8-2 磁感应强度

1.基本磁现象

与电现象一样人类很早就注意和研究磁现象,比如:磁石具有磁性,具有北极()和南极(),同号磁极相互排斥,异号磁极相互吸引等等。但早期电现象和磁现象的研究是独立的,这一状态一直维持到1819年,这一年奥斯特(H.Oersted)发现载流导线会使周围的小磁针偏转。这一现象揭示了电现象与磁现象内在本质的联系,以后人们发现了更多类似现象,比如:载流导线在磁场中会受到力的作用;载流导线之间存在力的相互作用;运动电荷会产生磁场等等。对这些现象进行分析总结,人们认识到磁现象与电荷的运动密切相关。运动具有相对性,故磁现象及磁场具有相对性。

2.磁感应强度

电流(运动电荷)在其周围产生磁场,为了描述磁场的特性,我们采用与研究静电场类似的方法。给你一个电场,如何描述?放一实验电荷点,电场对其作用力为,则点处的电场强度定义为,其与试验电荷无关,是空间位置的函数,反映一个按空间分布的矢量场。类似,磁场对外的重要表现是:磁场对引人场中的运动试探电荷、载流导体或永久磁体有磁力的作用,因此也可用磁场对运动试探电荷(或载流导体和永久磁体)的作用来描述磁场,并由此引进磁感应强度作为定量描述磁场中各点特性的基本物理量,其地位与电场中的电场强度相当。

实验发现:(1)当运动试探电荷以同一速率沿不同方向通过磁场中某点时,电荷所受磁力的大小是不同的,但磁力的方向却总是与电荷运动方向垂直;(2)在磁场中的点处存在着一个特定的方向,当电荷沿这特定方向(或其反方向)运动时,磁力为零。显然,这个特定方向与运动试探电荷无关,它反映出磁场本身的一个性质。我们定义:点处磁场的方向是沿着运动试探电荷通过该点时不受磁力的方向。实验还发现,如果电荷在点沿着与磁场方向垂直的方向运动时,所受到的磁力最大而且这个最大磁力正比于运动试探电荷的电荷量,也正比于电荷运动的速率,但比值却在该点具有确定的量值而与试探电荷无关。由此可见,比值反映该点磁场强弱的性质。用其表示该点磁感应强度的大小
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而该点磁场方向就是磁感应强度的方向。

实验同时发现,磁力总是垂直于所组成的平面,这样就可以根据最大磁力的方向,确定的方向如下:由正电荷所受力的方向,按右手螺旋法则,沿小于的角度转向正电荷运动速度

方向,这时螺旋前进的方向便是该点的方向,如图8-8所示。这就是说,对正电荷而言,可由矢积的方向确定矢量的方向。由这种规定所确定的磁场方向和用小磁针的极来确定的磁场方向是一致的。

在国际单位制中,按上述定义式,磁感应强度的单位定为,称为特斯拉(tesla),符号为


图 8-8

3.磁感应线和磁通量

类似于电通量,我们定义穿过某一个曲面的磁感应线的根数为通过该面的磁通量。而磁感应线的定义与电场线的定义类似:使磁感应线上任一点的切线方向和该点处的磁场方向一致,并在线上用箭头标出。几种不同形状的电流所激发的磁场的磁感应线如图8-9所示

图 8-9

从中可以得到一个重要的结论:在任何磁场中,每一条磁感应线都是和闭合电流相互套链的无头无尾的闭合线,而且磁感应线的环绕方向和电流流向形成右手螺旋的关系。磁场较强的地方,磁感应线较密;反之,磁感应线就较疏。在磁场中,通过小面元的磁通量为

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或写成矢量标积的形式

(8-17)

有向面元大小为,方向为面元的法线方向,该点处磁感应强度方向之间的夹角为,如图8-10所示。
    所以,通过有限曲面的磁通量为

(8-18)

磁通量的单位为,称为韦伯(weber),符号为Wb。 由此,也可用来表示。


图 8-10


磁通量