電磁波已與我們的生產(chǎn)生活密不可分。當(dāng)用手機(jī)向千里之外的親友送去問候時，當(dāng)通過電視收看世界各地正在發(fā)生的重大事件時，你知道這些音像是怎樣傳送的嗎？當(dāng)看見雷達(dá)天線直指天空時，你想知道其中的奧秘嗎？ 它們與電磁波到底有著怎樣的關(guān)系？
電磁波的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用起源于人們對電和磁相互聯(lián)系的研究。英國物理學(xué)家法拉第就是利用一些不起眼的磁鐵、線圈等材料，發(fā)現(xiàn)了磁生電的奧秘，打開了電氣時代的大門，為英國物理學(xué)家麥克斯韋（J. Maxwell，1831—1879）發(fā)現(xiàn)電磁波奠定了基礎(chǔ)。
磁場有何特點(diǎn)？法拉第是怎樣用線圈產(chǎn)生電的？電磁波是怎樣產(chǎn)生的，有哪些應(yīng)用？本章將探討這些問題
我們已經(jīng)知道，磁體和通電導(dǎo)線周圍都存在磁場，磁場有強(qiáng)弱和方向。如何描述磁場的強(qiáng)弱和方向？本節(jié)將學(xué)習(xí)描述磁場強(qiáng)弱和方向的物理量——磁感應(yīng)強(qiáng)度，用磁感線形象地描述幾種常見磁場的分布，并學(xué)習(xí)磁現(xiàn)象在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用.
我們知道，磁體的兩個磁極靠近時，即使它們還未接觸，也能表現(xiàn)出異名磁極相吸、同名磁極相斥的特點(diǎn)（ 圖 5-1）。在圖 5-2 所示的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)導(dǎo)線中通過電流時，磁針就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)導(dǎo)線中的電流反向時，磁針也將反向偏轉(zhuǎn)。
為什么磁體間沒有接觸也會產(chǎn)生相互作用？為什么通電導(dǎo)線周圍的磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)？這是因?yàn)樵诖朋w或電流周圍的空間存在一種特殊物質(zhì)——磁場，磁場能夠?qū)Υ朋w產(chǎn)生力的作用，令磁體與磁體間相互吸引或排斥，使磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
磁場有方向，人們把磁場中某點(diǎn)小磁針靜止時北極的指向規(guī)定為該點(diǎn)磁場的方向。磁場還有強(qiáng)弱，在磁場中的不同位置，其強(qiáng)弱不盡相同。例如，條形磁鐵形成的磁場，在靠近北極（N 極 ）和南極（S 極 ）處較強(qiáng)，在靠近中間位置處較弱。怎樣描述磁場的強(qiáng)弱呢？
如圖 5-3（a）所示，用兩根勁度系數(shù)較小的彈簧把一矩形線圈懸掛起來，放入 U 形磁鐵形成的磁場中。接通電源，你能觀察到什么現(xiàn)象？
保持磁場和磁場中通電導(dǎo)線的長度不變，改變電流的大小，你能觀察到什么現(xiàn)象？
磁場與電流的大小保持不變，改變磁場中通電導(dǎo)線的長度，如圖 5-3（b）所示，你又觀察到什么現(xiàn)象？
大量實(shí)驗(yàn)表明，通電電流越大，通電直導(dǎo)線在磁場中的長度越長，通電直導(dǎo)線受到的力就越大。精確實(shí)驗(yàn)表明，在磁場中的某一位置垂直于磁場方向放入一小段通電直導(dǎo)線，通電直導(dǎo)線受到的力跟電流和直導(dǎo)線長度的乘積成正比。因該比值與該通電直導(dǎo)線的長度和電流無關(guān)，所以可用其描述磁場的強(qiáng)弱程度。
物理學(xué)中，把垂直于磁場方向的一小段通電直導(dǎo)線受到的力F與電流 I 和直導(dǎo)線的長度 l 的乘積之比，稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度（magnetic inductin），用 B 表示。
在國際單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉，簡稱特，符號為 T。
1 T = 1 N /（ A·m ）
磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量。磁場中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向，即該點(diǎn)的磁場方向，也就是放在該點(diǎn)的小磁針靜止時 N 極的指向。
