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第三节 磁场　磁感应强度
这种机器为什么有如此高强的本领呢？
主要内容
磁场
磁感线
1
2
磁感应强度
匀强磁场
3
4
磁通量
5
电流的磁场
6
01
PART 01
磁场
磁体总有两个磁极：北（N）极和南（S）极。磁极之间会产生相互作用：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引（右图）。
一切跟电荷周围存在电场相似，磁体周围也存在一种看不见、摸不着，但可测量的特殊形态的物质，称为磁场。磁极之间的相互作用是通过磁场发生的。
一、磁场
02
PART 02
磁感线
【观察与体验】 观察磁体周围的模拟磁场
二、磁感线
将一块玻璃板水平地放在条形磁铁或U形磁铁上，在板面上均匀地撒一些细铁屑，然后轻敲玻璃板，细铁屑会由于震动而移动，最终呈现出一定的形状，如右图所示。
【思考与讨论】
与同学讨论，本实验为什么要用细铁屑？使用细木屑行不行？
把一些可以自由转动的小磁针放在条形磁铁的周围，在磁场力的作用下，小磁针将发生偏转，静止时，小磁针的指向如右图所示。磁铁周围不同位置的小磁针，N极所指的方向是不同的。
二、磁感线
物理学中规定，在磁场中的任何一点，可以自由转动的小磁针静止时N极所指的方向，就是该点的磁场方向。
二、磁感线
为了形象直观地描述磁体周围的磁场，法拉第提出了用磁感线来描述磁场。
在磁场中画出一系列带箭头的曲线，使曲线上每一点的切线方向都和该点的磁场方向相同，如右图所示，这些曲线就称为磁感线。
二、磁感线
条形磁铁周围的磁感线如下图所示。
蹄形磁铁周围的磁感线如下图所示。
条形磁铁磁感线的特点：磁铁外部的磁感线都是从N极发出，进入到S极，在空间不相交。
我国早在公元前3世纪的战国时代就已认识到磁石的指极性。《韩非子》中提到“先王立司南以端朝夕”。
二、磁感线
公元 1 世纪初东汉王充在《论衡》中记载：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”
这些文献表明司南是最早的指南针。
公元1044年的北宋时期，我国已发明了人工磁化方法，并造出了可以浮在水面上自由转动的指南鱼。
二、磁感线
我国著名科学家沈括在《梦溪笔谈》中描述了制作指南工具的四种基本方法：水浮、置指爪、置碗唇、缕悬。
沈括在研究指南工具过程中还发现了地磁偏角，他指出：磁针“常微偏东，不全南也”。这是磁学史上一个极其重要的发现，领先欧洲约400年。
03
PART 03
磁感应强度
磁场的强弱如何描述呢？法国物理学家安培最早发现，磁场对电流有力的作用。为了纪念他，人们把磁场对电流的作用力称为安培力。
三、磁感应强度
人们通过实验发现：在磁场中的某一点，当一小段通电导线跟磁场垂直时（右图），安培力 F 跟电流 I 和通电导线的长度 l 的乘积成正比，而比值恒定不变。
在磁场中的不同点，这个比值一般不同。这表明，比值是一个与磁场中的位置有关的物理量，它反映了磁场的一种力的性质。
在物理学中，把磁场中垂直于磁场方向的通电导线所受的安培力F 与电流 I 和导线长度 l 乘积的比值，称为通电导线所在处的磁感应强度。如果用 B 表示磁感应强度，那么
三、磁感应强度
磁感应强度的国际单位制单位是 T（特）。
磁感应强度 B 的大小反映了磁场的强弱程度。
三、磁感应强度
现今生活中常见的磁性最强的永久磁铁是钕铁硼磁铁，主要应用在电机和变压器的铁芯中，其磁极附近磁感应强度可达 1.38 T。医院使用的核磁共振仪（右图）中，磁感应强度可达 3 T。
地面附近地磁场的磁感应强度大约只有 5×10－5 T。人的心脏工作时产生的磁场约为5×10－10 T，人脑神经活动产生的磁场更微弱。
三、磁感应强度
磁感应强度是矢量，它的方向就是该点的磁场方向。
2017年2月13日，中国科学院合肥物质科学研究院的混合磁体实现了 40 T 的世界第二高的稳态磁场，标志着我国跻身世界强磁场研究强国的行列。
【应用与拓展】 地磁探矿
三、磁感应强度
据测算，地磁场的变化有一定的规律性。比如在我国境内，每向北走1 000 m，地磁场磁感应强度的变化约为10－8 T。小范围内地磁场磁感应强度和磁倾角几乎没有变化。但是，有时地磁场的变化非常明显，有的地方会出现磁针反常现象，磁针不再指向南北方向。在某些山区，磁针甚至变成直立状态。这种磁场的剧变称为地磁异常。显然，出现地磁异常的区域，地下一定蕴藏着丰富的磁铁矿。我们可以根据地磁异常现象来探测磁铁矿区。
04
PART 04
匀强磁场
物体如果在磁场的某一区域内，各点的磁感应强度的大小和方向都相同，那么我们就把这个区域内的磁场称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线是一些疏密均匀、互相平行的直线，如右图所示。
同电场线类似，从磁感线的疏密也可以看出磁感应强度的相对大小。磁感应强度大的地方，磁感线就密集；磁感应强度小的地方，磁感线就稀疏。
四、匀强磁场
05
PART 05
磁通量
