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1、普通高等教育普通高等教育“十二五十二五”创新型规划教材创新型规划教材物 理 主讲人：第十二章 磁 场 生活中离不开的电话、电视、发电机、电动机，现代科学研究中离不开的电表、质谱仪、计算机、回旋加速器等，都跟磁现象有关.本章着重阐述磁场的基本性质、磁力的基本规律以及它们在科学技术中的应用.第一节 磁现象 磁场一、磁场 物体能吸引铁、钻、镍等磁性材料的性质叫作磁性.具有磁性的物体，叫作磁体.一个磁体上磁性最强的部分叫磁极，每一个磁体都有两个磁极.能自由转动的磁体静止时，其指北的一端叫作北极，用N表示；指南的一端叫作南极，用S表示.同性磁极互相排斥，异性磁极互相吸引.磁极间的相互作用也是通过磁场传递
2、的.在磁场中某一点，一个可以自由转动的小磁针静止时北极N极所指的方向，即为该点的磁场方向.可用磁场线来形象地描写各点的磁场方向.磁铁外部的磁场线都足从N(北极)出来，进入S(南极)的.磁场线密集的地方磁场强，磁场线稀疏的地方磁场弱.在磁场的某一区域中，如果各点的磁场的大小和方向都相同，那么，这个区域里的磁场就叫匀强磁场.在匀强磁场中磁场线是疏密程度均匀而且互相平行的直线.（1）直线电流.（2）环型电流.（3）通电螺线管.三、安培分子电流假说安培提出了著名的分子电流的假说.他认为，在物体的内部存在着许多小的组成单元.这些小的单元内部存在分子电流，分子电流使每一个物质的微粒都成为一个小磁体，它的两
3、侧相当于两个磁极.一根软铁棒没有磁性，被磁化后，两端对外界显示出较强的磁场，形成磁极.磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的.思考与练习（12.1）二、磁感应强度把一段通电直导线放在磁场中，导线在磁场中的长度及导线中的电流强度都可以改变.当导线方向与磁场方向垂直时，电流所受的磁场力最大；当通电导线长度一定时，电流越大，导线所受磁场力就越大；电流一定时，通电导线越长，导线受到的磁场力也越大.实验表明，垂直放在磁场中的通电导线所受磁场力F与其电流强度I与导线的长度l乘积的比值，在磁场的同一位置总是一个恒量；在磁场中的不同位置，该比值一般不同.这个比值越大的地方，表示同一通电导线受到的磁
4、场力越大，即该处的磁场强；反之，表示磁场弱.因此，可用这个比值来表示磁场的强弱，叫作该处的磁感应强度，用字母B来表示,则根据磁感应强度B的公式，如果已知直导线的电流、导线的长度，则通电直导线所受到的磁场力的大小就可求得，即三、磁通量穿过磁场中某一个面积S的磁场线的条数，就叫穿过这个面积的磁通量，简称为磁通.磁通量是一个标量，用字母表示.穿过这个面积的磁场线条数就越多，磁通量就越大.设在匀强磁场中，当平面与磁场方向垂直时，穿过该面的磁场线最多，磁通量最大.设穿过面积为S且与磁场方向垂直的磁通量为，则磁感应强度B等于磁通量与该平面面积S的比，即当平面S与磁场方向成一定角度时，穿过该平面的磁场线条数
5、等于穿过该面在垂直磁场方向上的投影面S的条数.设两个平面间的夹角为.那么，穿过面积S的磁通量为思考与练习（12.2）二、通电线框在磁场中把一个通有电流I的平面线框abcd放在匀强磁场B中，线圈平面和磁场线夹角为，如图12-16所示.由于线框的ad边与bc边所通的电流强度方向相反，因此所受的磁场力的大小相等、方向相反，作用在轴线上，彼此平衡.ab边和cd边与磁场的方向垂直，它们所受的磁场力大小相等，方向相反，但由于不在一条直线上，因此要产生转动力矩，使矩形线框绕OO轴转动.线框所受的合力矩为实验中经常使用的电流表是磁电式仪表线圈中的电流越大线圈和指针偏转的角度也就越大.因此，可用指针偏转角的大小
6、来测量通过线圈中电流的大小.根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向.磁电式仪表的优点是刻度均匀，灵敏度和准确度高，可以测出很弱的电流；缺点是很容易把它烧坏.在磁电式仪表的表头上附加电路，可以装成常用的安培表、伏特表和万用表.第四节 磁场对运动电荷的作用力图12-18所示的是一个电子射线管.实验表明：在没有加外磁场时，电子束是沿直线前进的；把射线管放在马蹄形磁铁的两极间，从荧光屏上可以观察到电子束运动的轨迹发生弯曲.说明电子束受到磁场力而偏转，这种现象叫作磁偏转.线中的带电粒子荷兰物理学家洛仑兹(18531928)首先提出了运动电荷产生磁场和磁场对运动电荷有作用力的观点，为纪念他，人们称这种
7、力为洛仑兹力.如图12-19所示，运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用，运动方向会发生偏转.这一点对地球上的生命来说有十分重要的意义.从太阳或其他星体上，时刻都有大量的高能粒子流放出，称为宇宙射线.这些高能粒子流，如果都到达地球，将对地球上的生物带来危害.庆幸的是，地球周围存在地磁场，地磁场改变了宇宙射线中带电粒子的运动方向，对宇宙射线起了一定的阻挡作用.一、洛仑兹力如图12-20所示，取长度为l，横截面积为S的一段通电导线来研究.若导线中均匀分布着n个带电量为q的相同电荷，这些电荷以平均速率v沿这段作定向运动时，就形成电流I.设电流方向与磁场方向相垂直，则由安培定律可得该段导线所受的安培力F.
8、因此，单个运动电荷所受的磁场力为设电荷运动的速度为v，所以n个电荷全部流出段l时，所需的时间应为t=l/v.又因n个电荷的总电量Q应等于nq，由电流的定义I=nqlt=nqv/l，代入上式，可得洛仑兹力的方向用左手定则确定：伸开左手，使大拇指跟其余4个手指垂直，且处于同一平面内，把手放入磁场中，让磁场线垂直穿入手心，四指指向正电荷运动的方向，那么，拇指所指的方向就是正电荷所受洛仑兹力的方向.二、带电粒子在磁场中的运动(1)带电粒子的初速度与磁场方向平行.(2)带电粒子的初速度与磁场的方向垂直.如果带电粒子只受磁场力的作用，则因v垂直于f，由运动学规律可知，洛仑兹力将充当向心力，带电粒子在匀强磁场中作匀速圆周运动.匀速圆周运动的轨道半径只可根据向心力公式导出，因洛仑兹力等于向心力，则所以，带电粒子做匀速圆周运动的轨道半径为 三、洛仑兹力的应用电场可以对带电粒子施加影响，磁场也可以对运动的带电粒子施加影响，当然，电场和磁场共同存在时对带电粒子也会施加影响.这一知识在现代科学技术中有着广泛的应用.1.质谱仪 2.回旋加速器四、磁偏转带电粒子在磁场中运动受磁场力的作用发生的偏转，叫作磁偏转.利用这一原理，在电子射线管、显像管中用来控制电子束的前进方向，使它射在荧光屏上产生光点的位置发生变化.思考与练习（12.4）