电流产生磁场

贡献者： _Eden_

未完成：这属于科普部分，主要定性说明，电流周围会产生闭合磁场，随距离减弱，线圈内部会有近似直线的磁场，另外提一下两个线圈的那个装置叫做什么？画两个图

　　在很长的一段时间内，科学家们认为电学和磁学是两个不同的分支，电学是研究正电荷负电荷的学科，导体内定向移动的电荷导致电流，库仑发现了电荷之间的相互作用的定律——库仑定律，法拉第提出电场概念表示电荷激发的一种力场。而磁学是研究磁体之间的相互作用，磁铁有正负两极，产生磁场，磁场会对位于其中的铁磁性物质或者磁铁有一定相互作用。那时的人们还无法想象，电和磁能在一个统一的理论框架下共同描述。

　　 1820 年 4 月的一天，丹麦科学家奥斯特发现通电导线附近，指南针的指向会受到影响。经过反复的实验奥斯特最终确定了电流周围会产生磁场，这对那时的学界带来了巨大的震撼，电学和磁学从此成为了两个联系紧密的学科，人们开始通过更精细的定性定量实验研究它们之间的联系。

1. 奥斯特实验与电流的磁效应

　　奥斯特将一个指针放在通电直导线的附近，发现指针的 $S$-$N$ 会受到力的作用，最终朝向与电流方向垂直的切向方向，而当导线不通电的时候，指针放在导线附近不会受到力的作用。因此奥斯特推断，通电直导线附近会激发一个环绕导线的磁场。如果将磁场线画出来，磁场线会形成一个环绕导线的一个闭合回路，离电流越远的地方磁场越弱，离电流越近的地方磁场越强。

　　磁场的方向可以利用右手定则确定，将大拇指指向通电直导线的方向，四根手指就表示磁场的方向。

图 1：通电导线产生的磁场

　　根据麦克斯韦方程静磁学情况下的公式 $ \boldsymbol{\nabla}\boldsymbol{\times} \boldsymbol{\mathbf{B}} =\mu_0 \boldsymbol{\mathbf{J}} $ 以及 stokes 公式，可以推断出通电直导线附近的磁场大小与距离的关系式是：

\begin{equation} 2\pi R B = \mu_0 I\quad \Rightarrow\quad B=\frac{\mu_0 I }{2\pi R}~. \end{equation}

其中 $R$ 为与通电直导线的垂直距离。可以看到磁场的大小与距离成反比。

2. 通电螺线管

　　当通电导线弯曲后，环绕导线的磁场仍然存在，方向仍然可以用右手定则确定。一个电流方向为逆时针的闭合线圈，由电流的磁效应导致的磁场方向是：磁感线从线圈内穿出，从线圈外绕回去回到线圈内部，这相当于一个很薄的磁铁，上边是 $N$ 极，下面是 $S$ 极。

　　如果将这些许多通电的闭合线圈叠在一起，形成一个通电螺线管，线圈内的磁场大小就会增强，整个通电螺线管就相当于一个电磁铁，可以用电流大小和线圈匝数来调控电磁铁产生的磁场大小。