電流磁效應(yīng)

電流磁效應(yīng)定義

電流的磁效應(yīng)(通電會產(chǎn)生磁)：奧斯特發(fā)現(xiàn)，任何通有電流的導(dǎo)線，都可以在其周圍產(chǎn)生磁場的現(xiàn)象，稱為電流的磁效應(yīng)。

非磁性金屬通以電流，卻可產(chǎn)生磁場，其效果與磁鐵建立的磁場相同。

通有電流的長直導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場：

在通電流的長直導(dǎo)線周圍，會有磁場產(chǎn)生，其磁感線的形狀為以導(dǎo)線為圓心一封閉的同心圓，且磁場的方向與電流的方向互相垂直.。

電流磁效應(yīng)右手定則1

用右手握住導(dǎo)線，大拇指指向電流的方向(所以必須是直流電，電流的方向，在導(dǎo)線中是由正極到負(fù)極)，其余四指所指的方向，即為磁力線的方向或磁針N極所受磁力的方向。

電流磁效應(yīng)右手定則2

以右手握住線圈，四指指向?qū)Ь€上電流的方向，則大拇指所指即為磁力線方向。

電流磁效應(yīng)磁場的強(qiáng)度1

H(高斯)=2I(安培)/10r(公分)<；==長直導(dǎo)線

I：系指導(dǎo)線上的總電流，可借著增加線圈的匝數(shù)來提高導(dǎo)線上的總電流。

r：為與導(dǎo)線間的垂直距離。

*注：地球磁場約0.2高斯。

電流磁效應(yīng)磁場強(qiáng)度2

螺管線圈：管面半徑a，管長L，線圈總匝數(shù)N，距端面為X的P點(diǎn)

a.空心：X點(diǎn)之磁場

b.若在螺線管內(nèi)塞滿磁鐵性物質(zhì)，除了原有空心線圈所產(chǎn)生的磁場外，另外還得加上這些物質(zhì)磁化后所造的磁場，即總磁場強(qiáng)度(B)應(yīng)為

B=H 4πM=H 4πXH=（1 4πX）H=μH

X：導(dǎo)磁M：磁化強(qiáng)度H：空心線圈之磁場

由上式可知塞有磁性物質(zhì)的螺線管，其所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為空心線圈的M倍。一般鐵磁性物質(zhì)的μ值在數(shù)百到數(shù)萬之間。

1731年，一名英國商人發(fā)現(xiàn)，雷電過后，他的一箱刀叉竟然有了磁性。

1751年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)萊頓瓶放電可使縫衣針磁化。

電流磁效應(yīng)電流碰撞

奧斯特的“電流碰撞”

丹麥物理學(xué)家漢斯·奧斯特(H．C．Oersted，1777－1851)是康德哲學(xué)思想的信奉者，深受康德等人關(guān)于各種自然力相互轉(zhuǎn)化的哲學(xué)思想的影響，奧斯特堅信客觀世界的各種力具有統(tǒng)一性，并開始對電、磁的統(tǒng)一性的研究。1751年富蘭克林用萊頓瓶放電的辦法使鋼針磁化的發(fā)現(xiàn)對奧斯特啟發(fā)很大，他認(rèn)識到電向磁轉(zhuǎn)化不是可能不可能的問題，而是如何實(shí)現(xiàn)的問題，電與磁轉(zhuǎn)化的條件才是問題的關(guān)鍵。開始奧斯特根據(jù)電流通過直徑較小的導(dǎo)線會發(fā)熱的現(xiàn)象推測：如果通電導(dǎo)線的直徑進(jìn)一步縮小那么導(dǎo)線就會發(fā)光如果直徑進(jìn)一步縮小到一定程度，就會產(chǎn)生磁效應(yīng)。但奧斯特沿著這條路子并未能發(fā)現(xiàn)電向磁的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。奧斯特沒有因此灰心，仍在不斷實(shí)驗，不斷思索，他分析了以往實(shí)驗都是在電流方向上尋找電流的磁效應(yīng)，結(jié)果都失效了，莫非電流對磁體的作用根本不是縱向的，而是一種橫向力，于是奧斯特繼續(xù)進(jìn)行新的探索。1820年4月的一天晚上，奧斯特在為精通哲學(xué)及具備相當(dāng)物理知識的學(xué)者講課時，突然來了“靈感”，在講課結(jié)束時說：“讓我把通電導(dǎo)線與磁針平行放置來試試看！”于是，他在一個小伽伐尼電池的兩極之間接上一根很細(xì)的鉑絲，在鉑絲正下方放置一枚磁針，然后接通電源，小磁針微微地跳動，轉(zhuǎn)到與鉑絲垂直的方向。小磁針的擺動，對聽課的聽眾來說并沒什么，但對奧斯特來說實(shí)在太重要了，多年來盼望出現(xiàn)的現(xiàn)象，終于看到了，當(dāng)時簡直使他愣住，他又改變電流方向，發(fā)現(xiàn)小磁針向相反方向偏轉(zhuǎn)，說明電流方向與磁針的轉(zhuǎn)動之間有某種聯(lián)系。

