奧斯特實(shí)驗(yàn)解讀

奧斯特實(shí)驗(yàn)解讀奧斯特實(shí)驗(yàn)解讀奧斯特實(shí)驗(yàn)解讀奧斯特實(shí)驗(yàn)與其意義相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究課題奧斯特實(shí)驗(yàn)2通過閱讀報(bào)刊，我們能增長(zhǎng)見識(shí)，擴(kuò)大自己的知識(shí)面。奧斯特實(shí)驗(yàn)解讀奧斯特實(shí)驗(yàn)解讀奧斯特實(shí)驗(yàn)解讀奧斯特實(shí)驗(yàn)與其意義奧斯特實(shí)驗(yàn)與其意義相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究課題

奧斯特實(shí)驗(yàn)2奧斯特實(shí)驗(yàn)與其意義奧斯特實(shí)驗(yàn)2奧斯特實(shí)驗(yàn)與其意義19世紀(jì)20年代前，磁和電是獨(dú)立發(fā)展的奧斯特,丹麥物理學(xué)家

HansChristianOersted深受康德哲學(xué)關(guān)于“自然力”統(tǒng)一觀點(diǎn)的影響，試圖找出電、磁之間的關(guān)系3奧斯特實(shí)驗(yàn)與其意義19世紀(jì)20年代前，磁和電是獨(dú)立發(fā)展的3奧斯特實(shí)驗(yàn)1820年7月4奧斯特實(shí)驗(yàn)1820年7月4奧斯特實(shí)驗(yàn)表明長(zhǎng)直載流導(dǎo)線與之平行放置的磁針受力偏轉(zhuǎn)——電流的磁效應(yīng)磁針是在水平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)的

——橫向力突破了非接觸物體之間只存在有心力的觀念——拓寬了作用力的類型5奧斯特實(shí)驗(yàn)表明長(zhǎng)直載流導(dǎo)線與之平行放置的磁針受力偏轉(zhuǎn)——電流意義揭示了電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的聯(lián)系宣告電磁學(xué)作為一個(gè)統(tǒng)一學(xué)科誕生歷史性的突破此后迎來了電磁學(xué)蓬勃發(fā)展的高潮6意義揭示了電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的聯(lián)系6評(píng)價(jià)

Ampere寫道：“Oerster先生……已經(jīng)永遠(yuǎn)把他的名字和一個(gè)新紀(jì)元聯(lián)系在一起了”．Faraday評(píng)論說：“它突然打開了科學(xué)中一個(gè)一直是黑暗的領(lǐng)域的大門，使其充滿光明”．7評(píng)價(jià)Ampere寫道：“Oerster先生……已經(jīng)永遠(yuǎn)把他相關(guān)實(shí)驗(yàn)9.18Ampere圓電流對(duì)磁針作用9.25Ampere平行電流對(duì)磁針作用9.25Arago鋼片被電流磁化8相關(guān)實(shí)驗(yàn)9.18Ampere圓電流對(duì)磁針作用8磁鐵對(duì)電流的作用Ampere通電導(dǎo)線受馬蹄形磁鐵作用而運(yùn)動(dòng)9磁鐵對(duì)電流的作用Ampere9Ampere螺線管與磁鐵相互作用時(shí)顯示出N極和S極10Ampere螺線管與磁鐵相互作用時(shí)顯示出N極和S極10確定載流螺線管極性

實(shí)驗(yàn)表明載流螺線管相當(dāng)于磁棒，螺線管的極性與電流成右手螺旋關(guān)系11確定載流螺線管極性實(shí)驗(yàn)表明載流螺線管相當(dāng)于磁棒，螺線管一系列實(shí)驗(yàn)表明

磁鐵————磁鐵

電流————電流

都存在相互作用12一系列實(shí)驗(yàn)表明磁鐵————磁鐵12愛因斯坦指出：“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問題也許僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技能而已，而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創(chuàng)造性的想像力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步?！?3愛因斯坦指出：“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要，因?yàn)榻庋芯空n題畢奧－薩筏爾的研究課題安培的研究課題電流產(chǎn)生磁的逆效應(yīng)電、磁相互作用的傳遞問題14研究課題畢奧－薩筏爾的研究課題14畢奧－薩筏爾的研究課題尋找電流元對(duì)磁極作用力的定量規(guī)律認(rèn)為電流對(duì)磁極的作用力是自然界的基本力受Oester橫向力的影響，認(rèn)為每一個(gè)電流元對(duì)磁極的作用力也垂直于導(dǎo)線與磁極構(gòu)成的平面困難是無孤立的電流元

