问题导入

距今两千多年前，人们就已经发现了磁现象。我国是世界上最早发现磁性物质的国家，春秋战国时期的著作已有关于磁石的记载和描述；我国也是首先应用磁现象的国家，早在战国时期，我国就发明了指南针，并在12世纪初将指南针用于航海。发电机、电话、电视及各种电子设备都是电和磁相互转化的应用实例。

图6-3-1　托卡马克磁约束装置

1.磁场

物体能吸引铁、钴、镍等物质的性质叫作磁性，具有磁性的物体叫作磁体。

磁体的两端磁性最强，这两端称为磁极。可以自由转动的磁针在静止时总是有一端大致指北，另一端大致指南，指北的一端称为北极（N极），指南的一端称为南极（S极）。磁体之间存在相互作用力：同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引。

做一做

用磁铁异性端分别在铁屑中蘸一下，然后将它们往一起靠近，中间的铁屑竟悬浮在空气中了，如图6-3-2所示。

再用磁铁的同性端做上述操作。铁屑弯曲着，相互远离，如图6-3-3所示。

图6-3-2

图6-3-3

从上面的实验可以看到，磁极间存在相互作用，这种作用力称为磁力。那么，磁体跟磁体之间并没有直接接触，它们之间相互受到磁力是怎样实现的呢？实际上，磁体或电流周围空间存在着一种特殊物质，它们间的相互作用就是通过这种特殊物质来实现的。我们把存在于磁体或电流周围空间的这种特殊物质叫作磁场，并且规定小磁针N极在磁场中某点所指的方向就是该点的磁场方向，如图6-3-4所示。磁力又叫磁场力。

图6-3-4　用小磁针确定的磁场

图6-3-5　地磁场示意图

地磁场　人们发现磁针能够指向南北，实际上就是发现了地球的磁场。指南针的广泛使用，又促进了人们对地球磁场的认识。科学研究表明，地球的地理两极与地磁两极并不重合，因此磁针并非准确地指向南北，磁针指向与地轴间有一个夹角，如图6-3-5所示，这就是地磁偏角，简称磁偏角。在地球上不同地点磁偏角的数值是不同的。不仅如此，由于地球磁极的缓慢移动，磁偏角也在缓慢变化。磁偏角的发现对于科学的发展和指南针在航海中的应用都很重要。

地磁场对人类生活的影响极大地体现在保护上，在广阔的宇宙空间，存在着大量的宇宙射线，宇宙射线是高速运动的带电粒子流，这些粒子以很大的速度运动着，有的速度接近光速，所以，这些宇宙射线具有很高的能量。众多高能量的宇宙射线从四面八方射向地球，如果射到地球上，将会给人类的生存带来极大的危害。多亏有地磁场这道天然的屏障，运动着的带电粒子在接近地球时，在地磁场中会受到磁场力的作用而改变运动方向，其中大多数粒子会偏离射向地球的方向而奔向浩瀚的宇宙空间，一部分带电粒子进入地球上空数千米时，会在地磁场的作用下做螺线形运动而向南、北极的上空集结，从而撞击高空中的分子，形成多彩的极光，只有极少数高能粒子才能达到地球表面，对人类就构不成大的威胁了。

STS

中国古代历史上规模空前的一次航海活动发生在明永历三年，船队的统领是郑和（1371—1433）。郑和下西洋的船队已经装备了罗盘，导航时兼用罗盘和观星，二者互相补充，互相修正。他的航海图叫作“针图”，图中的航线叫作“针路”。郑和下西洋是世界航海史上伟大的壮举之一，开拓了我国在南洋群岛、印度洋沿岸国家的海外市场，刺激了我国的商品生产，是世界地理发展史上的光辉纪录。这其中，指南针功不可没。如图6-3-6所示。

到了现代，人类对磁场的利用就更多了，利用磁场进行电能和机械能的相互转变，人们制造出发电机、电动机；利用磁性材料的磁化和消磁，人们广泛地使用磁卡、磁盘、磁带；地球的磁场不仅为我们导航，还能帮助我们测定岩层的年龄、传递大陆漂移的信息。大到天体，小到粒子，磁现象无处不在。

