第十三章 1 磁场 磁感线

利用电磁波，天文学家不仅可以用眼睛“看”宇宙，也可以用耳朵“听”宇宙。这个“耳朵”就是射电望远镜。从外观上看，大多数射电望远镜都有抛物面形状的金属天线，能把来自遥远天体的无线电波会聚到一点，从而捕捉来自太空的信息。

正是对电与磁的研究，发展成了电磁场与电磁波的理论。发电机、电动机、电视、移动电话等的出现，使人类进入了电气化、信息化时代。

第十三章 1 磁场 磁感线

自从牛顿奠定了理论物理学的基础以来，物理学的公理基础的最伟大变革，是由法拉第、麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的。

——爱因斯坦

问题

我国春秋战国时期的一些著作已有关于磁石的记载和描述。指南针是我国古代四大发明之一。12 世纪初，我国已将指南针用于航海，宋俑持罗盘者就记录了这个科技史实。

你是否感受到，凡是用到电的地方，几乎都有磁现象相伴随？你知道电和磁有怎样的联系吗？

电和磁的联系

自然界中的磁体总存在着两个磁极，自然界中同样存在着两种电荷。不仅如此，磁极之间的相互作用，与电荷之间的相互作用具有相似的特征：同名磁极或同种电荷相互排斥，异名磁极或异种电荷相互吸引。但是，直到 19 世纪初，库仑、英国物理学家杨和法国物理学家安培等都认为电与磁是互不相关的两回事。

不过，在 18 世纪和 19 世纪之交，随着对摩擦生热及热机做功等现象认识的深化，自然界各种运动形式之间存在着相互联系并相互转化的思想，在哲学界和科学界逐渐形成。丹麦物理学家奥斯特相信，电和磁之间应该存在某种联系，并开始了不懈的探索。当时人们见到的力都沿着物体连线的方向。受这个观念的局限，奥斯特在寻找电和磁的联系时，总是把磁针放在通电导线的延长线上，结果实验均以失败告终。

1820 年 4 月，在一次讲课中，他偶然地把导线放置在一个指南针的上方，通电时磁针转动了（图 13.1–1）。这个现象虽然没有引起听众的注意，但却是奥斯特盼望已久的。他连续进行了大量研究，同年7月发表论文，宣布发现了电流的磁效应，首次揭示了电与磁的联系。为此，安培写道：“奥斯特先生……已经永远把他的名字和一个新纪元联系在一起了。”

磁场

自奥斯特实验之后，安培等人又做了很多实验研究。他们发现，不仅通电导线对磁体有作用力，磁体对通电导线也有作用力。例如，把一段直导线悬挂在蹄形磁体的两极间，通以电流，导线就会移动（图 13.1–2）。他们还发现，任意两条通电导线之间也有作用力（图 13.1–3）。

那么，这些相互作用是怎样发生的？其实，正像电荷的相互作用是通过电场发生的，磁体与磁体之间、磁体与通电导体之间，以及通电导体与通电导体之间的相互作用，是通过磁场（magnetic field）发生的。磁场尽管看不见，摸不着，但它与电场类似，都是不依赖于我们的感觉而客观存在的物质，并且也都是在跟别的物体发生相互作用时表现出自己的特性。那么，我们如何来形象地描述磁场呢？

磁感线

小磁针有两个磁极，它在磁场中静止后就会显示出这一点的磁场对小磁针 N 极和 S 极作用力的方向。物理学中把小磁针静止时 N 极所指的方向规定为该点磁场的方向。实验中我们常用铁屑的分布来反映磁场的分布。

演示

观察常见磁场的分布

在条形磁体上方放置一块玻璃板，在玻璃板上均匀地撒一层细铁屑，细铁屑就在磁场里磁化成了“小磁针”。轻敲玻璃板，细铁屑就会有规则地排列起来。

再将通电直导线穿过另一块玻璃板。重复以上操作。

观察条形磁体和通电直导线（图 13.1–4）周围细铁屑的分布情况。

沿磁场中的细铁屑画出一些曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟这点磁场的方向一致， 这样的曲线就叫作磁感线（magnetic induction line）。正像在电场中可以用电场线来描述电场一样，利用磁感线可以形象地描述磁场。

如图 13.1–5，从条形磁体的磁感线可以看出，在磁体的两极，磁感线较密，表示磁场较强。

安培定则

图 13.1–6 表示的是直线电流的磁感线分布。直线电流的磁感线是一圈圈的同心圆，这些同心圆都在跟导线垂直的平面上。实验表明，改变电流的方向，各点的磁场方向都变成相反的方向。直线电流的方向跟它的磁感线方向之间的关系可以用安培定则（Ampère rule，也叫右手螺旋定则）：用右手握住导线，让伸直的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感线环绕的方向（图 13.1–7）。

在初中，我们已经学会了判断通电螺线管的磁场方向（图 13.1–8）。通电螺线管可以看作许多匝环形电流串联而成。图 13.1–9 是环形电流的磁场，它和螺线管的磁场都可以用另一种形式的安培定则判定：让右手弯曲的四指与环形（或螺线管）电流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是环形导线（或螺线管）轴线上磁场的方向（图 13.1–10）。

与天然磁体的磁场相比，电流磁场的强弱容易控制，因而在实际中有很多重要的应用。电磁起重机、电动机、发电机，以及在自动控制中普遍应用的电磁继电器等，都离不开电流的磁场。

