第 5 章 第 1 节 磁场及其描述

我们已经知道，磁体和通电导线周围都存在磁场，磁场有强弱和方向。如何描述磁场的强弱和方向？本节将学习描述磁场强弱和方向的物理量——磁感应强度，用磁感线形象地描述几种常见磁场的分布，并学习磁现象在生产生活中的应用。

1．磁场 磁感应强度

我们知道，磁体的两个磁极靠近时，即使它们还未接触，也能表现出异名磁极相吸、同名磁极相斥的特点（图 5–1）。在图 5–2 所示的实验中，当导线中通过电流时，磁针就会发生偏转；当导线中的电流反向时，磁针也将反向偏转。

为什么磁体间没有接触也会产生相互作用？为什么通电导线周围的磁针会发生偏转？这是因为在磁体或电流周围的空间存在一种特殊物质——磁场，磁场能够对磁体产生力的作用，令磁体与磁体间相互吸引或排斥，使磁针发生偏转。

磁场有方向，人们把磁场中某点小磁针静止时北极的指向规定为该点磁场的方向。磁场还有强弱，在磁场中的不同位置，其强弱不尽相同。例如，条形磁铁形成的磁场，在靠近北极（N 极）和南极（S 极）处较强，在靠近中间位置处较弱。怎样描述磁场的强弱呢？

实验与探究

磁场对通电直导线的作用

如图 5–3（a）所示，用两根劲度系数较小的弹簧把一矩形线圈悬挂起来，放入 U 形磁铁形成的磁场中。接通电源，你能观察到什么现象？

保持磁场和磁场中通电导线的长度不变，改变电流的大小，你能观察到什么现象？

磁场与电流的大小保持不变，改变磁场中通电导线的长度，如图 5–3（b）所示，你又观察到什么现象？

大量实验表明，通电电流越大，通电直导线在磁场中的长度越长，通电直导线受到的力就越大。精确实验表明，在磁场中的某一位置垂直于磁场方向放入一小段通电直导线，通电直导线受到的力跟电流和直导线长度的乘积成正比。因该比值与该通电直导线的长度和电流无关，所以可用其描述磁场的强弱程度。

物理学中，把垂直于磁场方向的一小段通电直导线受到的力 F 与电流 I 和直导线的长度 l 的乘积之比，称为磁感应强度（magnetic induction），用B表示。

\[B = \frac{F}{{Il}}\]

在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，符号为 T。

\[1{\rm{ T}} = 1{\rm{ N/(A}} \cdot {\rm{m)}}\]

磁感应强度是矢量。磁场中某点磁感应强度的方向，即该点的磁场方向，也就是放在该点的小磁针静止时 N 极的指向。

像电场一样，磁场也遵从叠加原理。如果有几个磁场同时存在，它们的磁场就互相叠加，这时某点的磁感应强度就等于各个磁场单独存在时在该点磁感应强度的矢量和。

表 5–1 是某些物体产生磁场的磁感应强度。从表中可看出，原子核表面的磁场很强，而脑神经活动产生的磁场很弱。

表 5–1  一些磁场的磁感应强度

2．磁感线

为了形象地描述磁场，英国物理学家法拉第提出了磁感线（magnetic induction line）的概念。磁感线是在磁场中画出的一些有方向的假想曲线，磁感线上任意一点的切线方向即该点的磁场方向。磁感线是闭合曲线，不会相交。磁感线分布越密的地方，磁感应强度越大；磁感线分布越疏的地方，磁感应强度越小。

实验中常用铁屑在磁场中被磁化的性质来显示磁感线的形状［图 5–4 （a）］。图 5–4（b）是条形磁铁磁感线的分布示意图。在磁体外部，磁感线是由 N 极出发回到 S 极；在磁体内部，磁感线从 S 极到 N 极。

在磁场的某个区域内，如果各点的磁感应强度大小和方向都相同，则这个区域的磁场称为匀强磁场。在匀强磁场中，磁感线是一组平行且等距的直线。例如，两个相距很近的平行异名磁极间中央部分的磁场可视为匀强磁场（图 5–5），通电长螺线管内部的磁场也可视为匀强磁场。