奧斯特為了進(jìn)一步弄清楚電流對磁針的作用，于1820年4月到7月，費(fèi)了三個月的時間，做了六十多個實(shí)驗，他把磁針放在導(dǎo)線的上方、下方，考察了電流對磁針作用的方向；把磁針放在距導(dǎo)線不同距離，考察電流對磁針作用的強(qiáng)弱；把玻璃、金屬、木頭、石頭、瓦片、松脂，水等放在磁針與導(dǎo)線之間，考察電流對磁針的影響……。并于1820年7月21日發(fā)表了題為《關(guān)于磁針上電流碰撞的實(shí)驗》的論文，這篇論文僅用四頁紙，十分簡潔地報告了他的實(shí)驗，向科學(xué)界宣布了電流的磁效應(yīng)。1820年7月21日作為一個劃時代的日子載入史冊，它揭開了電磁學(xué)的序幕，標(biāo)志著電磁學(xué)時代的到來。

奧斯特當(dāng)時把電流對磁體的作用稱為“電流碰撞”，他總結(jié)出了兩個特點(diǎn)：一是電流碰撞存在于載流導(dǎo)線的周圍；二是電流碰撞“沿著螺紋方向垂直于導(dǎo)線的螺紋線傳播”。奧斯特實(shí)驗證實(shí)了電流所產(chǎn)生的磁力的橫向作用，他在二十年前建立的信念，終于靠自己的實(shí)驗證實(shí)了。

有人說奧斯特的電流磁效應(yīng)是“偶然地發(fā)現(xiàn)了磁針轉(zhuǎn)動”，當(dāng)然也不無道理，但是法國的巴斯德 說得好：“在觀察的領(lǐng)域中，機(jī)遇只偏愛那種有準(zhǔn)備的頭腦 。”

電流磁效應(yīng)安培定則

又稱右手螺線管定則

奧斯特的發(fā)現(xiàn)轟動了整個歐洲，對法國學(xué)術(shù)界的震動尤大，法國物理學(xué)家阿拉果在瑞士聽到了奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的消息，十分敏銳地感到這一成果的重要性，隨即于1820年9月初從瑞士趕回法國。9月11日即向法國科學(xué)院報告了奧斯特的這一最新發(fā)現(xiàn)，他詳細(xì)地向科學(xué)院的同事們描述了電流磁效應(yīng)的實(shí)驗。阿拉果的報告，在法國科學(xué)家中引起了很大反響。當(dāng)時，以科學(xué)上極為敏感、最能接受他人成果而著稱的安培(A．M．Ampere，1775－1836)對此作出了異乎尋常的反應(yīng)，他于第二天就重復(fù)了奧斯特的實(shí)驗，并加以發(fā)展，在一周內(nèi)于9月18日向法國科學(xué)院報告了第一篇論文，闡述了他重復(fù)做的電流對磁針的實(shí)驗，并提出了圓形電流產(chǎn)生磁性的可能性。安培在這個實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)磁針轉(zhuǎn)動的方向與電流方向的關(guān)系服從右手定則，即是后人稱它為“安培右手定則”。

電流磁效應(yīng)安培定律

此后安培又創(chuàng)造性地發(fā)展了實(shí)驗內(nèi)容，研究了電流對電流的作用，這比奧斯特實(shí)驗大大前進(jìn)了一步。他又向法國科學(xué)院提出了第二篇論文，闡述了他用實(shí)驗證明了兩平行載流導(dǎo)線，當(dāng)電流方向相同時相互吸引，當(dāng)電流方向相反時相互排斥。之后安培又用各種形狀的曲線載流導(dǎo)線，研究他們之間的相互作用，并提出了第三篇論文。

在這以后安培又花了兩、三個月的時間集中力量研究電流之間的相互作用。安培以極精巧的實(shí)驗和相當(dāng)高超的數(shù)學(xué)技巧結(jié)合起來，做了四個實(shí)驗。

第一個實(shí)驗，安培用一無定向秤檢驗對折通電導(dǎo)線有沒有作用力，結(jié)果是否定的，從而證明當(dāng)電流反向時，它產(chǎn)生的作用也相反。