近些年来，随着超导、新材料等技术的运用，人们可以较方便地获得大电流和强磁场。利用磁场与电流之间的相互作用，人们发明了磁浮列车、电磁弹射装置等。

科学漫步

安培分子电流假说

磁体和电流都能产生磁场。它们的磁场是否有联系？我们知道，通电螺线管外部的磁场与条形磁体的磁场十分相似。安培由此受到启发，提出了“分子电流”假说。他认为，在物质内部，存在着一种环形电流——分子电流，分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极（图 13.1–11）。

安培的假说能够解释一些磁现象。一根铁棒未被磁化的时候，内部分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁场互相抵消，对外不显磁性（图 13.1–12 甲）。当铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大致相同，铁棒被磁化，两端对外界显示出较强的磁性，形成磁极（图 13.1-12 乙）。磁体受到高温或猛烈撞击时会失去磁性，这是因为激烈的热运动或震动使分子电流的取向又变得杂乱无章了。在安培所处的时代，人们不知道物质内部为什么会有分子电流。20 世纪后，人们认识到，原子内部带电粒子在不停地运动，这种运动对应于安培所说的分子电流。

练习与应用

本节的第 1、2、3 题从“原理—应用一归类”三个层面层层递进，引导学生关注磁现象在生产、生活中的应用，意在落实课程标准中的情感目标。习题的答案是开放性的，应鼓励学生的“异想天开”。第 4、5、6 题是常见的通电直导线、环形电流、通电螺线管磁场的磁感线分布（第 6 题还涉及磁感线的性质和应用），需要一定的空间思维能力。第 7 题涉及安培分子电流假说的应用，用理论知识来解释地磁场的产生，培养学生灵活应用知识的能力。

1．音箱中的扬声器、电话、磁盘、磁卡等生活中的许多器具都利用了磁体的磁性。请选择一个你最熟悉的器具，简述它是怎样利用磁体的磁性来工作的。

【参考解答】扬声器通过给磁体附近的线圈供电，磁体对线圈产生力的作用，从而使线圈振动，同时带动扬声器的纸盆振动，发出声音。耳机、电话机的听筒能发声也都是这个道理。

2．日常生活中，磁的应用给我们带来方便。例如：在柜门上安装“门吸”能方便地把柜门关紧；把螺丝刀做成磁性刀头，可以像手一样抓住需要安装的铁螺钉，还能把掉在狭缝中的铁螺钉取出来。请你关注自己的生活，看看还有哪些地方如果应用磁性可以带来方便。写出你的创意，并画出你设计的示意图。

【参考解答】如果有铁质的物体（如小刀等）落入深水中无法取回时，可以用一根足够长的细绳拴一个磁体，放入水中将物体吸住，然后拉上来。如果有许多大头针（或小铁屑等）撒在地上，可以用一块磁铁迅速地将它们拾起来。还可以利用电磁铁制成温度报警器，如图所示。

3．磁的应用非常广泛，不同的人对磁应用的分类也许有不同的方法。请你对磁的应用分类，并每类举一个例子。

【参考解答】根据磁场的基本性质，可将磁的应用分为：

（1）利用磁体对铁、钻、镍的吸引力，如门吸、带磁性的螺丝刀、手提包磁性扣等；

（2）利用磁体对通电导线的作用力，如喇叭、耳机、电话、电动机等；

（3）利用磁化现象记录信息，如磁带、磁卡、磁盘等。

4．通电直导线附近的小磁针如图 13.1–13 所示，标出导线中的电流方向。

【参考解答】电流方向由上向下，图略。

提示：磁场中某点的磁场方向与放入该点的小磁针静止时N极指向相同，所以本题小磁针处的磁场方向俯视为顺时针，根据安培定则可判断导线中电流方向由上向下。

已知电流方向能判断磁场方向，反之，知道磁场方向也要能判断电流方向，同时要把握立体图的特点。还可引导学生以不同的视角画出通电长直导线的磁感线示意图。

5．如图 13.1–14，当导线环中沿逆时针方向通过电流时，说出小磁针最后静止时 N 极的指向。

【参考解答】垂直纸面向外

提示：小磁针最后静止时 N 极的指向表示磁场的方向。由安培定则可知，环形导线中心轴线处磁场方向垂直纸面向外，故小磁针 N 极指向垂直纸面向外。

要判断小磁针静止时的指向，首先要判断环形电流中轴线上磁场的方向，要把握环形电流磁场立体图的特点。

6．通电螺线管内部与管口外相比，哪里的磁场比较强？你是根据什么判断的？

【参考解答】通电螺线管内部的磁场比较强。磁感线的疏密反映了磁场的强弱。通电螺线管内部与管口相比，内部的磁感线更密集，所以通电螺线管内部的磁场比较强。

7．为解释地球的磁性，19 世纪安培假设：地球的磁场是由绕过地心的轴的环形电流I引起的。在图 13.1–15 中，正确表示安培假设中环形电流方向的是哪一个？请简述理由。

【参考解答】地磁的北极在地理南极的附近，故在用安培定则判定环形电流的方向时，右手的拇指必须指向南方。根据安培定则，拇指与四指垂直，而四指弯曲的方向就是电流流动的方向，故四指的方向应该向西，B 正确。

发布时间：2019/11/6 下午9:47:14  阅读次数：5020