3．电流的磁场

通电导线在周围空间会产生磁场。电流产生的磁场的磁感线有何特点？

迷你实验室

用铁粉和小磁针研究通电直导线周围的磁场

如图 5–6 所示，把铁粉均匀撒在水平放置的有机玻璃板上。接通电源使垂直导线中短暂地通过大电流，同时轻轻敲打有机玻璃板，观察铁粉的分布情况。再将小磁针放在板上检测磁场的方向。

改变电流方向，重复上述步骤。你观察到了什么变化？

从铁粉的分布情况可以看出，通电直导线周围磁场的磁感线是以电流为中心的同心圆（图 5–7）。实验表明，当改变电流的方向时，小磁针的指向也会发生改变，这表明通电直导线周围空间的磁场方向与电流方向有关。

法国物理学家安培对通电直导线形成磁场的规律进行了深入探究，非常巧妙地总结出判断通电直导线周同磁场方向的安培定则（Ampere rule）：用右手握住通电直导线，让伸直拇指的方向与电流的方向一致，则四指弯曲的方向就是电流周围磁感线的环绕方向（图 5–8）。

如果把通电直导线弯成环形，它的磁场又有什么特点呢？其实，通电圆环可视为由很多段通电直导线组成。从铁粉的分布情况可以看出，环形电流磁场的磁感线是一些绕环形电流的闭合曲线，在环形电流的中心轴上，磁感线与环形电流所在的平面垂直，如图 5–9 所示。

环形电流的方向与中心轴线上磁感线方向的关系，也可以用安培定则来判断：让右手弯曲四指的方向与环形电流的方向一致，则伸直拇指所指的方向就是环形电流中心轴线处的磁感线方向（图 5–10）。

多个通电环形导线放在一起，就形成了通电螺线管。由图 5–11 可发现，通电螺线管外部的磁感线与条形磁铁的磁感线相似，其内部的磁感线与螺线管的轴线平行，并和外部的磁感线连接，形成闭合曲线。

通电螺线管磁场方向的判断与环形电流相似：用右手握住螺线管，让弯曲四指所指的方向与电流的方向一致，则伸直拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向（图 5–12）。

科学书屋

分子电流假说

19 世纪，安培提出了著名的“分子电流假说”。他认为，组成磁铁的最小单元（磁分子）就是分子环形电流，简称分子电流。若这些分子电流定向排列，在宏观上就会呈现出磁性（图 5–13）。当时不了解物质的微观结构，不能解释分子电流是如何形成的。20世纪后，人们逐渐认识到，原子内部电子的不断运动形成了分子电流。磁体和电流产生磁场，本质上都源于运动电荷。

分子电流假说能很好的解释磁化和退磁等现象。外加磁场让铁棒磁化，是磁场使其内部分子电流的取向变得大致相同的结果；而磁体在高温或剧烈振动的情况下，又会使磁体内部分子电流的取向混乱，使磁性减弱或消失。

4．磁的应用及意义

（1）指南针与航海业的发展

磁的应用源远流长。古人对磁技术的应用中，首屈一指的当数我国发明的指南针。

古人将天然磁石磨制成指示方向的器具，即“司南”（图 5–14）。然而，用天然磁石磨制的司南，在震动或高温下容易减弱甚至失去磁性，应用并不广泛。北宋时期，人们将磁化钢针支撑在一个刻有方位的盘中，用来指示方向，从而发明了指南针（罗盘针）。

指南针的出现改变了夜晚依靠北极星辨别方向，白昼通过太阳确定方位的历史，为人们的远行提供了帮助，开启了航海技术革命，推动了世界各国航海事业的发展，为 15 ~ 17 世纪的地理大发现提供了重要条件。明初郑和七下西洋是人类航海史上的空前壮举，而指南针的应用则为这一壮举的完成作出了伟大贡献。

素养提升

能为我国古代在磁学方面的研究成果及其对人类文明的影响而自豪；能体会磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响。

——科学态度与责任

（2）磁与现代技术

磁在现代科学技术中有广泛的应用。

在现代交通工具中昀典型应用是高速磁浮列车。磁浮技术让列车悬浮于轨道之上行驶，极大地减小了列车受到的阻力，列车车速可达 600 km/h。磁浮列车有常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式两种。常导电磁铁吸引式是根据磁铁异极相吸的原理，让导轨钢板的吸引力与车辆所受重力平衡，从而使车体悬浮［图 5–15（a）］；超导电磁铁相斥式是根据磁铁同极相斥的原理，利用车上超导电磁铁形成的磁场与轨道上磁铁形成的磁场所产生的相斥力使车体悬浮［图 5–15（b）］。近年来，人们还设想利用超导磁浮技术和真空管道，让列车在真空管中运行，预计最高速度可达几千千米每小时。

