第十一章 磁场参考资料
1．安培简介
安培（A.M.Ampère，1775-1836）是法国物理学家。1775年1月22日诞生于里昂。从小，安培就具有惊人的记忆力，尤其在数学方面有非凡的天赋。他13岁就能理解有关圆锥曲线的原理，并发表了第一篇数学论文，论述了螺旋线。他年轻时生活贫苦，曾在中学教数学。1805年起定居巴黎，1808年任法国帝国大学总学监，后历任巴黎工业大学数学教授，法兰西学院实验物理学教授等职。
1814年当选为法国科学院院士。1827年被选为伦敦皇家学会会员。他还是柏林、斯德哥尔摩等科学院的院士。
安培的兴趣是多方面的，他不但钻研数学，而且对物理学、化学等都感兴趣，还花了大量时间研究过心理学、伦理学等，他在物理学方面的主要贡献是对电磁学的基本原理有重要发现，如安培定律，安培定则和分子电流等。
1820年9月11日安培在法国科学院听到关于奥斯特实验的报告后，引起极大兴趣，第二天就重做了奥斯特的实验，并于9月18日向法国科学院报告了第一篇论文，提出磁针转动方向和电流方向的关系服从右手定则（以后这个定则被命名为安培定则），以后又在短时间内，通过实验和数学归纳，提出数篇论文，阐述了各种形状的曲线载流导体之间的相互作用；提出了表示通电导线在磁场中受力情况的公式，称为安培力公式；发现了环路定律；并且在1821年1月提出了著名的分子电流假说，认为每个分子的圆电流形成一个小磁体，这是形成物体磁性的原因。安培还第一个把研究动电的理论称为“电动力学”，安培还发现，电流在线圈中流动的时候，表现出来的磁性和磁铁相似，创制出第一个螺线管，在这个基础上发明了电流计。安培思考科学问题专心致志，在这方面流传不少佳话。据说有一次，安培在街上走着走着，想出了一个电学问题的算式，正为没有地方运算而发愁，突然，他见到面前有一块“黑板”，就拿出随身携带的粉笔，在上面运算起来，那“黑板”原来是一辆马车的车厢背面。马车走动了，他也跟着走，边走边写；马车越走越快，他就跑了起来，一心一意要完成他的推导，直到他实在追不上马车了才停下脚步。安培这个失常的行动，使当时街上的人笑得前仰后合。1836年6月10日安培因患急性肺炎在马赛去世，终年61岁。后人为了纪念安培，用他的名字来命名电流的单位。
2．探究几种磁性材料
取一段废锯条（高碳工具钢制成）、一条变压器中的硅钢片、一枚铁钉（低碳钢制成，俗名熟铁、软铁）、一根收音机用的磁性天线棒（锰锌铁氧体或镍锌铁氧体制成）。试试它们能否被磁化、剩磁的强弱（反映矫顽力的大小）和去磁的方法，先用条形磁铁的一个极靠近被试物A上端，如图1所示，让A的下端接近铁屑，如铁屑被吸引，表示A被磁化。再移走条形磁铁，看其下端还能否吸住铁屑以及吸住铁屑的多少，以表明剩磁的强弱，据此区别硬磁材料和软磁材料。然后把有剩磁的锯条、铁钌、硅钢片在酒精灯或煤气火焰中烧红后在空气中冷却，检验一下它们是否彻底去磁了。这种去磁法要损伤物体，较好的方法是用由强逐渐减弱的交变磁场去磁。先按图2所示用强磁铁的一个极沿锯条A的侧面由一端向另端多次重复定向运动，使A较好地磁化，然后把锯条放入线圈L中，如图3所示，在给线圈通入适当强度的交流电时，把A由一端逐渐拉出移到远处，然后断电，A就退磁了，这是因为逐渐减弱的交变磁场使A内部各个磁畴的取向变成紊乱了。给录音机的录放磁头消磁的方法和抹音磁头给磁带抹音都是这种原理。做此实验时可用J2409型演示原副线圈的副线圈接到学生电源的8～10V交流输出端。
直流电磁继电器的铁芯用“电工纯铁”（纯度99. 9%）制成，是一种常用的软磁材料，而动圈式扬声器的环形磁体用钡铁氧体或钻镍合金钢制成，是常用硬磁材料，如能找到也进行观察。
3．自制磁电式仪表模型
如图4所示，用直径0.2mm的漆包线绕成8～10匝的矩形空心线圈，宽a＝1.8cm，长b＝2cm，两端留有适当长度的漆包线，在对边中点O，Oʹ绕两圈束紧，再顺轴线方向引出作为转动轴c、cʹ，接着弯成周径约1cm的螺旋d、dʹ作为游丝（弹簧），最后固定在木板上e、eʹ点，余下一段作为引线。将分组实验用的小型电动机模型中的蹄形永久磁铁按图放在线圈外，就做好了磁电式仪表模型。将这线圈与50Ω变阻器串联后接到低压直流电源上，通电后可看到线圈在安培力矩作用下向某一方向转动一定角度。减小R的阻值使电流增强到几个不同值，线圈偏转的角度也增大到不同的值。改变电流方向，线圈向相反方向偏转，注意：电流不可太大，通电时间要短，以免烧毁线圈。