图6-3-6　航海用指南针

2.磁感线

为了直观地表示磁场的方向和强弱，英国物理学家法拉第于1852年首次引入磁感应线的概念。磁感应线简称磁感线，是在磁场中画出一系列有方向的曲线，曲线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向一致，如图6-3-7所示。

图6-3-7　磁感线

磁感线摸不到、看不见，如何直观进行观测？实验上常用铁屑来模拟磁感线的形状。

演示实验

取一块具有南北极的磁铁，放置在玻璃板上，玻璃板上均匀地撒一层细铁屑，细铁屑就在磁场里磁化成“小磁针”。再轻敲玻璃板，铁屑就会有规则地排列起来，模拟出磁感线的形状，如图6-3-8所示。

图6-3-8　模拟磁感线

图6-3-9分别是条形磁铁和蹄形磁铁周围空间磁场的磁感线分布情况。可以看出，磁感线具有如下性质：①磁感线是闭合曲线（磁铁外部的磁感线是从北极出来，进入磁铁的南极，内部是从南极到北极）；②任意两条磁感线不会相交；③磁感线上任意一点的切线方向就是该点的磁场方向；④磁感线的疏密程度表示磁感应强度的大小。

图6-3-9　条形磁体、蹄形磁体的磁感线

通电导体周围也存在着磁场。电流周围磁场的方向和电流的方向有关，可用安培定则（右手螺旋定则）来判定。常见的电流磁场通常有3类：直线电流的磁场、环形电流的磁场、通电螺线管的磁场。

直线电流的磁场　用右手握着直导线，让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致，则弯曲四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。可见，直流电流的磁场磁感线是一些环绕通电直导线的闭合曲线，磁感线在垂直于导体的平面内，是一系列的同心圆，如图6-3-10所示。

图6-3-10　直线电流的磁场

环形电流的磁场　让右手弯曲四指和环形电流方向一致，与四指垂直的大拇指所指的方向就是环形电流中心轴线上磁感线的方向。可见，环形电流的磁场磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线，如图6-3-11所示。

图6-3-11　环形电流的磁场

图6-3-12　通电螺线管的磁场

通电螺线管的磁场　用右手握着螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，与四指垂直的大拇指所指的方向就是通电螺线管N极的方向。如图6-3-12所示。

小知识

生产中，有时要求工件移近某个位置时发出控制信号，这需要使用“接近开关”。一些接近开关中使用的干簧管如图6-3-13所示。当安装在工件前端的蹄形磁铁接近干簧管时，本来分开的两片舌簧（铁磁材料制成）会相互吸引而接触，导通控制电路。请说明，两片舌簧为什么会相互吸引？（提示：根据磁化了的舌簧内部磁感线的方向，判断舌簧相对两端的极性。）

图6-3-13　接近开关

想想议议

电流的磁场在实际中有很多重要的应用，电磁起重机、发电机、电动机以及在自动控制中普遍应用的电磁开关等，都离不开电流的磁场。为什么这些场合不使用永磁体来产生磁场呢？与永磁体的磁场相比，电流的磁场有什么优点？

3.磁感应强度

在研究电场的时候，我们研究试探电荷在电场中的受力情况，确定了一个叫作电场强度的物理量，用来描述电场的强弱。依次类推，我们应把描述磁场强弱的物理量叫作磁场强度。但历史上磁场强度已经用来表示另一个物理量，因此物理学中用磁感应强度来描述磁场的强弱。(www.daowen.com)

演示实验

把一根通电直导线水平放置在竖直方向的磁场中，如图6-3-14所示，研究均匀导线在匀强磁场中的受力。

图6-3-14　通电导线在磁场中的受力

实验表明：垂直于磁场的一段通电导线，在磁场中某处受到的磁场力大小F跟电流I和导线的长度l乘积成正比。因此，比值是一个常量，这个比值的大小只跟磁场有关，在不同的磁场中，或同一磁场的不同点，这个比值一般不同。对于放置于磁场中通有一定电流的一定长度导线，这个比值大，表示导线所在处磁场强；这个比值小，表示导线所在处磁场弱。所以，我们就用这个比值表示磁场的强弱。

