大学物理教程：磁感应强度的定量研究

1.磁现象

我国是世界上最早认识磁性和应用磁性的国家，早在公元前，人们就已经发现了磁现象，11世纪发明了指南针。指南针是我国古代四大发明之一，是中华民族对世界文明的重大贡献。古希腊人对天然磁铁的磁性也做过早期的定性研究并有文字记载。英国人吉尔伯特（Gilbert）在1600年发表的著名论文《论磁体》被认为是对磁学的第一篇全面论著，吉尔伯特还为此获得“磁学之父”的美称。

人类对磁现象的认识始于对永磁体（永磁铁）的观察。永磁体分天然磁体和人工磁体两种。通过早年的观察发现，永磁体有两个磁极，人们分别命名为南极（S极）和北极（N极），并认为磁极处存在着磁荷。磁体和磁体之间有相互作用，同名磁荷相互排斥，异名磁荷相互吸引。将条形磁铁折为两段，则每段的两端都会出现异性磁荷，人们据此认为，磁极总是成对出现而不能单独存在，这与电荷有独立存在的正电荷和负电荷不同。近代理论认为可能有单独磁极存在，这种具有磁南极或磁北极的粒子，叫作磁单极子。

1820年，丹麦物理学家奥斯特（Oersted）发现放在通有电流的导线周围的磁针因受力而偏转，其转动方向与导线中电流的方向有关。之后，法国物理学家安培获得了一系列关于载流导线之间磁相互作用的实验结果。如两平行载流导线间，电流同向相互吸引，电流异向相互排斥，电流和永磁体都表现出磁性。并提出安培分子电流假说，他认为一切磁现象都起源于电流，任何物质的分子中都存在闭合的电流（分子电流），每个分子电流都具有磁性。对于一般物质（非磁体），各分子电流方向杂乱无章，磁性互相抵消；对于永磁体，各分子电流作规则排列，磁性互相加强而导致整体显示磁性。安培的这一假说虽然受历史条件所限而难免有些粗糙，但其本质与近代物理对磁本性的看法是一致的。随着电子等带电粒子被相继发现，人们才明确认识到电流是带电粒子的定向运动，从而通过大量实验证实运动着的带电粒子在主动和被动两方面都表现出磁效应。因此，无论是电流与电流之间，还是电流与磁体之间的相互作用都可以归结为运动的电荷之间的相互作用。即磁现象起源于运动的电荷。

2.磁感应强度

从静电场的研究中我们已经知道，静止电荷间的相互作用是通过电场来传递的。电流间（包括运动电荷间）的相互作用也是通过场来传递的，这种场称为磁场，磁场是存在于运动电荷周围空间除电场以外的一种特殊物质，磁场对位于其中的运动电荷有力的作用。因此，运动电荷与运动电荷之间、电流与电流之间、电流（或运动电荷）与磁铁之间的相互作用，都可以看成是它们中任意一个所激发的磁场对另一个施加作用力的结果。

下面定量地研究磁场，借鉴于静电场强度E的定义，从磁场对运动电荷的作用力，引入磁感应强度B。如图12-3所示，一正电荷q以速度v通过匀强磁场，我们把这一运动的正电荷当作检验（磁场的）电荷。实验表明，运动电荷受到的磁场力F不仅取决于其电荷q，而且取决于其速度v。因此，定义B的方向和大小如下。

图12-3　电源内的非静电力(https://www.xing528.com)

（a）v//B，F=0；（b）v⊥B，F=F⊥

电荷q沿不同方向通过磁场时，它受磁场力的大小不同；但当q沿某一特定方向（或其反方向）通过磁场时，它受的磁场力为零，而与q无关。磁场中各点都有各自的这种特定方向。这说明磁场本身具有“方向性”，我们就可以用这个特定方向（或其反方向）来规定磁场的方向。当q沿其他方向运动时，q受的磁场力F的方向总与此“不受力方向”以及q本身的速度v的方向垂直。这样我们就可以进一步具体地规定磁感应强度B的方向使得v×B的方向恰好为F的方向。

当电荷的速度v的方向与磁感应强度B的方向垂直时，它所受的磁场力最大为F⊥，且其值F⊥与qv乘积成正比，在该点处的比值F⊥/qv是定值。这种比值在磁场的不同位置处有不同的量值，它如实反映了磁场的空间分布。我们把这个比值规定为磁场中某点的磁感应强度B的大小，即

由上述讨论可以知道，磁场力F既与运动电荷的速度v垂直，又与磁感应强度B垂直，且相互构成右手螺旋关系，故它们之间的矢量关系式可写为

从式（12-9）可以看出，对于以速度v运动的负电荷，其所受到的磁场力方向与等量的正电荷受力方向相反，大小却是相同的。在国际单位制中，B的单位是N·s·C-1·m-1或N·A-1·m-1，其名称叫特斯拉，符号为T，即

B的单位有时也用高斯（G）表示，两者关系为

磁感应强度B是描述磁场强弱和方向的物理量，磁场中各点B的大小和方向都相同的磁场称为匀强磁场或均匀磁场，而场中各点的B都不随时间改变的磁场则称为恒定磁场或稳恒磁场。