磁场和磁现象

你好，本节课我们学习磁现象和磁场。主要回答以下问题：

1. 什么是磁性、磁体、磁极？
2. 磁作用有哪些表现形式？
3. 磁场有哪些特点？
4. 如何用磁感线描述磁场？
5. 如何用右手螺旋定则判断通电导线的磁场方向？

磁现象

日常生活中，我们会遇到很多的磁现象的应用，比如用指南针帮助我们指明移动的方向，用磁铁帮助我们寻找细针，用磁带记录美妙的音乐，用磁盘记录重要的信息。这些东西都或多或少的存在一种物质，它具有能够吸引其它铁、钴、镍等物质的性质，我们把这种性质称之为磁性。我们把具有磁性的物质称之为磁体。而磁体在各个区域的磁性强弱一般是不同的，我们把磁性最强的区域称之为磁极。

磁体一般分类两类，一类是天然磁石，一类是人造磁铁。天然磁石的主要成分是 ，现在见得少。人造磁铁多是用铁、钴、镍等金属或是某些铁的氧化物制作而成的。在高中阶段，我们常常会见到如下图所示的磁体。

左右两边的磁体称之为条形磁铁，上面的磁体称之为蹄形磁铁，中间红白色的指针称之为小磁针。一个磁体无论多大还是多小，它的磁极一定有两个。为了便于区分这两个磁极，我们分别把它们取名为南极（S极）和北极（N极）。

那么，怎么才能知道南极和北极呢？可以采用悬挂法。我们可以把磁体悬挂起来，让它自由转动。当磁体静止时总会有一个磁极指向南方，而另一个磁极会指向北方，这时，我们把指向南的叫做南极（S极），指向北的叫做北极（N极）。

而同名磁极会相互排斥、异名磁极相互吸引，这是磁体最显著的性质之一。

除了上述三类磁体之外，地球也是个巨大的磁体，它有地磁南极和地磁北极。我们常说上北下南，其实指的是地理南极和地理北极。因为地磁南极在地理北极附近，而地磁北极在地理南极附近，所以指南针的南极看似指的是地理南极，实则指的是地磁北极。

电流的磁效应

大家也许感受到了，电现象和磁现象很类似。比如电中有正负电荷，而磁中有南北两极；同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。这不由得让我们产生联想——电和磁有没有联系呢？还真有。

最先发现电和磁之间有联系的人是丹麦物理学家奥斯特。1820年4月，奥斯特在一次讲课中偶然把导线沿着南北方向放置在一个指南针上方，导线通电后奥斯特无意间发现，指南针居然转动了！换做旁人也许不会引起特别的注意，而把自然现象应该相互联系的思想深植于心的奥斯特，却兴奋至极，他连续进行了大量实验研究之后，宣布发现了电流的磁效应，开创了一个物理学的一个新纪元。所谓电流的磁效应，指的是电流可以表现出像磁体那样的磁性。

磁作用的三种表现形式

现在我们已经知道，磁体有磁性，电流也能表现出磁性。那么既然磁体与磁体之间可以相互吸引或排斥，那么电流与电流之间，电流于磁体之间，也都能表现出相互吸引或排斥的现象，即产生相互作用，这三类情形是磁作用的三种表现形式。如下图所示，磁体会对通电导线产生力，让通电导线摆动；同向的通电导线会相互吸引，而异向的通电导线会相互排斥。（注意，我没说反哦）

磁场

仔细观察上述的三种磁作用的表现形式，我们会发现一个很有意思的事情，那就是它们之间发生相互作用并不需要直接接触。比如上面的同向通电导线，左导线可以"凭空"吸引右导线。我们知道，电荷之间的相互作用是通过看不见摸不着的电场发生的，其实磁体与磁体之间，电流与电流之间，电流与磁体之间是通过看不见摸不着的磁场发生相互作用的。

磁场和电场一样，也是客观存在的物质，它不依赖我们的感觉。有人可能要问了，既然看不见又摸不着，我怎么才能知道它存在呢？这就需要通过磁场对外表现出来的特性来推断它的存在了。磁场有这样的一种特性，即对放入其中的磁体或通电导线产生力的作用。至于这个力有多大，方向如何判断，我们之后再做详细介绍。

磁感线

磁场看不见又摸不着，怎么去描述它呢？科学家们为了研究和交流的方便，发明了用磁感线表示磁场的方法。这里需要注意，磁场是客观存在的，而磁感线却不是。因为磁感线只是人为画出了线条，它并不真实存在，它的作用是为了形象地描述磁场的分布情况。我们用磁感线上某点的切向方向描述磁场的方向，用磁感线的疏密程度描述磁场在各处的相对强弱。

虽然磁感线是人为画出来的线条，却不是随意乱画的。那么，怎样才能知道某个磁体或通电导线周围的磁感线分布情况呢？如下图所示，我们拿一块薄透明玻璃板，在下面紧贴着放一块条形磁铁，然后在玻璃板上均匀撒上很多铁屑，轻轻敲击一下玻璃板，铁屑就会逐渐神奇地构成一幅漂亮的图像，这幅图像就显示了条形磁铁周围的磁场分布情况，同时也表明，磁铁周围的确有磁场分布。然后我们把这幅图像的特征用磁感线描绘出来，就得到磁感线的分布图了。蹄形磁铁的磁感线分布情况，也可以用这种方法得到。

条形磁铁和蹄形磁铁的磁场分布特点是比较重要的，还请同学们务必熟悉。有以下特点：

1. 磁感线在磁体外部自N极指向S极，而在磁体内部，会有S极指向Ｎ极；
2. 磁极处，磁感线最为密集，表明磁场最强；
3. 蹄形磁铁在Ｕ形内部的磁感线几乎平行，可以看作是匀强磁场，而外部却不是匀强磁场。

通电导线的磁感线方向——右手螺旋定则

除了磁铁周围有磁场分布，根据电流的磁效应，电流周围也会有磁场。那么电流周围的磁场该怎么分布呢？虽然我们仍然可以用铁屑去显现磁场的分布，但是，总不能一直用铁屑吧，多浪费呀，其实呀，科学家安培早就给我准备一个大招——右手螺旋定则（也叫安培定则），只需要轻轻摆个霸气的手势，电流的磁场分布就基本了解了。那这个右手螺旋定则是怎么操作的呢？来，请看下图：

右手定则：右手握拳，大拇指伸直，如果电流是直的，就用大拇指代表电流方向，此时弯曲的四指就是磁场方向，如上图的直线电流所示；如果电流是环形的，就用弯曲的四指代表电流方向，那么大拇指就是磁场方向，如上面的环形电流所示。通电螺线管的磁场判断方法与环形电流的类似。

进一步研究表明，通电直导线的磁场分布具有如下特点：

1. 通电直导线的所有磁感线都是是以导线为轴的圆形（一圈圈的同心圆）；
2. 磁感线所在的平面都与这个导线垂直，；
3. 离导线的垂直距离相同的地方，磁感线的疏密程度相同；
4. 离导线的垂直距离越远，磁感线越来越稀疏，表明磁场越弱。

以下是通电直导线、通电环形圆环、通电螺线管在不同视角下的磁感线分布情况，请大家也注意观察和体会他们的特点。

说明一下，以后我们一般我们用叉叉"×"（箭尾）表示垂直于纸面向里的方向，用点点"·"（箭头）表示垂直于纸面向外的方向。