15畢奧－薩筏爾的研究課題尋找電流元對(duì)磁極作用力的定量規(guī)律15關(guān)鍵是找到幾何關(guān)系把電流分割成許多電流元還和幾何因素如有關(guān)即解決了電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的規(guī)律（見下節(jié)）16關(guān)鍵是找到幾何關(guān)系把電流分割成許多電流元還和幾何因素如即解決安培的研究課題幾乎在同樣的背景下，安培提出的問題更深入，顯示出大師的風(fēng)范安培認(rèn)為：磁現(xiàn)象的本質(zhì)是電流物質(zhì)的磁性來源于“分子”電流這是安培根據(jù)實(shí)驗(yàn)的種種表現(xiàn)作出的重要的抽象17安培的研究課題幾乎在同樣的背景下，安培提出的問題更深入，顯示“分子”電流所謂“分子”，是指構(gòu)成物質(zhì)的基元，當(dāng)時(shí)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和分子、原子的認(rèn)識(shí)還很膚淺

每個(gè)分子都有電流環(huán)繞著，當(dāng)分子排列整齊時(shí)，它們的電流合起來就可以滿足磁棒的磁性所需要的電流

磁化可視為使物質(zhì)中的分子電流排列整齊顯示出總體效果18“分子”電流所謂“分子”，是指構(gòu)成物質(zhì)的基元，當(dāng)時(shí)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)以“分子電流”取代磁荷

——能解釋磁棒與載流螺線管的等效性可將種種磁相互作用歸結(jié)為電流之間的相互作用提出尋找任意兩個(gè)電流元之間作用力的定量規(guī)律——即可解決磁相互作用的問題19以“分子電流”取代磁荷19困難同樣是無孤立的電流元兩電流元與兩者連線三者不共面涉及的幾何因素更多，難度增大安培精心設(shè)計(jì)了四個(gè)示零實(shí)驗(yàn)來解決這些困難20困難同樣是無孤立的電流元20無定向秤實(shí)驗(yàn)一：用對(duì)折導(dǎo)線，在其中通以大小相等、方向相反的電流．把它移近無定向秤附近的不同部位，觀察無定向秤的反應(yīng)結(jié)果：無定向稱不動(dòng)說明：當(dāng)電流反向時(shí)，它產(chǎn)生的作用力也反向數(shù)學(xué)表達(dá)：21無定向秤21實(shí)驗(yàn)二：用載流曲折線對(duì)無定向秤作用，結(jié)果與載流直導(dǎo)線的作用一樣說明電流元具有矢量性,表為

實(shí)驗(yàn)三：裝置如圖只允許圓弧形導(dǎo)體沿其切線方向運(yùn)動(dòng)而不允許圓弧形導(dǎo)體沿著與其垂直的方向運(yùn)動(dòng)結(jié)果：圓弧導(dǎo)體不動(dòng)說明：作用在電流元上的力是與它垂直的——橫向力

22實(shí)驗(yàn)二：實(shí)驗(yàn)三：22實(shí)驗(yàn)四

圓線圈A、B、、C線度之比為1/n：1：n，A與B的距離以與線圈B與C的距離比為1：n，A與C固定，并串聯(lián)，其中電流相同，線圈B可以活動(dòng)，通以另一電流結(jié)果：B不動(dòng)結(jié)論：所有幾何線度增加同一倍數(shù)時(shí)，作用力的大小不變23實(shí)驗(yàn)四23安培給出的公式根據(jù)安培的假設(shè)：兩個(gè)電流元之間的相互作用沿它們的聯(lián)線，相當(dāng)于承認(rèn)假設(shè)的目的是期望電流元之間相互作用力滿足牛頓第三定律，由此推出的公式內(nèi)含各項(xiàng)都是標(biāo)量?jī)烧叻较蛳喾碢90（2.14)實(shí)際沒有孤立的電流元，兩個(gè)孤立電流元不一定滿足牛頓第三定律，橫向力，并不一定沿連線，此條件應(yīng)該去掉24安培給出的公式根據(jù)安培的假設(shè)：兩個(gè)電流元之間的相互作用沿它們安培定律

經(jīng)過后人對(duì)安培的公式修正、加工，得到現(xiàn)在的安培定律形式被Maxwell譽(yù)為“科學(xué)中最光輝的成就之一”．Ampere本人則被譽(yù)為“電學(xué)中的Newton”．25安培定律經(jīng)過后人對(duì)安培的公式修正、加工，得到現(xiàn)在的安培定律1）將K寫成：并取，則當(dāng)、、的單位為米，為牛頓時(shí)，確定下來的電流的單位為安培。2）反過來，可得為牛頓/安培2。電流強(qiáng)度單位——安培的定義和絕對(duì)測(cè)量261）將K寫成：并取啟示

