第十章 A 电流的磁场

导学

在本章中你将学习：

• 如何判断电流的磁场方向？
• 磁场对电流有怎样的作用？
• 怎样描述磁场？
• 电动机的工作原理是什么？

世界上第一条投入商业运营的磁浮列车已在上海浦东新区开通，全线长31.5 km，最高速度可达430 km/h，走完全程只需8 min，被誉为在地面上“飞”起来的交通工具。磁浮列车是靠T字臂下面的磁体A和列车下部的磁体B之间的相互引力使列车脱离轨道表面约15 mm，处于悬浮状态，然后又在向前的电磁力推动下高速前进的。

磁浮陀螺是一种玩具（图10-2）。陀螺上的A和支架上的B都是永磁体，且它们相对应的面都是同名磁极。由于相互排斥，陀螺可悬浮在支架上方，转动自如。由于它与支撑物相脱离，不发生摩擦，所以，陀螺的转动可维持很久。

我国早在公元前4世纪就已经发现了磁石，并在公元前1世纪利用磁石制成了“司南”，这是世界上最早利用磁石制成的指南针。

但是人类对于磁现象的认识在很长一段时间里没有多大进展，还曾经认为磁和电是两种毫无联系的现象。直到19世纪，奥斯特、安培等科学家先后发现了电流的磁场和磁场对电流的作用后，人们才进一步认识到磁和电之间有着密切的联系。

电流的磁场是怎样发现的？

丹麦物理学家奥斯特（H．C．Oersted，1777 -1851）年轻时就信奉康德哲学思想，认为自然界中各种基本力是可以相互转化的，他深信电和磁有某种联系。为了研究这种联系，他拿一根细铂丝接到电源上，在它的前面放一枚磁针，企图用弯曲的铂丝的尖端来吸引磁针，结果铂丝变灼热，甚至发光了，磁针却纹丝不动。于是，他想到热和光是向四周扩展的，磁的作用会不会也向四周扩展呢？在1820年某天的一个晚上，他在向听众讲电和磁问题时，一边讲一边表演实验，他做完了一些实验后说：“今天我们不妨把导线和磁针平行放置来试试看。”这时他突然发现铂丝附近的小磁针向垂直于导线方向偏转过去，这一现象没有引起在场听众的注意，却使奥斯特激动万分。在此之后的3个月内他先后做了60多个实验，终于发现了电流的磁效应，发表了著名的论文《电的冲突对磁针作用的一些实验》，从此引导出电磁学的一系列新的发现。

现在大家都知道电流附近的小磁针发生偏转的现象是由于电流周围存在着磁场的缘故。

我们已经知道电荷之间的相互作用是通过电场发生的，而磁体与磁体之间的相互作用，以及电流对磁针的作用则是通过磁场发生的，也就是说磁体和电流的周围存在着磁场。

1．电流的磁场（magnetic field）

电流的周围存在着磁场。

怎样形象地描绘磁场？

在初中阶段我们曾经用磁感线来描述磁场的分布状况。在图10-6中看到条形磁铁周围的铁屑会呈有规则排列。这是由于每粒铁屑在磁场中被磁化成小磁针，它们的N、S极因相吸而首尾相接，排列成许多不相交的曲线。这些铁屑的排列形象地显示出磁场的分布情况。

根据上述现象，我们可以假想有这样一些曲线：曲线上任何一点的切线方向就是该点的磁场方向（小磁针静止时N极所指的方向），这些曲线就是磁感线。用磁感线可以形象地表示磁场的分布情况。