核磁共振成像技术是磁在医学诊断方面的重要应用（图 5–16）。核磁共振成像技术是在核磁共振的基础上加上断层扫描和计算机辅助成像技术发展起来的，它与X射线成像和超声波成像相比，能获得更多的人体内部信息，尤其对被头骨包围的脑部病变和早期肿瘤病变的诊断更具优越性。

此外，种类繁多的发电机、电动机，电冰箱的磁密封条，微波炉产生微波的磁控管，收音机和电视机的多种磁元件，都要应用各种各样的磁性材料。

DIS实验室

测量磁场中各点的磁感应强度

利用磁感应强度传感器、数据采集器和计算机，可测量磁场中各点的磁感应强度大小。

如图 5–17 所示，将条形磁铁放在坐标纸上，勾画磁铁轮廓，并在坐标轴上确定测量点。用连接在数据采集器和计算机上的磁感应强度传感器测量各点的磁感应强度。分析条形磁铁周围的磁感应强度的大小分布，对照条形磁铁的磁感线分布，你能得出什么结论？

科学书屋

地磁场

地球本身是一个大磁体，它的 N 极位于地理南极附近，S 极位于地理北极附近（图 5–18）。在地磁两极，磁针竖直指向地面；在赤道上，磁针水平指示南北。磁针指示南北是一种近似的说法，小磁针的指向与地理正南正北方向之间的夹角称为磁偏角。对于地球磁性的成因，目前仍没有确定的说法，部分科学家认为是由地核中熔化了的金属（铁和镍）的环流引起的。

地磁场对人类的生产生活都有重要意义。根据地磁场出现的异常情况，可发现未知的矿藏或者特殊的地质构造。地磁场能使来自太阳的高速带电粒子流偏转，成为地球生命的“保护伞”。

科学家还根据对地球火山岩石的精确测定，发现地磁场强度和方向发生过多次变化（图 5–19）。

节练习

1．如果你在森林里迷路了，而身边有一个指南针，但上面关于南、北极的标记都脱落了，好在还有备有电池的手电筒和一段导线。你有什么办法能确定指南针的南、北极？

参考解答：用直导线和电池构成闭合回路，取闭合回路的一部分沿指南针方向放在指南针的正上方，根据电流方向判断导线的磁场方向，进而根据指南针的偏转方向确定指南针的南极和北极。

2．为了解释地球的磁性，安培假设地球的磁场是由以地心为圆心的环形电流I引起的。下列四个图中，能正确表示安培假设中环形电流方向的是

参考解答：B

3．如图所示，两根互相平行的长直导线过纸面上的 M、N 两点，且与纸面垂直，导线中通有大小相等、方向相反的电流。a、O、b 在 M、N 的连线上，O 为 MN 的中点，c、d 位于 MN 的中垂线上，且 a、b、c、d 到 O 点的距离均相等。下列说法正确的是

A．O 点处的磁感应强度为零

B．a、b 两点处的磁感应强度大小相等、方向相反

C．c、d 两点处的磁感应强度大小相等、方向相同

D．a、c 两点处的磁感应强度方向不同

参考解答：C

4．在匀强磁场中，有一段 0.1 m 长的直导线和磁场方向垂直。导线通过的电流是 5.0 A 时，受磁场力的作用是 0.2 N，磁感应强度是多少？现将直导线长度增加为原来的2倍，通过的电流减小为原来的一半，磁感应强度是多少？如果把该通电导线拿走，该处磁感应强度是多少？

参考解答：B 均为 0.4 T。

5．请判断下列情形中电流的方向。

（1）图（a）中，当电流通过导线时，导线下磁针的 N 极转向纸外；

（2）图（b）中，当电流通过环形导线时，导线下磁针的 N 极转向纸外；

（3）当电流通过螺线管时，磁针 N 极的指向如图（c）所示。

参考解答：（1）向左 （2）逆时针  （3）从电源右侧流出、从左侧流入

发布时间：2021/2/8 下午3:49:07  阅读次数：5875