同学们都知道，指南针之所以能指方向，定南北，是因为它本身是个小磁针，而地球是个大磁体，小磁针在这个大磁体的作用下就能按南北方向定位指向。但是指南针为什么不指向东西呢？

一、磁场

在初中物理中我们已经学过，磁体总有两个磁极：北（N）极和南（S）极。磁极之间会产生相互作用：同极相斥，异极相吸，如图7-1所示。

图7-1 同极相斥，异极相吸

为什么磁极间会发生作用呢？原来磁极周围存在着一种特殊的物质，我们把存在于磁体周围的特殊物质，叫做磁场。磁场对处于其中的磁极有作用力，磁极之间的相互作用是通过磁场发生的。

把一些可以自由转动的小磁针放在条形磁铁的周围，在磁场力的作用下，小磁针将发生偏转，静止时，小磁针的指向各不相同，如图7-2所示。

同电场一样，磁场也有方向，物理学规定：在磁场中的任何一点，可以自由转动的小磁针静止时北（N）极所指的方向，就是该点的磁场方向。

图7-2 磁体周围自由移动的小磁针

二、磁感线

1.磁感线的概念 为了形象直观地描述磁体周围的磁场，法拉第提出了与电场线类似的方法，用磁感线来描述各点的磁场方向。

在磁场中画出一系列带箭头的曲线，使曲线上每一点的切线方向，都和该点的磁场方向相同，这些曲线就叫做磁感线。如图7-3所示。图7-4是条形磁铁的磁感线，图7-5是蹄形磁铁的磁感线。

图7-3 磁感线与磁场方向的关系

图7-4 条形磁铁的磁感线

图7-5 蹄形磁铁的磁感线

2.磁感线的性质 磁感线可以形象直观地反映磁场的分布情况。磁感线上各点的切线方向反映各点的磁场方向，而磁感线疏密情况，反映磁场的强弱，磁感线密集的地方，磁场较强，磁感线稀疏的地方，磁场较弱。从上面各图可以看出，靠近磁极的地方，磁场较强，远离磁极的地方，磁场较弱；磁铁外部的磁感线是从N极出发，进入到S极，在空间磁感线是闭合而不相交。

磁感线的疏密，可以形象直观地反映磁场的强弱，但如何精确定量地表示磁场的强弱呢？

三、磁感应强度

法国物理学家安培最早发现，磁场对电流有力的作用。为了纪念他，人们把磁场对电流的作用力叫做安培力。

人们通过实验发现：在磁场中的某一点，当一小段通电导线跟磁场垂直时，安培力F跟电流I和通电导线的长度l的乘积成正比，而比值恒定不变，如图7-6所示。而在磁场中的不同点，这个比值一般不同。这表明，这个比值是与磁场中的位置有关的物理量，它反映了磁场的一种力的性质。

在磁场中，垂直于磁场方向的通电导线所受的安培力F与电流I和导线长度l乘积Il的比值，叫做通电导线所在处的磁感应强度。用B表示磁感应强度，那么

图7-6 安培力与磁场的关系

在SI中，磁感应强度的单位是特斯拉，简称为特，符号是T。

一般永久磁铁的两个磁极附近，磁感应强度大约是0.4～0.7T；在电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10T；人体心脏激发的磁场约为3×10-10T；而地面附近地磁场的磁感强度大约只有5×10-5 T。

磁感应强度是矢量，磁场中某点的磁感应强度方向就是该点的磁场方向，即通过该点的磁感线的切线方向。

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，这个区域内的磁场叫做匀强磁场。显然，匀强磁场的磁感线是一些疏密均匀、互相平行的直线。如图7-7所示。

匀强磁场是一种理想化的物理模型，在现实生活中是不存在的，但距离很近的两个异名磁极之间的磁场，除边缘部分外，可近似地视为匀强磁场。匀强磁场在生产与科研中有着广泛及重要的应用。(www.daowen.com)

图7-7 异名磁极间的匀强磁场

四、磁通量

在电磁学中，经常要讨论某一区域内的磁场和它的变化情况，为此我们引入一个新的物理量——磁通量。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，我们把B与S的乘积叫做穿过该面积的磁通量，如图7-8所示，简称磁通，用字母Φ表示，则有

磁通量是标量，在SI中，磁通量的单位是韦伯，简称为韦，符号是Wb。

磁通量的意义可以用磁感线形象地加以说明：我们知道磁感线密的地方，磁感应强度大，即B大；面积S越大，穿过这个面积S的磁感线就越多，并且此时磁通量Φ也越大。所以，穿过一个面积S的磁通量可以理解为穿过这个面积S磁感线的条数。显然，当一个平面S跟磁场方向垂直时，穿过它的磁感线的条数最多，磁通量最大；当该平面S跟磁场方向平行时，没有磁感线穿过它，穿过它的磁通量为零。即：当B⊥S时，Φ=BS；当B∥S时，Φ=0。

由公式Φ=BS，可以得出

图7-8 磁通量与磁感应强度

上式表明，磁感应强度在数值上等于穿过垂直于磁场方向单位面积的磁通量，因此，工程技术中人们常把磁感应强度称为磁通密度，因此，在SI中，磁感应强度还有另外一个单位Wb/m2。

磁通量虽然是标量，但经常说磁通量的方向，这仅仅是为了叙述方便而已，它指的是穿过一个面积磁感线的方向。

例题 已知某匀强磁场的磁感应强度为0.7T，在该磁场中有一个面积为0.02m2的矩形线圈。求当线圈平面与磁感线垂直和平行时穿过线圈的磁通量各是多少？

解 已知：B=0.7T，S=0.02m2

求：Φ

线圈平面与磁感线垂直时，根据磁通量的公式，穿过线圈的磁通量为

当线圈平面与磁感线平行时，穿过线圈平面的磁通量为零。

答：当线圈平面与磁感线垂直时穿过线圈的磁通量为1.4×10-2 Wb，当线圈平面平行于磁感线时，穿过线圈的磁通量为零。

【实践活动】

模拟磁感线实验

把一张白纸水平铺平，给纸上放一个条形磁铁，如图7-9（a）所示；也可以用块玻璃板代替白纸，把玻璃板水平地放在蹄形磁铁上面，如图7-9（b）。在纸（或玻璃板上面）均匀地撒一些铁粉，然后轻轻敲击白纸（或玻璃板），细铁粉会发生移动，最后静止时，观察铁粉能否排列成如下图的规则曲线形状。想一想，这些曲线模拟出来的是什么线？它的方向如何确定？

图7-9 磁感线模拟实验

习题7-1

题图7-1 比较A、B两点磁场的强弱

1.一个电磁铁的铁芯的横截面积为8cm2，垂直穿过横截面的磁感应强度为0.8T，求穿过铁芯横截面的磁通量是多少？

2.边长为2.0cm的正方形线圈置于某匀强磁场中，当线圈平面与磁场方向垂直时，测得穿过它的磁通量为8.0×10-6 Wb，问该磁场的磁感应强度是多少？。

3.已知匀强磁场的磁感应强度B=0.5T，一个半径r=6×10-2 m的圆环置于该磁场中，求（1）圆环平面与磁场方向垂直时，穿过圆环平面的磁通量；（2）圆环平面与磁场方向平行时，穿过圆环平面的磁通量。

4.某一局部区域的磁场中的磁感线如题图7-1所示，试比较A、B两点磁场的强弱，并标出A、B两点磁场的方向。