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第5章
电与磁及其应用
本章导读电场是存在于电荷周围并能传递电荷与电荷之间相互作用的特殊物质；磁场是磁体周围存在的一种特殊物质，它会对放入其中的磁体产生磁力；由磁场产生电流的现象被称为电磁感应现象……本章主要介绍电与磁的相关知识。学习目标
了解静电现象。
掌握电场中的相关概念。
掌握磁场中的相关概念。
掌握电流的磁效应。
掌握磁场对电流的作用。
理解电磁感应现象的原理及法拉第电磁感应定律。
了解交流电及安全用电的相关知识
目录 Contents
5.1 电荷与电场
5.2 电势能、电势与电势差
5.3 磁场
5.4 磁场对电流的作用
5.5 电磁感应
5.6 交流电及安全用电
5.3 磁场
5.3 磁场
5.3.1 磁 场
1．磁场
将两块磁铁的磁极互相靠近时，两块磁铁之间会产生相互作用的磁力。实验表明，异名磁极相互吸引，同名磁极相互排斥。同电场一样，磁体周围也存在看不见的特殊物质，这种物质叫作磁场。磁场对放入其中的磁体有力的作用，这个力叫作磁场力。
5.3 磁场
演示实验5-3 观察小磁针在条形磁铁周围的指向变化
把一些可以自由转动的小磁针放在条形磁铁周围，在磁场力的作用下，小磁针发生了偏转，当小磁针静止时，其指向如右图所示，我们发现不同位置的小磁针指向有所不同。
5.3 磁场
指南针为什么会“指南”？因为地球周围存在磁场，这个磁场叫作地磁场。指南针“指南”就是因为指南针在地磁场的作用下发生了偏转，从而指示方向。
5.3 磁场
2．磁感线
用电场线可以形象地描绘电场的方向，同样地，在磁场中也可以用磁感线来形象地描述磁场的方向。所谓磁感线，就是在磁场中画出一些有方向的曲线，曲线上任一点的切线方向即表示该点的磁场方向，如下图所示。磁感线是假想的曲线，客观上并不存在。
5.3 磁场
如下图所示为条形磁铁和马蹄形磁铁的磁感线分布情况。从图中可以看出，磁铁外部的磁感线从N极发出，指向S极（即南极），且在空间不相交、不相切。在磁场中，磁感线的疏密程度表示磁场的强弱。
5.3 磁场
3．磁感应强度
法国物理学家安培发现，磁场对放入其中的电流有力的作用，这种力叫作安培力。
大量实验表明，当一小段通电导线处于磁场中，且电流方向与磁场方向垂直时，通电导线在该处受到的安培力F与电流I、通电导线的长度l的乘积的比值是个定值。我们把这个比值叫作磁感应强度，用符号B表示，则有
磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，写作T。在磁场的不同位置，磁感应强度往往不一样。
5.3 磁场
磁感应强度是矢量，它不仅有大小，还有方向。空间某点磁感应强度的方向就是该点的磁场方向，也是磁感应线在该点的切线方向。
磁感应强度的大小反映了磁场的强弱。人体器官内磁场的磁感应强度为 ；地磁场在地面附近的磁感应强度平均值为 ；核磁共振磁场的磁感应强度为3 T；中子星表面磁场的磁感应强度为 ；原子核表面磁场的磁感应强度约为 。
5.3 磁场
4．匀强磁场
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叫作匀强磁场。匀强磁场的磁感线是一组等间距的、互相平行的直线。
匀强磁场在生产与科研中有着广泛的应用，我们把距离很近的两个异名磁极之间的磁场（边缘部分除外）近似地看作匀强磁场，如下图所示。
5.3 磁场
5．磁通量
磁通量是表示磁场分布情况的物理量。如右图所示，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，则B与S的乘积称为穿过该平面的磁通量，简称磁通。如果用 表示磁通量，则有
5.3 磁场
磁通量是标量，它的单位是韦伯，简称韦，用符号Wb表示。
根据公式 ，可以得出
此公式表明，磁感应强度在数值上等于单位面积上的磁通量，因此，我们也常常把磁感应强度叫作磁通密度，此时它的单位是 。
对于同一个平面，当它跟磁场方向垂直时，穿过的磁感线条数最多，磁通量最大；当它跟磁场方向平行时，没有磁感线穿过，磁通量为零。
5.3 磁场
5.3.2 电流的磁场
