磁场(高中)

                     

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预备知识 静电场

1. 磁场

   具有磁性的物质叫做磁体,能吸引铁、钴、镍等物质。磁体上磁性最强的部分叫做磁极,分北极($\mathrm N$)和南极($\mathrm S$),磁极不能单独存在。

   磁极之间的作用规律为:同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引。

   磁场是磁体或电流周围存在的一种看不见、摸不着的特殊物质。磁体与磁体、磁体与电流、电流与电流之间都存在相互作用,统称为磁相互作用,这种相互作用是通过磁场发生的。

   磁场中某点磁场方向的表述:

  1. 小磁针北极受磁场力的方向;
  2. 小磁针静止时北极所指的方向;
  3. 磁感线某点的切线方向;
  4. 磁感应强度的方向。

磁感线

   与电场线类似,为了形象地描述磁场,在磁场中画出一系列有方向的假想曲线,曲线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同,这样的曲线叫做磁感线(也叫做磁力线)。

   在磁体的外部,磁感线从北极到南极,在磁体内部则从南极到北极。

   磁感线的疏密程度反映了磁场的强弱,磁感线密的位置磁场强,磁感线疏的位置磁场强。

地磁场

   地球是个巨大的磁体,在地球周围的空间存在着磁场,这个磁场叫做地磁场。地磁北极在地理南极附近,地磁南极在地理北极附近,地磁极和地理极并不重合,它们之间的夹角叫做磁偏角

2. 磁现象

电流的磁效应

   丹麦物理学家奥斯特通过实验发现,通电导体周围存在磁场,且磁场的方向跟电流的方向有关,这一现象叫做电流的磁效应。

分子电流假说

   法国物理学家安培提出了分子电流假说:在原子、分子等物质为例的内部,存在一种环形电流——分子电流,分子电流使每个物质微粒都成为一个微小的磁体。如一根未被磁化的铁棒,其内部的各分子电流都是杂乱无章的,对外无磁性;当分子电流受到外部磁场的作用时,各分子电流的取向趋于规则,铁棒被磁化,对外显现出磁性;在高温下,铁棒的分子热运动变得剧烈,分子电流又变得杂乱无章,铁棒失去磁性(消磁)。

3. 磁感应强度

   磁感应强度是用于描述磁场的强弱和方向的物理量,用 $ \boldsymbol{\mathbf{B}} $ 表示。

   对于一个磁场中的某个点,运动的点电荷经过该点时,若点电荷的速度与磁场方向平行,磁场对该电荷没有力的作用;若点电荷的速度与磁场垂直时,磁场对该电荷的作用力最大,这个作用力的大小与电荷的运动速度和电荷量的乘积成正比。

   磁感应强度可以用上述三个物理量来定义:

\begin{equation} B=\frac{F}{qv} \end{equation}

   即磁场中某点的磁感应强度大小等于电荷以垂直于磁场方向的速度通过该点时所受的力与该电荷的电荷量和速度的乘积之比。

   在国际单位中,磁感应强度的单位是特斯拉(简称),符号为 $\mathrm{T}$,由式可知: $$1\mathrm{T}=1\mathrm{N}\cdot ( \mathrm{C \cdot m \cdot s^{-1} } )^{-1}= 1 \mathrm{N} \cdot ( \mathrm{A} \cdot \mathrm{m})^{-1}$$

   需要注意,磁场中某点的磁感应强度的大小和方向是由磁体决定的,跟经过该点的电荷的速度和电荷量无关。

   磁感应强度是一个矢量,磁场中某点的磁感应强度的方向为小磁针在该点静止时 $\mathrm{N}$ 极所指的方向。

   若磁场中各点的磁感应强度大小和方向都相同,则这个磁场叫做匀强磁场


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