第二個實(shí)驗，安培仍用一無定向秤檢驗一對折通電導(dǎo)線，只是這時對折導(dǎo)線的另一臂繞成螺旋線，結(jié)果也是否定的，從而證明，電流元具有矢量性質(zhì)，即許多電流元的合作用等于各單個電流元所產(chǎn)生的作用的矢量和。

第三個實(shí)驗，安培設(shè)計了一個裝置，同一端固定于圓心的絕緣柄固連一圓弧形導(dǎo)體，再將圓弧形導(dǎo)線架在兩個通電的水銀槽上．然而用各種通電線圈對它作用，結(jié)果卻不能使圓弧形導(dǎo)體沿其電流方向運(yùn)動。從而證明，作用在電流元上的力是與它垂直的。

第四個實(shí)驗，安培用1．2、3三個相同的線圈，這三個線圈的線度之比與三線圈間距之比一致，通電后發(fā)現(xiàn)：1、3線圈對2線圈的合作用為零。從而證明，各電流強(qiáng)度和相互作用距離增加同樣倍數(shù)時，作用力不變。

安培提出了一個假設(shè)是兩電流元之間的相互作用力沿著它們的連線，在此基礎(chǔ)上，安培總結(jié)得出兩電流元之間的作用力與距離平方成反比的公式，這就是著名的安培定律。安培于同年12月4日向法國科學(xué)院報告了這個極為重要的成果。

為了解釋奧斯特效應(yīng)，安培把磁的本質(zhì)簡化為電流，認(rèn)為磁體有一種繞磁軸旋進(jìn)的電流，磁體中的電流與導(dǎo)體中的電流相互作用便導(dǎo)致了磁體的轉(zhuǎn)動。這在某種意義上起到了用電流相互作用力來統(tǒng)一解釋各種電磁現(xiàn)象的效果。

但菲涅耳對安培的磁體電流提出了質(zhì)疑，他認(rèn)為磁體中既然有電流，磁體就應(yīng)當(dāng)有明顯的溫升現(xiàn)象，但實(shí)際上無法測量出磁體的自發(fā)放熱。在這種情況下，安培又提出了著名的分子電流假設(shè)：磁性物質(zhì)中每個分子都有一微觀電流，每個分子的圓電流形成一個小磁體。在磁性物質(zhì)中，這些電流沿磁軸方向規(guī)律地排列，從而顯現(xiàn)一種繞磁軸旋轉(zhuǎn)的電流，如同螺線管電流一樣。1827年安培發(fā)表了《電動力學(xué)現(xiàn)象的理論》．將其電動力學(xué)的數(shù)學(xué)理論牢固地建立在分子電流假設(shè)的基礎(chǔ)上。

電流磁效應(yīng)其他研究

在安培得出電流元相互作用公式之前，法國科學(xué)家畢奧(J．B．Biot，1774－1862)和薩伐爾(F．Savart，1791－1841)通過實(shí)驗得到了載流長直導(dǎo)線對磁極的作用反比于距離r的結(jié)果，后來法國數(shù)學(xué)家拉普拉斯(P．S．Laplace，1749－1827)用絕妙的數(shù)學(xué)分析，幫他們把實(shí)驗結(jié)果提高到理論高度，得出了畢奧－薩伐爾－拉普拉斯定律(簡稱畢－薩－拉定律)給出了電流元所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的公式，闡明電流元在空間某點(diǎn)所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的大小正比于電流元的大小，反比于電流元到該點(diǎn)距離的平方，磁場強(qiáng)度的方向按右手螺旋法則確定，垂直于電流元到場點(diǎn)的距離。

電流磁效應(yīng)紀(jì)念奧斯特

奧斯特的發(fā)現(xiàn)揭示了長期以來認(rèn)為性質(zhì)不同的電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，電磁學(xué)立即進(jìn)入了一個嶄新的發(fā)展時期，法拉第后來評價這一發(fā)現(xiàn)時說：“它猛然打開了一個科學(xué)領(lǐng)域的大門，那里過去是一片漆黑，如今充滿光明?！比藗?yōu)榱思o(jì)念這位博學(xué)多才的科學(xué)家，從1934年起用“奧斯特”的名字命名磁場強(qiáng)度的單位。

從1820年7月奧斯特發(fā)表電流的磁效應(yīng)到12月安培提出安培定律，這期間僅僅經(jīng)歷了四個多月時間。但電磁學(xué)卻經(jīng)歷了從現(xiàn)象的總結(jié)到理論的歸納這一大飛躍，從而開創(chuàng)了電動力學(xué)的理論。這些成就的取得不僅體現(xiàn)了科學(xué)家作為時代領(lǐng)路人的極強(qiáng)的洞察力,也是一個負(fù)責(zé)任的電磁學(xué)奠基人 。