设在磁感应强度为 B 的匀强磁场中，有一个与磁场方向垂直的平面，面积为 S，我们把 B 与 S的乘积称为穿过该平面的磁通量，如右图所示。
在电磁学中，经常要讨论某一区域内的磁场和它的变化情况，为此我们引入一个新的物理量——磁通量。
五、磁通量
磁通量简称磁通，用符号 Φ 表示。
五、磁通量
磁通量用公式表示为
Φ = BS
磁通量是标量，它的国际单位制单位是Wb（韦）。
此处定义磁通量的方法是乘积定义法。
磁通量当一个平面与磁场的方向垂直时，通过它的磁通量最大；当该平面与磁场方向平行时，穿过它的磁通量最小，为零。
五、磁通量
由公式Φ =BS ，可以得出
上式表明，磁感应强度在数值上等于单位面积上的磁通量，因此，工程技术人员常把磁感应强度称为磁通密度。
示例 冰壶在磁感应强度为 0.5 T 的匀强磁场中，有一个面积为0.01 m2 的矩形线圈。当线圈的平面分别转到与磁场方向垂直和平行时，穿过该线圈的磁通量各是多少？
五、磁通量
解 由当线圈平面与磁场方向垂直时，穿过线圈的磁通量为
Φ = BS = 0.5×0.01 Wb = 0.005 Wb
当线圈平面与磁场方向平行时，穿过线圈的磁通量为零。
06
PART 06
电流的磁场
1820年，丹麦物理学家奥斯特偶然把导线沿南北方向放置，把小磁针放在导线的下方，与导线平行，如右图所示。
人类虽然很早以前就认识了电现象和磁现象，但在很长一段时间里，却把它们看成两种彼此独立的自然现象。
六、电流的磁场
接通电源后，发现小磁针转向垂直于导线方向，如右图所示。
【观察与体验】 观察通电直导线周围的磁场方向
按照右图所示的装置进行实验，将一根直导线竖直穿过水平放置的硬纸板，在纸板上放置几个小磁针，观察通电后小磁针N极所指的方向；改变导线中电流的方向，观察小磁针N极指向的变化。
六、电流的磁场
【思考与讨论】
与同学讨论，尝试归纳小磁针 N 极的指向与电流方向的关系是什么？
安培通过实验归纳出：直线电流的磁感线是一系列与导线垂直且以导线上的各点为圆心的同心圆。磁感线的方向跟电流方向的关系可以这样来判定：用右手握住导线，让伸直的大拇指指向电流的方向，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。这就是安培定则，也叫右手螺旋定则，如右图所示。
六、电流的磁场
【观察与体验】 观察环形电流中心的磁场方向
如右图所示，将一根导线弯成圆环，并竖直穿过水平放置的硬纸板，使圆环的上半部分在纸板上方。在环形电流中心轴线处的纸板上放置一个小磁针，观察通电后小磁针N极所指的方向；改变导线中电流的方向，观察小磁针N极指向的变化。
六、电流的磁场
【思考与讨论】
与同学讨论，利用安培定则分析环形电流在中心轴线上产生的磁场方向是怎样的？
安培通过实验归纳出，环形电流中心轴线上的磁场方向，还可以这样判定：使右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁场的方向，如右图所示。
六、电流的磁场
【观察与体验】 观察通电螺线管内外的磁场方向
如右图所示，将一根导线弯成螺旋状，竖直穿过水平放置的硬纸板，使其一半在纸板上，一半在纸板下。在纸板上螺线管内外放置几个小磁针，观察通电后小磁针N极所指的方向；改变通过螺线管的电流方向，观察小磁针N极指向的变化。
六、电流的磁场
【思考与讨论】
与同学讨论，根据螺线管中电流方向判断其内部磁场方向的方法是什么？
安培通过实验归纳出，通电螺线管产生的磁场方向可以这样判定：让右手弯曲的四指沿着电流方向，那么伸直的大拇指所指的一端就是通电螺线管的北极。通电螺线管外的磁感线是由N极指向S极，在管内则是由S极指向N极，形成闭合曲线，如右图所示。
六、电流的磁场
当一根铁棒未被磁化时，内部小磁体的取向是杂乱无章的，它们的磁场互相抵消，对外界不显磁性，如右图所示。
安培的分子电流假说：在铁分子内部存在一种环形电流——分子电流。分子电流使分子成为一个小磁体，分子两侧相当于两个磁极。
六、电流的磁场
当铁棒受到外界磁场作用时，小磁体的取向变得跟外界磁场基本相同，使铁棒显示出磁性，即被磁化了，如右图所示。
假说法就是在观察和实验的基础上，根据科学原理和事实进行理性思维，对未知的自然现象和规律所作的假定性解释和说明的方法。假说内容的正确与否，还需要等待实验的检验或实践的证明。
【思维与方法】 假说法
这是物理学中的一种重要的科学方法，虽然利用假说提出的理论不一定正确，但依然对科学研究有着促进作用，人类就是在不断地质疑、假设、推理、创新中不断进步的。
六、电流的磁场
在钢铁产品生产车间或废钢铁回收部门，经常可以见到的机器就是电磁起重机，其主要结构是通电线圈。它在接近钢铁制品时，接通电路，产生强大磁场，将钢铁吸起。运到目的地后，断开电路，磁场消失，将钢铁放下。
六、电流的磁场
我国时速600公里高速磁浮试验样车在青岛下线，如下图所示。
【应用与拓展】 贴地飞行的磁悬浮列车
六、电流的磁场
谢谢聆听！

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