真空中的静磁场电磁学

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1、第五章真空中的静磁场真空中的静磁场尽管人们对物质磁性的认识已有两千多年，但直至19世纪20年代才出现采用经典电磁理论解释物质磁性的代表――安培分子环流假说。而真正符合实际的物质磁性理论却是在19世纪末发现电子、20世纪初有了正确的原子结构模型和建立了量子力学以后才出现。磁的应用目前越来越广泛，已形成了许多与磁学有关的边缘学科。图5.1若干边缘（交叉）磁学在经典电磁学范围研究物质的磁性时，我们虽然采用传统的观念即安培分子环流假说和等效磁荷两种观点，但必须强调，我们要在原子结构模型和量子力学的基础上建立一个正确的概念，即物质的磁性来源于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。只有这样，我们才能准确理

2、解物质的抗磁性、顺磁性和铁磁性，尤其是磁畴结构在外磁场中的变化是铁磁性物质在外磁场中的磁化特点。图5.2电子的轨道磁矩和自旋磁矩图5.3铁磁性物质在外磁场中的磁化特点第五章真空中的静磁场§5.1磁现象与安培定律§5.2稳恒磁场与毕奥－萨伐尔定律§5.3稳恒磁场的基本性质§5.4安培力与洛伦兹力§5.1磁现象与安培定律1、基本磁现象早期磁铁⇔磁铁条形磁铁与地球磁场之间以及条形磁铁之间的相互作用说明同号磁极相互排斥，异号磁极相互吸引。进一步分析发现将一磁铁可以一直细分成很小很小的磁铁而每一个小磁铁都具有N、S极，自然界中有独立存在的正电荷或负电荷但迄今却未发现独立的N、S极，尽管在近代

3、理论中有人认为可能存在磁单极子图5.4条形磁铁图5.5条形磁铁之间的相互作用电流⇔磁铁电流⇔电流1820年7月21日奥斯特实验打破了长期以来电学与磁学彼此独立发展和研究的界限使人们开始认识到电与磁有着不可分割的联系。电流对磁铁有的作用，磁铁对电流的作用，电流和电流之间也有相互作用。法国物理学家安培首先在实验上发现一个载流螺线管的行为很像一根磁棒，并且可以用右手定则来判断载流线圈的极性。电流⇔磁场⇔电流类似于静止电荷之间的相互作用力是通过电场来传递的,上述的各种相互作用都是通过磁场来传递的1822年安培提出了一个分子电流假说：组成磁铁的最小单元(磁分子)就是环形电流这些分子环流定向地

4、排列起来在宏观上就会显示出N、S极来。图5.6奥斯特实验原子是由带正电的原子核和绕核旋转的负电子组成。电子不仅能绕核旋转，而且具有自旋。在分子、原子等微观粒子内电子的这些运动形成了分子环流，这就是物质磁性的基本来源的经典解释。一切磁现象和磁相互作用，实际上是电流显示出的磁效应和电流之间的相互作用。磁是运动电荷（电流）的一种属性。小结无论是导线中的电流(传导电流)产生的磁场还是磁铁(分子环流)产生的磁场本源都只有一个即电荷的运动。也就是说前面介绍的各种实验中出现的现象都可以归结为运动着的电荷(即电流)之间的相互作用，这种相互作用是通过磁场来传递的。电荷之间的磁相互作用与电(库仑)相互

5、作用的区别在于：无论电荷是静止的还是运动的，它们之间都存在着库仑相互作用；但是只有运动的电荷才存在着磁相互作用。2、安培定律是电流与电流之间的磁相互作用的规律。是稳恒磁场的基本规律，正如点电荷之间的相互作用的规律―库仑定律是静电场的基本规律一样。实验表明，两载流闭合回路之间的相互作用力与两载流体的形状、大小、相对位置和它们的电流分布情况有关。（1）电流元类似于讨论两个带电体之间静电相互作用力时引入电荷元那样，对两个闭合回路电流之间的磁相互作用力，引入电流元概念，把闭合回路电流设想为由许多极小的电流元组成，通过求任意一对电流元之间相互作用的基本规律，整个闭合回路受的力便可通过矢量叠加

6、计算出来。线电流元：导体横截面积很小时，用表征；体电流元：导体横截面不是很小时，用表征；面电流元：讨论面电流间相互作用力时，用表征；称为面电流密度，大小为在电流面上通过垂直电流方向的单位横截线的电流，方向为面电流流动的方向。电流元与电荷元的区别：电流元有方向，是矢量。由于独立的稳恒电流元是不存在的，所以无法直接用实验来确定它们的相互作用力。电流元之间的相互作用规律只能间接地从闭合载流回路的实验中倒推出来。因此安培定律并不是直接从实验得到的，而是在安培设计得很巧妙的四个实验和一个假设的基础上，与相当高超的数学技巧相结合得到的。（2）安培的四个示零实验安培首先设计制作了如下图示的无定向

7、秤装置。他用一根硬导线弯成两个共面的大小相等的矩形线框，线框的两个端点A、B通过水银槽和固定支架相连。接通电源时，两个线框中的电流方向正好相反。整个线框可以以水银槽为支点自由转动。在均匀磁场(如地磁场)中它所受到的合力和合力矩为零，处于随遇平衡；但在非均匀磁场中它会发生运动。图5.8无定向秤实验一：安培将一对折的通电导线移近无定向秤以检验对折导线有无作用力。结果是否定的，这说明电流反向时，电流产生的作用力也反向，大小相等的电流产生的力的大小相等。实验二：将对折导线中的