磁场的基本性质与磁感线特点

【知识目标】

1）了解磁场的现象及物理概念。

2）掌握磁场的基本性质。

【技能目标】

通过感知磁场的存在，提高学生分析问题和抽象思维能力，使学生认识磁场的存在，渗透科学的思维方法。

【情感目标】

1）通过了解我国古代在磁场研究方面取得的成就，进一步提高学习物理的兴趣。

2）通过感知磁场的存在，知道磁感线和地磁场，使学生养成良好的科学态度和求是精神，帮助学生树立探索科学的志向。

观察与思考

如图3-1所示，空气看不见、摸不到，我们可以根据空气流动（风）所产生的作用来认识它；电流看不见、摸不到，我们可以根据电流所产生的效应来认识它；磁场看不见、摸不到，我们根据什么来认识它呢？

图3-1 磁场引用图

想一想

图3-2所示为条形磁体周围放置的小磁针（黑端为N极）静止下来的情景。

问题1：根据条形磁体周围放置的小磁针静止下来的情景，说出你产生了什么灵感？

问题2：如果人们规定，在磁场中的某一点，小磁针静止时N极所指的方向就是该点的磁场方向，那么磁场的方向就有一定的规律。若用“线”来形象地表示磁场如图3-3所示，则可以推知：在磁体周围，“线”都是从磁体的____极出来，回到____极。

图3-2 条形磁体周围的小磁针分布

图3-3 磁场分布

一、磁场的基本性质

磁场是一种存在于磁体周围的看不见、摸不着的特殊物质。磁场的基本性质是对于放入其中的磁体产生磁力的作用。

二、磁场的方向

磁场不但有强弱，而且有方向。在磁场中的某一点，小磁针静止时北极所指的方向就是该点的磁场方向。

与电场相仿，磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场，描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量B，也可以用磁感线形象表示，如图3-4所示。然而，作为一个矢量场，磁场的性质与电场颇为不同。运动电荷或变化电场产生的磁场，或两者之和的总磁场，都是无源有旋的矢量场，磁感线是闭合的曲线族，不中断，不交叉。换言之，在磁场中不存在发出磁感线的源头，也不存在汇聚磁感线的尾闾，磁感线闭合表明沿磁感线的环路积分不为零，即磁场是有旋场而不是势场（保守场），不存在类似于电势那样的标量函数。

三、磁感线

在磁场中画一系列曲线，使曲线上任何一点的切线方向都与该点的磁场方向相同，这些曲线叫磁感线。如图3-4所示，磁感线是闭合曲线。

图3-4 磁感线

磁感线具有以下基本特点：

1）磁感线是人为假象的曲线。

2）磁感线有无数条。

3）磁感线是立体的。

4）所有的磁感线都不交叉。

5）磁感线的相对疏密表示磁场的相对强弱，即磁感线疏的地方磁场较弱，磁感线密的地方磁场较强。

6）磁感线总是从N极出发，进入与其最邻近的S极，并形成闭合回路。

想一想

磁感线的方向总是由N极向S极吗？

四、磁感应强度

法国物理学家安培最早发现，磁场对电流有力的作用。为了纪念他，人们把磁场对电流的作用力叫做安培力。实验发现：在磁场中的某一点，当一小段通电导线跟磁场垂直时，安培力F跟电流I和通电导线的长度l的乘积成正比，而比值恒定不变，如图3-5所示。而在磁场中的不同点，这个比值一般不同。这表明，比值是一个与磁场中的位置有关的物理量，它反映了磁场的一种力的性质。

我们把在磁场中垂直于磁场方向的通电导线所受的安培力F与电流I和导线长度l乘积的比值叫做通电导线所在处的磁感应强度。如果用B表示磁感应强度，那么

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图3-5 通电导线在磁场中受力

磁感应强度B的单位是特斯拉（T）。磁感应强度是矢量，它的方向就是该点的磁场方向，即通过该点的磁感线的切线方向。

磁感应强度B的大小反映了磁场的强弱程度。一般永久磁铁的磁极附近，磁感应强度大约是（0.4～0.7）T，在电动机和变压器的铁心中，磁感应强度可达（0.8～1.4）T，通过超导材料的强电流产生的磁感应强度可高达10T，而地面附近地磁场的磁感应强度大约只有5×10^-5T。