4．关于磁电式电表的一些知识
（1）误差来源：动圈所处的辐射状磁场不均匀，动圈指针系统的重心偏离转动轴，游丝的扭转力矩不严格与扭转角度成正比，表盘分度不均匀，刻度弧线的圆心和指针的转动轴不重合，以上综合表现为线性不良。轴与轴承的摩擦造成示值变动性误差，如每次断电后不能都回零，当电流缓慢增加或减少到同一值时，指针的示值却有些不同。磁钢退磁，温度升高时铜丝绕成的动圈电阻增加大于锰铜丝制成的分流电阻的增加，改变了分流比，这些都将使示值偏小，是系统误差。游丝弹性疲劳。外界磁场干扰也造成误差，如学生电表未加磁屏蔽，互相靠近时示值都将变化。
（2）准确度等级：表示正常条件下电表的基本误差。如J0407型电流表和J0408型电压表都是2.5级，表示在任何示值时示值与标准值之差与电表满度值的百分比都不超过±2.5%。
对于0～3A挡，示值的最大可能绝对误差ΔI＝±2.5%×3＝±0.075A。欧姆表的准确度定义则不同，如J0411型万用表电阻挡标以数字“2.5”，表示在任何一处的示值误差不超过标尺弧线全长的±2.5%。
（3）磁电式电流表的刻度均匀分布：圆柱形软铁心的作用是加强它与极靴间空隙处的磁感应强度，并使此处磁感应强度均匀地沿径向分布，这样一来，无论线圈转到什么位置，磁力矩的大小都相等，并可表示为
M1＝NBIS。（N为线圈匝数，S为线圈面积，I为通入的待测电流，B为磁感应强度）
当线圈转动时，螺旋弹簧（游丝）发生形变，因而产生反抗力矩M2，阻止线圈继续转动，线圈转角θ越大，游丝形变越大，反抗力矩M2也越大。实验证明，M2与θ成正比，即M2＝αθ，式中α叫做游丝的扭转常数。可见，对于一定的待测电流I来说，线圈所受的磁力矩M1是一定的，而游丝的反抗力矩M2却随着线圈转角的增大而增大。所以，线圈必定在某一转角θ处稳定下来，这时两个力矩达到平衡，故有NBIS＝αθ，或者改写为
（以上部分内容引自人民教育出版社物理选修3-1《教师教学用书》2006版）
5．安培研究电流相互作用的四个精巧实验
为了定量研究电流之间的相互作用，安培设计了四个极其精巧的实验，并在这些实验的基础上进行数学推导，得到普遍的电动力公式，为电动力学奠定了基础。这四个实验用的都是示零法，得到了精确可靠的结果。
第一个实验证明电流反向，作用力也反向。安培用一无定向秤检验对折的通电导线有无磁力作用。所谓无定向秤，实际上是两个方向相反的通电线圈（如图5），悬吊在水银槽下。如果两个线圈受力不均衡，就会发生偏转。实验结果是：当对折导线通电时，无定向秤丝毫不动，证明大小相等、方向相反的两个靠得很近的电流对另一电流产生的吸力和斥力在绝对值上是相等的。
第二个实验证明磁作用的方问性，安培仍用无定向秤，将对折导线中的一根绕成螺旋状（如图6），结果也是没有作用，说明弯曲的电流和直线的电流是等效的，因此可以把弯曲电流看成是许多小段电流（即电流元）组成，它的作用就是各小段电流的矢量和。
第三个实验研究作用力的方向。安培把圆弧形导体架在水银槽上，经水银槽通电（如图7）。改变通电回路或用各种通电线圈对它作用，圆弧导体都不动，说明作用力一定垂直于载流导体。
第四个实验检验作用力与电流及距离的关系，安培用三个相似的线圈（如图8），其半径之比分别等于其距离之比。通电后，中间的线圈丝毫不动，说明第一个线圈和第三个线圈对第二个线圈的作用相互抵消，由此得出结论：载流导线的长度与作用距离增加相同倍数时，作用不变。
在这些实验的基础上，安培推出了普遍的电动力公式，即：两电流元之间的作用力为：
其中θ1、θ2分别为电流元i1ds1、i2ds2与其联线的夹角，ω为电流元平面之间的夹角；k为一常数，后来安培确定
这个公式为安培的电动力学提供了基础，值得注意的是，安培的电动力公式从形式上看，与牛顿的万有引力定律非常相似。安培正是遵循牛顿的路线，仿照力学的理论体系，创建了电动力学，他认定电流元之间的相互作用力是电磁现象的核心，电流元相当于力学中的质点，它们之间存在超距作用，就像万有引力一样。
（引自清华大学出版社郭奕玲沈慧君编著《物理学史》）
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