水平電流在小磁針的正上方或正下方，且電流方向沿南北方向時小磁針會發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn) 。

長期以來，磁現(xiàn)象與電現(xiàn)象是被分別進(jìn)行研究的，特別是吉爾伯特對磁現(xiàn)象與電現(xiàn)象進(jìn)行深入分析對比后斷言電與磁是兩種截然不同的現(xiàn)象，沒有什么一致性。之后，許多科學(xué)家都認(rèn)為電與磁沒有什么聯(lián)系，連庫侖也曾斷言，電與磁是兩種完全不同的實(shí)體，它們不可能相互作用或轉(zhuǎn)化。但是電與磁是否有一定的聯(lián)系的疑問一直縈繞在一些有志探索的科學(xué)家的心頭。

電磁鐵有許多優(yōu)點(diǎn)：電磁鐵的磁性有無可以用通、斷電流控制；磁性的大小可以用電流的強(qiáng)弱或線圈的匝數(shù)多少來控制；也可通過改變電阻控制電流大小來控制磁性大?。凰拇艠O可以由改變電流的方向來控制，等等。即：磁性的強(qiáng)弱可以改變、磁性的有無可以控制、磁極的方向可以改變，磁性可因電流的消失而消失。

電磁鐵是電流磁效應(yīng)（電生磁）的一個應(yīng)用，與生活聯(lián)系緊密，如電磁繼電器、電磁起重機(jī)、磁懸浮列車、電子門鎖、智能通道匝、電磁流量計等。

歷史上，電與磁是分別發(fā)現(xiàn)和研究的。后來，電與磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)了，如奧斯特（H.C.Oersted）發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)和安培發(fā)現(xiàn)的電流與電流之間相互作用的規(guī)律。再后來， 法拉第提出了電磁感應(yīng)定律，這樣電與磁就連成一體了。19世紀(jì)中葉，麥克斯韋提出了統(tǒng)一的電磁場理論，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)的第二次大綜合。電磁 定律與力學(xué)規(guī)律有一個截然不同的地方。根據(jù)牛頓的設(shè)想，力學(xué)考慮的相互作用，特別是萬有引力相互作用，是超距的相互作用，沒有力的傳遞問題（當(dāng)然，用現(xiàn)代觀點(diǎn)看，引力也應(yīng)該有傳遞問題）,而電磁相互作用是場的相互作用。從粒子的超距作用到電磁場的“場的相互作用”，這在觀念上有很大變化。場的效應(yīng)被突出出來了。電場與磁場不斷相互作用造成電磁波的傳播，這一點(diǎn)由赫茲在實(shí)驗室中證實(shí)了。電磁波不但包括無線電波，實(shí)際上包括很寬的頻譜，其中很重要的一部分就是光波。光學(xué)在過去是與電磁學(xué)完全分開發(fā)展的，麥克斯韋電磁理論建立以后，光學(xué)也變成了電磁學(xué)的一個分支了，電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)得到了統(tǒng)一。這個統(tǒng)一在技術(shù)上有重要意義，發(fā)電機(jī)、電動機(jī)幾乎都是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的。電磁波的應(yīng)用導(dǎo)致現(xiàn)代的無線電技術(shù)。電磁學(xué)在技術(shù)上還是起主導(dǎo)作用的一門學(xué)問 ，因此，在基礎(chǔ)物理學(xué)中電磁學(xué)始終保持它的重要地位。電磁學(xué)牽涉到在什么參考系統(tǒng)中來看問題，牽涉到運(yùn)動導(dǎo)體的電動力學(xué)問題。直觀地說，“電流即電荷的流動產(chǎn)生磁效應(yīng)”，但判斷電荷是否流動就牽涉到觀察者的問題——參考系問題。光學(xué)是電磁學(xué)的一部分，所以這個問題也可表達(dá)成“光的傳播與參考系統(tǒng)有什么關(guān)系”。邁克耳孫－莫雷實(shí)驗表明慣性系中真空光速為不變量。這樣一來，也就肯定了在慣性系統(tǒng)中電磁學(xué)遵循同一規(guī)律。這實(shí)際上導(dǎo)致了后來的愛因斯坦狹義相對論。狹義相對論基本上是電磁學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣。邁克耳孫－莫雷實(shí)驗在19世紀(jì)還沒能解釋清楚，這是19世紀(jì)遺留的一個重要問題。