五、匀强磁场

如果在磁场的某一区域内，各点磁场的大小和方向都相同，那么，这个区域内的磁场叫做匀强磁场。显然，匀强磁场的磁感线是一系列疏密均匀、互相平行的直线，如图3-6所示。匀强磁场是一种理想化的物理模型，在现实生活中是不存在的，但距离很近的两个异名磁极之间的磁场，除边缘部分外，可以认为是匀强磁场。匀强磁场在生产与科研中有着广泛及重要的应用。

图3-6 匀强磁场

六、磁通量

在电磁学中，经常要讨论某一区域内的磁场和它的变化情况，为此我们引入一个新的物理量——磁通量。设在磁感强度为B的匀强磁场中，有一个与磁场方向垂直的平面，面积为S，我们把B与S的乘积叫做穿过该平面的磁通量，简称磁通，如图3-7所示。用符号Φ表示，单位为韦伯（Wb）。

用公式表示为

Φ=BS （3-2）

当一个平面与磁场的方向垂直时，通过它的磁通量最大；当该平面与磁场方向平行时，穿过它的磁通量最小，为零。由公式Φ=BS，可以得出

图3-7 磁通量

式（3-3）表明，磁感应强度在数值上等于单位面积上的磁通量，即1Wb=1T·m²。因此，磁感应强度也叫做磁通密度，其单位为Wb/m²。

练一练

【例3.1】 已知某匀强磁场的磁感应强度为0.6T，在该磁场中有一个面积为0.02m²的矩形线圈。求当线圈平面与磁感线垂直和平行时穿过线圈的磁通量各是多少？

解：

线圈平面与磁感线垂直时穿过线圈的磁通量为

Φ=BS=0.6×0.02Wb=1.2×10^-2Wb

当线圈平面与磁感线平行时，穿过线圈平面的磁通量为零。

七、磁导率

磁场的大小不仅与载流导线的电流及导体的形状有关，而且与磁场内介质有关。表征磁介质磁性的物理量为介质的磁导率，或称绝对磁导率。常用符号μ表示，其单位是亨利/米（H/m）。μ等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比（通常使用的是磁介质的相对磁导率μ_r，其定义为磁导率μ与真空磁导率μ₀之比），即

电磁场是电磁作用的传递物，是统一的整体，电场和磁场是其紧密联系、相互依存的两个侧面，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电磁场以波动形式在空间传播。电磁波以有限的速度传播，具有可交换的能量和动量，电磁波与实物的相互作用。电磁波与粒子的相互转化等等，都证明电磁场是客观存在的物质，它的“特殊”只在于没有静质量。

磁场现象是最早被人类认识的物理现象之一，指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的，地球、恒星（如太阳）、星系（如银河系）、行星、卫星、以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。为了认识和解释其中的许多物理现象和过程，必须考虑磁场这一重要因素。在现代科学技术和人类生活中，处处可遇到磁场，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁场现象有关。甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。地球的磁极与地理的两极相反。

知识拓展

磁悬浮列车

支撑、导向和驱动一直以来都是制造快速列车需要解决的三大问题。传统的快速列车是利用车轮和钢轨之间的相互作用来实现的，由于列车和钢轨间的直接接触会产生较大的摩擦力，传统快速列车的速度受到限制，并且在运行中产生较大的磨损、震动和噪声。1922年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔提出了磁悬浮列车的构想。

图3-8 磁悬浮列车

磁悬浮列车其实就是在列车上安装超导电磁体，当车辆通过在地面上的线圈或非磁性金属时，利用地面线圈产生的感应电流与车上的电磁体之间的相斥力使列车浮起，并在电磁力的驱动下向前运行，如图3-8所示。磁悬浮列车在运行过程中，与轨道保持1cm左右的距离，处于一种若即若离的状态，由于轨道没有直接接触，这样就大大减小了运行的阻力，速度也大大提高了，正常运行速度可达430km/h。世界上第一列磁悬浮列车小型模型于1969年在德国出现，仅仅十年后的1979年，磁悬浮列车技术创造了517km/h的奇迹。

巩固与提高

填空题

1.将小磁针放入磁场中的某一点，磁场对小磁针有____的作用，小磁针静止后N极所指的方向就是该点的____方向。磁场的基本性质是它对放入其中的

有____的作用。

2.用条形磁铁的磁极去靠近磁针时，它们并没有接触，就发生了力的相互作用，是因为磁体的周围空间存在着。磁铁周围的磁感线都是从磁铁的____极出来，回到磁铁的____极。

3.地球本身是一个巨大的磁体，地磁的北极在地理，地磁的南极在地理____。地磁场的磁感线是从地理____极出来，回到地理____极。