷受到磁場力為第26頁解：一般物理學教案例題1：一電子在磁場中運動，以速率v通過A點求磁感應強度當時，測得若，一種分力由由于第27頁資料原子核表面～1012T中子星表面～106T目前最強人工磁場～7×104T太陽黑子內部～0.3T太陽表面～10-2T地球表面～5×10-5T人體～3×10-10T第28頁2.電場與磁場相對性靜止電荷激發靜電場運動電荷激發電場磁場靜電場對電荷q作用力與它運動速度無關。靜止電荷對運動電荷作用仍滿足庫侖定律。不因運動而不一樣。試驗證明了這一點。如在示波管中兩個靜止平行帶電平板間形成靜電場，對通過板間電子束偏轉試驗測量表白，作用在電子上力確實與電子速度無關。都用來計算。第29頁電場和磁場都由電荷產生，也都由電荷受力情況來檢查。那么，這兩種場之間究竟有什么本質區分呢？眾所周知，電荷靜止與運動都是相對觀測者而言，我們對運動與靜止描述依賴于所選擇參照系，這樣看來，電場和磁場區分，也只有相對意義了。詳細地說：給定一試驗電荷，在不一樣參照系上，測定該試驗電荷受力情況從而識別其周圍空間電場和磁場，所得描述成果是不一樣。不一樣參照系間電場和磁場滿足羅侖茲變換─相對論性關系。第30頁相對論建立將告訴我們，電場力和磁場力是同一種性質力。因此，電和磁并不是互相獨立現象，必須將它們作為一種完整場─電磁場而結合在一起結識。第31頁15.2磁通量磁場中高斯定理1.磁感應線用磁感應線描述磁場辦法是：在磁場中畫一簇曲線，曲線上每一點切線方向與該點磁場方向一致，這一簇曲線稱為磁感應線。①方向：曲線上一點切線方向和該點磁場方向一致。②大小：磁感應線疏密反應磁場強弱。第32頁通過無限小面元dS磁感應線數目d

m與dS比值稱為磁感應線密度。我們要求磁場中某點磁感應強度值等于該點磁感應線密度。③性質：磁感應線是無頭無尾閉合曲線，磁場中任意兩條磁感應線不相交。磁感應線與電流線鉸鏈又稱磁通密度(magneticfluxdensity)第33頁直線電流磁感應線II第34頁BI圓電流磁感應線第35頁通電螺線管磁感應線I第36頁中子星磁感應線第37頁2.磁通量（magneticflux）通過磁場中任一面積磁感應線數稱為通過該面磁通量，用

m

表達。①均勻磁場，磁感應線垂直通過S②均勻磁場，S法線方向與磁場方向成

角第38頁③磁場不均勻，S為任意曲面④S為任意閉合曲面要求：dS正方向為曲面上由內向外法線方向。磁感應線穿入，為負；穿出，為正。則