2．磁感线（mignetic induction line）

磁场的方向可以用磁感线来描述。磁感线上任何一点的切线方向就是该点的磁场方向（小磁针静止时N极的指向）。

自主活动

将白纸铺平在水平桌面上，分别按图10-7（a）、（b）放置两根条形磁铁，在周围撒上一些细铁屑，并轻轻敲击桌面，观察铁屑的分布情况，并在图中画出磁感线。

大家谈

上图中的磁感线分布是不均匀的，那么它的疏密程度又反映了磁场的什么特点呢。

如何判断电流的磁场方向？

实验告诉我们，在一块水平放置的纸板中间穿过一根通电粗导线，小磁针的指向如图10-8所示。表明直线电流周围的磁感线是一簇同心圆，其方向可以利用右手螺旋定则来判定：用右手握住导线，让伸直的大拇指所指方向跟电流方向一致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁场的方向。

3．右手螺旋定则（right-handed screw rule）

电流的磁场方向可以利用右手螺旋定则来判定。

（1）直线电流磁场方向的判定：

用右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁场的方向。

通常我们用“×”或“·”表示磁场的方向。用一个小圆圈表示导线的截面，里面再加上“×”或“·”表示电流的方向，如图10-9所示。

通电螺线管有与条形磁铁相类似的性质，一端相当于N极，另一端相当于S极。若改变螺线管线圈中的电流方向，螺线管两端的极性也会随之发生变化。可见通电螺线管产生的磁场方向也与电流万向有关。

长直通电螺线管磁场方向与电流方向的关系，也可以用右手螺旋定则来判定，但这时要用右手握住螺线管，让弯曲的四指的指向与电流方向一致，那么伸直的大拇指指向就是通电螺线管内部磁场的方向（图10-10）。

（2）通电螺线管磁场方向的判定：

用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指方向与螺线管中的电流方向一致，伸直的大拇指的指向就是螺线管内部磁场的方向。

自主活动

画出图10-11中电路开关合上后的磁感线和小磁针的指向。

大家谈

当电流通过圆环通电导线（图10-12）时，怎样用右手螺旋定则判定它的磁场方向？图中小磁针的N极指向什么方向？

由上面的讨论可知，电流的周围存在磁场，其方向与电流方向有关。我们可以利用右手螺旋定则来判定电流周围磁场的方向。

STS

生命与磁

在生命科学中，我们已经知道有生物电流存在。由于电和磁是紧密联系的，因此生物也应有磁性和磁场。1963年，美国两位科学家第一次测出心脏有规律的磁场的变化。1970年，一位教授用磁强计描绘出心磁图（图10-13），它与心电图十分相似。由于电流有磁效应，当生命物质发生离子的迁移或电荷的转移、形成生物电流的同时，相伴产生了生物磁场。此外，由于环境污染，人吸入体内的磁性粉尘进入肺部、肠胃时被外磁场磁化后，也会形成磁场。通过测量记录生物磁性，可获得有关生物大分子、细胞、组织结构与功能的各种信息，从而用来诊治疾病。

我国科研工作者曾观察过一些不同年龄、不同职业人员的肺和腹部磁场图谱，检测到某些人群受铁质污染的情况。

图10-14为人体肺部和腹部磁场分布示意图，其中的黑色方块表示磁场变化较大的区域，白色方块表示磁场变化较小的区域，上图是未被铁质污染情况，下囹为被铁质污染后情况。经分析认为，中年人喝入的凉水可能带着水管中的铁质颗粒进入胃肠道；小孩吃罐装鱼可以附带吃入铁质颗粒；电焊工的肺磁图表明他吸入了空气中的电焊形成的铁质粉尘。

大量的试验表明，检测磁图还可以探测心脏、肝脏等各种病变。

此外，外加磁场也会影响生物体细胞内、外离子的活动度，细胞膜电势，酶的活性，细胞的新陈代谢；生物磁场还会对人体的神经、肌肉、心脏、脑等生物电流产生影响，并可干扰或抑制病变过程，调节生理平衡，促进功能的恢复。因此，自古以来就有用磁性材料进行治病的记载，李时珍撰写的《本草纲目》中涉及磁疗的项目有十余种之多。

发布时间：2016/10/16 下午9:35:32  阅读次数：1735