经典物理拾阶 12 电流的磁场.pdf

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第十二章.电流的磁场

磁现象的发现并不比电现象晚，但人们一直没有把这两种现象联系起来，而是看成完全不同的相互没
有任何关系的两种现象。只是在对于电的研究相当深入以后，才在电流的现象中发现磁的作用，这才提示
人们这两种现象的本质关系。

基本磁现象。
最先发现的磁现象是磁铁的相互作用。由于天然存在的磁铁，使得人们非常地熟悉磁铁所表现出来的
特性。例如磁铁总是有两个极—南极和北极，同极相排斥，异极相吸引等等，这些特性只有在人们理解了
磁性的本性后才能得到解释。
后来又偶然发现了通过电流的导线也具有和磁铁一样的磁性，并且这就一下子大大地扩充了磁现象的
丰富性，最终安培提出一切磁现象都来源于电流，而人们熟悉的磁铁这种物质的磁性则是来源于分子的电
流。这样就统一了对于磁现象的理解。

磁场。
磁的现象和电的现象具有一个共同的特点，就是相互作用的非接触性。这促使人们提出和电场类似的
概念—磁场，以满足人们对于相互作用必须通过接触的顽强直观
那么对于看不见的磁场，我们只有通过它对检验物体的作用来认识它。
通过实验可以发现：磁场的作用首先体现在对于磁场中的磁性物质或者说运动电荷与载流导体产生作
用力。而反过来外力作用于载流导体，使得它在一定方向上运动则需要克服磁场力作功。
因此我们首先需要一个物理量来刻划磁场的这种作用力。

磁感应强度。
从实验方便的角度我们首先针对磁场对载流线圈的作用来定义磁场的作用强度。
首先要刻划磁场在空间的分布，那么这个物理量就必须只与磁场中的空间位置有关，而与检验线圈的
属性无关，另外对于检验线圈还必须保证对原磁场的作用足够小，而它所感应的磁场区域也必须足够小，
从而能近似地表征空间一点的磁场属性。
通过实验可以发现，磁场对于检验线圈的作用表现在对线圈的力矩的作用，因为磁性总是两极同时出
现，因此线圈总是表现出两个极性，磁场对它的作用也就必定是力矩的作用。还可以发现磁场的这种作用
是有方向性的，因此我们可以通过调整线圈的法线方向，而得到线圈受到最大磁力矩的方向。
回顾我们通过检验电荷来表征电场的电场强度时，是根据电场对检验电荷的作用力来表征的，那个作
用力又是与电荷的电流成正比，从而得到作用力与电荷电流的比值，正是表征电场属性的物理量。同样在
磁场中，对于线圈的力矩的作用，如果我们取最大力矩的话，可以发现这个最大力矩和线圈的电流以及线
圈的面积成正比，而比例系数只是和磁场的空间分布有关，和线圈本身的任何气体性质无关。这样我们定
义线圈电流与线圈面积的乘积为表征线圈的属性的一个物理量，称为磁矩，显然这个物理量表征了线圈在
一定的磁场中受到力矩作用的性质。由于磁力矩是矢量，因此我们可以相应地规定磁矩的方向为线圈的法
线方向。
然后磁矩和最大磁力矩的正比关系使得我们可以定义一个反映磁场本身空间分布的物理量—磁感应强
度B。
。
B=Mm/pm
磁感应强度的物理意义就是在磁场中，每一点都有一个矢量表征磁场的全部性质，磁感应强度的大小
等于单位磁矩的检验线圈在该点所受到的最大磁力矩。而方向则与放置在该点的检验线圈处于平衡状态时
的法线方向相同。
请同学们注意我们在寻找刻划磁场的场强物理量时，遵循了在讨论电场时所使用的类似的方法，这不

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仅是由于电场强度和磁感应强度这两个物理量的类似性，也因为我们讨论场的思想方法的统一性。这
是非常值得认真体会的物理思想。

磁力线。
对于磁场我们已经得到了类似于电场强度的刻划场强的物理量—磁感应强度。下一步就可以采取我们
在讨论电场时所遵循的途径，来进一步讨论磁场。
首先由于磁场在物理图象上，可以看成在空间的每一点上规定了磁感应强度这个矢量，那么我们可以
应用几何的方式，给出一个更为直观的描述，类似于电场的电力线图象，对于磁场也可以定义磁力线。
应用几何语言来描述磁力线，就是磁力线所通过的每一点的磁感应强度的方向就是在该点处磁力线的
切线方向。而该点的磁感应强度的大小由在该点取一个与磁感应强度方向垂直的单位面积中所通过的磁力
线的数目决定。
记住磁力线的一个重要特征，就是磁力线总是闭合曲线，并且总是和闭合电流相互套合，这个特征深
刻地表明了磁场的两极是不可分离的。因此我们称磁场为涡旋场。
另外对于磁场和产生磁场的电流的方向的关系，规定应用右手法则，注意这只是一种约定，并不反映
磁场或电流的本质属性。

磁通量。
在磁场的磁力线图象里可以很自然地定义磁通量的概念，即对于任意给定的曲面，通过该曲面的磁力
线的数目就是磁通量。我们已经知道通过与磁感应强度垂直的单位面积的磁力线的数目就是面元的磁感应
强度，那么磁通量很自然就是磁感应