安培從錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)象與聯(lián)系中，提煉出磁現(xiàn)象的本質(zhì)

——獨(dú)具慧眼；提出尋找電流、電流之間的相互作用的定量規(guī)律問題——問題的深度、廣度和重要性高于其他同代人提出的問題，顯示出大師風(fēng)范，也反映了正確抽象、洞察本質(zhì)的重要性；

在解決問題上，面對(duì)難以測(cè)量的困難，巧妙地設(shè)計(jì)示零實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)與理論猜測(cè)相結(jié)合，揭示出電流元相互作用應(yīng)具有的特點(diǎn)，采用矢量點(diǎn)乘、叉乘來表示dl1、dl2、r12之間的關(guān)系；27啟示安培從錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)象與聯(lián)系中，提煉出磁現(xiàn)象的本質(zhì)——進(jìn)一步提出的課題電流產(chǎn)生磁的逆效應(yīng)的問題將導(dǎo)致電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)電、磁相互作用的傳遞問題超距作用和近距作用的論爭(zhēng)再次激化，將導(dǎo)致電磁場(chǎng)理論的建立28進(jìn)一步提出的課題電流產(chǎn)生磁的逆效應(yīng)的問題28§2

磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量(magneticinduction)1、由電場(chǎng)強(qiáng)度的定義方法,從安培力的角度來分析：則對(duì)整個(gè)L1的作用力為

2.1磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量

29§2磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量(magneticinduction把電流元看成試探電流元?jiǎng)t：

，為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量

的大?。?jiǎn)挝浑娏髟谠撎幩艿淖畲蟀才嗔?。的方向：垂直于試探電流受力最小處。的單位：特斯拉（T）高斯（特斯拉=104高斯）30把電流元看成試探電流元302.2畢奧---薩伐爾定律：磁感應(yīng)線（B線）：有方向的曲線，其上每點(diǎn)的切線方向與該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的方向一致。312.2畢奧---薩伐爾定律：317.2.2畢奧―薩伐爾定律應(yīng)用舉例例1載流長(zhǎng)直導(dǎo)線的磁場(chǎng)．在真空中有一長(zhǎng)為載流直導(dǎo)線，導(dǎo)線中電流強(qiáng)度為，求導(dǎo)線附近一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度．解327.2.2畢奧―薩伐爾定律應(yīng)用舉例例1載流長(zhǎng)直導(dǎo)線的特例：無限長(zhǎng)導(dǎo)線：33特例：無限長(zhǎng)導(dǎo)線：33例2圓形電流的磁場(chǎng)．有一半徑為的載流圓環(huán)，電流強(qiáng)度為，求它軸線上任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度．解34例2圓形電流的磁場(chǎng)．有一半徑為的載流圓環(huán)，電流強(qiáng)度為

由于圓形電流具有對(duì)稱性，各垂直分量相互抵消，所以總磁感強(qiáng)度的大小為各個(gè)平行分量的代數(shù)和為特例：圓心處35由于圓形電流具有對(duì)稱性，各垂直分量相互抵例3

如圖所示，兩根長(zhǎng)直導(dǎo)線沿半徑方向接到粗細(xì)均勻的鐵質(zhì)圓環(huán)上的A和B兩點(diǎn)，并與很遠(yuǎn)處的電源相接，試求環(huán)中心o點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度．解三段直導(dǎo)線在圓心處產(chǎn)生的磁場(chǎng)為零．36例3如圖所示，兩根長(zhǎng)直導(dǎo)線沿半徑方向接到粗細(xì)均勻的鐵質(zhì)圓3737

例：載流直導(dǎo)線的磁場(chǎng)例：載流圓線圈軸線上的磁場(chǎng)例：載流螺線管中的磁場(chǎng)無限長(zhǎng)螺管：38例：載流直導(dǎo)線的磁場(chǎng)38§3安培環(huán)路定理一、電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的特點(diǎn)：1）磁感應(yīng)線是閉合曲線或兩頭伸向無窮遠(yuǎn)2）閉合的磁感應(yīng)線和載流回路相互套連在一起。3）磁感應(yīng)線和電流的方向相互服從右手定則。39§3安培環(huán)路定理39說明：

1）電流I的正負(fù)規(guī)定：當(dāng)穿過回路L的電流方向與回路L的環(huán)繞方向服從右手法則時(shí)，I>0，反之，I<0。如果電流I不穿過回路L，則它對(duì)上式無貢獻(xiàn)。

2）安培環(huán)路定理可由畢奧---薩伐爾定律出發(fā)證明。