在磁场中某处，垂直于磁场方向的通电导线，受到的磁场力F跟电流I和导线长度l的乘积Il的比值，叫作磁场中该处的磁感应强度，用B表示。即

在国际单位制中，B的单位是特斯拉（T），简称特。

磁感应强度B是矢量。磁场中某点的磁场方向就是该点的磁感应强度方向。B是一个磁场中的常量，与放入其中的测量物体无关。

一般永久磁铁附近的磁感应强度为0.4～0.7T，在电动机和变压器的铁芯中，磁感应强度可达0.8～1.4T，通过超导材料的强电流产生的磁感应强度可高达1000T，而地面附近地磁场的磁感应强度大约为5×10-5T。

在磁场中，如果各点的磁感应强度的大小相等，方向相同，这部分磁场就叫作匀强磁场。在匀强磁场中，磁感线是一些间隔相同的平行直线。距离很近的两个异名磁极之间的磁场，除边缘部分外，就可以认为是匀强磁场，如图6-3-15所示。相隔一定距离的两个平行放置的线圈通电，其中间区域的磁场也是匀强磁场，这种装置在电子仪器中常常用到。

图6-3-15　匀强磁场

【例题】将0.2m长的导线放入匀强磁场中，它的电流方向与磁场垂直。如果导线中通过的电流是0.4A，它受到的磁场力是8×10-2N，求磁场的磁感应强度。

解：已知l=0.2m，I=0.4A，F=8×10-2N，根据磁感应强度定义式得

答：磁场的磁感应强度是1T。

4.磁通量

在研究电磁现象时，常常要讨论穿过某一面积的磁场及其变化，为此引入了一个新的物理量，即磁通量。穿过某一面积的磁感线的条数称为穿过该面积的磁通量，简称磁通，如图6-3-16所示。

图6-3-16　穿过S面的磁通量

设在磁感应强度为B的匀强磁场中，有个与磁场方同垂直的平面，面积为S，我们把B与S的乘积叫作穿过这个面积的磁通量，用Φ表示，穿过它的磁通量

Φ=BS

磁通的单位是韦伯，简称韦，符号为W b，1W b=1T·m2。如果平面与磁场方向不垂直，那么我们用这个面在垂直于磁场B的方向的投影面积Sn与B的乘积表示磁通量，如图6-3-17所示。

图6-3-17　穿过S和Sn的磁通量相等

当平面与磁场方向垂直时，磁通最大；当平面与磁场方向平行时，磁通为零。

习　题

1.图6-3-18所示电路接通时小磁针将如何转动？

2.螺线管电流的方向如图6-3-19所示，请标出各个小磁针的N极。

图6-3-18　第1题图

图6-3-19　第2题图

3.如图6-3-20所示，环形导线通有顺时针方向的电流，请判断小磁针静止时N极的指向。

图6-3-20　第3题图

图6-3-21　第4题图

4.试判断图6-3-21中电源的极性。

5.图6-3-22为一磁场的磁感线分布，试比较A、B、C三点磁感应强度的大小，并画出各点磁感应强度的方向。

图6-3-22　第5题图

图6-3-23　第6题图

6.10cm长的导线放入匀强磁场中，导线方向和磁场的方向垂直。如果导线中通过的电流是3.0A，则它受到磁场的作用力是1.5×10-5N，磁场的磁感应强度是多少？

7.图6-3-23中线框活动边DE向右滑动，线框平面中的磁通如何变化？变化的原因是什么？

8.在B=2.0×10-2T的匀强磁场中，有一个环面与磁感线垂直的圆环，其半径r=0.40m，求环面中的磁通。

学生实践

观察计算机磁盘驱动器的结构（图6-3-24），并上网查询其工作原理。

图6-3-24　磁盘驱动器结构

以磁盘作为记录信息媒体的存储装置，磁盘驱动器读取磁盘中的数据，传递给处理器。磁盘驱动器由磁头、磁盘、读写电路及机械伺服装置等组成。磁盘驱动器采用高精度、轻型磁头驱动定位系统。这种系统能使磁头在盘面上快速移动，可在极短的时间内精确地定位在由计算机指令指定的磁道上。

磁盘利用特定的磁性物质的极性来记录数据。磁头在读取数据时，将磁性物质的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，往磁盘中写入数据的操作正好与此相反。