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08
磁场及其应用
导入 神奇梦幻的极光
在地球的南北极附近上空，时常出现神奇美丽的极光，将夜 晚装扮得非常梦幻。它们呈带状、弧状、幕状、放射状等，神秘莫测，绚丽多彩。
自古，人们对极光就有许多的猜想，在不懈的探索中逐渐认识到，这是太阳辐射到地球的带电高能粒子与地球磁场、地球大气等的共同杰作。极光不只在地球上出现，太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也会出现极光。
那么，极光与地磁场究竟有怎样的关联呢？本章我们学习与磁场有关的知识。
我们知道，磁体和通电导线周围都存在磁场，在电工电子技术领域会遇到许多与磁场相关的问题，比如磁场如何分布？如何描述磁场的强弱与方向？带着这些问题我们一起学习本节内容。
第一节 磁场与磁感应强度
当两个磁体的磁极靠近时，会出现同名磁极相斥、异名磁极相吸的现象（图 8-1）。为什么磁体间没有接触也会产生相互作用？这是因为在磁体周围存在一种特殊物质——磁场。磁场 能够对磁体产生力的作用。
一、磁场 磁感线
第一节 磁场与磁感应强度
磁场既有强弱还有方向。例如，在条形磁体形成的磁场中，N（北）极和 S（南）极附近的磁场较强，在磁体中间附近的磁场较弱；不同位置磁场的方向也不尽相同。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。那么，怎样描述磁场的强弱和方向呢？
英国物理学家法拉第提出用磁感线来形象地描述磁场。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（图 8-2）。磁感线是闭合曲线，不会相交。磁感线分布越密的地方，磁场越强；磁感线分布越疏的地方，磁场越弱。
一、磁场 磁感线
第一节 磁场与磁感应强度
实验中常用铁屑来显示磁体周围磁场的分布，由此也可画出相应的磁感线。图 8-3 是条形磁体周围的磁感线分布示意图。在磁体外部，磁感线从 N 极到 S 极；在磁体内部，磁感线则是从 S 极到 N 极。
一、磁场 磁感线
第一节 磁场与磁感应强度
磁场对通电直导线的作用
如图 8-4 所示，用两根劲度系数较小的弹簧把一矩形线圈悬挂起来，放入蹄形磁体形成的磁场中。接通电源，观察弹簧的受力情况。
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？
保持磁场与电流的大小不变，用磁体并排的方法改变磁场中通电导线的长度，再次观察弹簧的受力情况。
一、磁场 磁感线
第一节 磁场与磁感应强度
做中学
那么如何定量描述磁场的强弱呢？下面我们通过实验进行探究。
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。因此， 和 之比只与磁场有关，在不同磁场或同一磁场的不同位置，此比值通常不同，因此可用其描述磁场的强弱。
二、磁感应强度
第一节 磁场与磁感应强度
二、磁感应强度
第一节 磁场与磁感应强度
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 与电流 和直导线的长度 的乘积之比，称为磁感应强度，用符号 表示，即
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 。
通常，地面附近地磁场的磁感应强度，约为； 太阳表面磁场的磁感应强度约为 ；电动机和变压器铁芯中磁场的磁感应强度约为 。
磁感应强度是矢量。磁场中某点磁感应强度的方向就是该点的磁场方向。
二、磁感应强度
第一节 磁场与磁感应强度
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 8-5），通电长直螺线管内部的磁场也可视为匀强磁场。
在电磁学及其技术应用的研究中，经常还会涉及另一个物理量——磁通量。如图 8-7 所示，在磁感应强度为 的匀强磁场中，有一个与磁场方向垂直、面积为 的平面，物理学中，把磁感应强度 与面积 的乘积，称为穿过这个平面的磁通量，简称磁通，用符号 表示。
三、磁通量
第一节 磁场与磁感应强度
三、磁通量
第一节 磁场与磁感应强度
在国际单位制中，磁通量的单位为韦伯，简称韦，符号为。
由 可得，即磁感应强度为穿过垂直磁场方 向的磁通量与其穿过的面积之比。从磁通量也可看出，磁感线密的地方磁感应强度大，磁感线疏的地方磁感应强度小。
事实上，不仅磁体能产生磁场，电流也能产生磁场。这是丹麦物理学家奥斯特在 1820 年首先发现的现象。那么，通电导体周围的磁场是怎样分布的呢？
下面我们通过实验来进行探究。
四、电流的磁场 安培定则
第一节 磁场与磁感应强度
探究通电直导线周围的磁场分布
将一根直导线垂直穿过水平薄板，如图 8-8 所示。把小磁针放在薄板上，使直导线通入直流电，观察小磁针的偏转情况，记录小磁针静止时 N 极的指向。改变小磁针的位置，记录每次小磁针静止时 N 极的指向。仔细观察，可发现有什么特点？
做中学
从小磁针静止时的 N 极指向可见，通电直导线周围磁场的磁感线是以电流为中心的同心圆。当改变电流的方向时，小磁针的指向也会改变，这表明通电直导线周围空间的磁场方向与电流方向有关。
四、电流的磁场 安培定则
第一节 磁场与磁感应强度
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，巧妙总结出判断通电直导线周围磁场方向的方法，即安培定则：用右手握住通电直导线，让伸直的拇指与电流的方向一致，则四指弯曲的方向就是电流周围磁感线的环绕方向（图 8-9）。
如果把通电直导线弯成环形，形成环形电流，那么对于环形电流的磁场方向的判断，安培定则可表述为：让右手弯曲四指所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 8-10）。
四、电流的磁场 安培定则
第一节 磁场与磁感应强度
把多个环形导线放在一起，组合成螺线管。通电螺线管外部的磁感线与条形磁体的磁感线相似，其内部的磁感线与螺线管的轴线平行，并和外部的磁感线形成闭合曲线。对于通电螺线管磁场方向的判断，安培定则可表述为：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 8-11）。
四、电流的磁场 安培定则
第一节 磁场与磁感应强度
第一节 磁场与磁感应强度
作业与活动
1. 如图所示，导线通电时磁针的 N 极转向纸外，请标出导线中电流的方向。
2. 当电流通过螺线管时，磁针 N 极的指向如图所示，请标出电源的正负极。
项目任务与实践活动
第一节 磁场与磁感应强度
3. 查阅资料，了解地磁场的分布规律和利用地磁探 矿的方法，并与同学交流。
4. 观察右图（或拆卸实物），和同学讨论电铃的工 作原理。
项目任务与实践活动
第一节 磁场与磁感应强度
5* . 查阅资料，了解古今中外科学家对磁现象的研 究过程和我国古代科学家在磁学方面取得的伟大成就。请根据资料，简述我国古代指南针的发明对航海业的影响，谈谈你对我国古代技术发明推动人类 文明进程的感受。

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