1．电流的磁效应
1820年，丹麦物理学家奥斯特发现，如果将小磁针放在导线下方且与导线平行（见下图），当导线通电后，小磁针会发生偏转，最终与导线方向垂直。奥斯特的这个实验否定了人们认为电和磁是彼此无关的两种自然现象的观念，证实了电流能产生磁场（电流的磁效应），从此开启了电磁学的新时代。
5.3 磁场
2．右手螺旋定则
1）直导线的右手螺旋定则
演示实验5-4 观察直导线通电后产生的磁场
如下图所示，将一根直导线竖直通过水平放置的白纸板，在板面上均匀地撒一些细铁屑，再给导线通以向下的电流，然后轻轻敲击纸板，细铁屑就会出现位置变化。当细铁屑静止时，我们发现细铁屑围绕导线排成一系列规则的圆圈形状。若在纸板上放置几个小磁针，则小磁针的N极都指向顺时针方向（从上往下看）。如果给导线通以向上的电流，则小磁针的N极都指向逆时针方向（从上往下看）。
5.3 磁场
5.3 磁场
法国科学家安培通过实验发现，直线电流产生的磁场的磁感线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆分布在与导线垂直的平面上。对于磁感线方向的判定方法如下：用右手握住导线，使大拇指沿着电流的方向伸直，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向，如下图所示。这就是安培定则，也叫作右手螺旋定则。
5.3 磁场
环形电流产生的磁场的磁感线是一些环绕环形导线的闭合曲线。其中，处于环形导线中心轴线上的磁感线与环形导线的平面垂直，其方向也可以用右手螺旋定则来判定：使右手弯曲四指的指向和环形电流的方向保持一致，伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁感线的方向，如下图所示。
2）环形电流的右手螺旋定则
5.3 磁场
3）螺线管的右手螺旋定则
演示实验5-5 观察螺线管通电后产生的磁场
如下图所示，将一根导线呈螺旋状穿过水平放置的白纸板，白纸板中心处在螺线管导线的中心。在白纸板上均匀地撒一些细铁屑，并给导线通电，然后轻轻敲击纸板，细铁屑就会出现位置变化。当细铁屑静止时，我们发现细铁屑的排列有一定的规律。若在纸板上放置几个小磁针，则小磁针的N极指向也有一定的规律。如果改变电流的方向，则小磁针的N极指向会全部反过来。
5.3 磁场
5.3 磁场
实验发现，通电螺线管表现出的磁性与条形磁铁相似，它的一端相当于 N 极，另一端相当于S极。如果改变其中的电流方向，它的N极、S极就会对调。通电螺线管内部磁场的磁感线方向也可以用右手螺旋定则来判定：用右手握住通电螺线管，让弯曲的四指所指的方向与电流方向一致，大拇指所指的方向就是通电螺线管内部磁场的磁感线方向，即大拇指指向通电螺线管的N极，如右图所示。
5.3 磁场
通电螺线管产生磁场的磁感线在管外由N极指向S极，在管内由S极指向N极，且管内管外的磁感线会形成闭合曲线，如下图所示。
在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导线线圈，就形成了电磁铁。
电磁铁是通过接通电流来产生磁场力的器件，属于非永久磁铁，它可以随时产生或消除磁性。
电磁铁是电流磁效应（电生磁）的一个应用，与生活联系紧密，如电磁起重机、电磁继电器、磁悬浮列车和电磁流量计等，都是电磁铁的应用。
利用电磁铁来搬运钢铁材料的装置叫作电磁起重机。电磁起重机能产生强大的磁场力，几十吨重的铁片、铁丝、铁钉、废铁等，不用装箱也不用捆扎，就能很方便地收集和搬运，操作省力，流程简单。电磁起重机工作时，只要电磁铁线圈里有电流，被吸起的重物就不会落下。如果因某种原因断了电，就容易造成事故，因而有的电磁起重机装有钢爪，防止被吸起的重物掉落。电磁起重机不能搬运灼热的铁块，因为高温的铁块不能被磁化。
5.3 磁场
知识角
5.3 磁场
课后实践
请在课后利用干电池、长导线、开关、木棍、小铁钉等材料，制作一个能吊起钢铁物质的电磁起重机，将吊起过程录制成视频，并与同学分享交流，看看谁制作的电磁起重机搬运能力更强。

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