像電場一樣，磁場也遵從疊加原理。如果有幾個磁場同時存在，它們的磁場就互相疊加，這時某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就等于各個磁場單獨(dú)存在時在該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和。
表 5-1 是某些物體產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。從表中可看出，原子核表面的磁場很強(qiáng)，而腦神經(jīng)活動產(chǎn)生的磁場很弱。
為了形象地描述磁場，英國物理學(xué)家法拉第提出了磁感線（magnetic inductin line）的概念。磁感線是在磁場中畫出的一些有方向的假想曲線，磁感線上任意一點(diǎn)的切線方向即該點(diǎn)的磁場方向。磁感線是閉合曲線，不會相交。磁感線分布越密的地方，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大；磁感線分布越疏的地方，磁感應(yīng)強(qiáng)度越小。
實(shí)驗(yàn)中常用鐵屑磁場中被磁化的性質(zhì)來 示磁感線的形 狀［ 圖 5-4（a）］。圖 5-4（b）是條形磁鐵磁感線的分布示意圖。在磁體外部，磁感線是由 N 極出發(fā)回到S 極；在磁體內(nèi)部，磁感線從 S 極到 N 極。
在磁場的某個區(qū)域內(nèi)，如果各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和方向都相同，則這個區(qū)域的磁場稱為勻強(qiáng)磁場。在勻強(qiáng)磁場中，磁感線是一組平行且等距的直線。例如，兩個相距很近的平行異名磁極間中央部分的磁場可視為勻強(qiáng)磁場（ 圖 5-5），通電長螺線管內(nèi)部的磁場也可視為勻強(qiáng)磁場。
通電導(dǎo)線在周圍空間會產(chǎn)生磁場。電流產(chǎn)生的磁場的磁感線有何特點(diǎn)？
如圖 5-6 所示，把鐵粉均勻撒在水平放置 的有機(jī)玻璃板上。接通電源使垂直導(dǎo)線中短暫 地通過大電流，同時輕輕敲打有機(jī)玻璃板，觀 察鐵粉的分布情況。再將小磁針放在板上檢測 磁場的方向。 改變電流方向，重復(fù)上述步驟。你觀察到了什么變化？
用鐵粉和小磁針研究通電直導(dǎo)線周圍的磁場
從鐵粉的分布情況可以看出，通電直導(dǎo)線周圍磁場的磁感線是以導(dǎo)線為中軸的同心圓（ 圖 5-7）。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)改變電流的方向時，小磁針的指向也會發(fā)生改變，這表明通電直導(dǎo)線周圍空間的磁場方向與電流方向有關(guān)。
法國物理學(xué)家安培對通電直導(dǎo)線形成磁場的規(guī)律進(jìn)行了深入探究，非常巧妙地總結(jié)出判斷通電直導(dǎo)線周圍磁場方向的安培定則（Ampere rule）：用右手握住通電直導(dǎo)線，讓伸直拇指的方向與電流的方向一致，則四指彎曲的方向就是電流周圍磁感線的環(huán)繞方向（ 圖 5-8）。
如果把通電直導(dǎo)線彎成環(huán)形，它的磁場又有什么特點(diǎn)呢？其實(shí)，通電圓環(huán)可視為由很多段通電直導(dǎo)線組成。從鐵粉的分布情況可以看出，環(huán)形電流磁場的磁感線是一些繞環(huán)形電流的閉合曲線，在環(huán)形電流的中心軸上，磁感線與環(huán)形電流所在的平面垂直，如圖 5-9 所示。
環(huán)形電流的方向與中心軸線上磁感線方向的關(guān)系，也可以用安培定則來判斷：讓右手彎曲四指的方向與環(huán)形電流的方向一致，則伸直拇指所指的方向就是環(huán)形電流中心軸線處的磁感線方向（ 圖 5-10）。
多個通電環(huán)形導(dǎo)線放在一起，就形成了通電螺線管。由圖 5-11 可發(fā)現(xiàn)，通電螺線管外部的磁感線與條形磁鐵的磁感線相似，其內(nèi)部的磁感線與螺線管的軸線平行，并和外部的磁感線連接，形成閉合曲線。
通電螺線管磁場方向的判斷與環(huán)形電流相似：用右手握住螺線管，讓彎曲四指所指的方向與電流的方向一致，則伸直拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向（ 圖 5-12）。
19 世紀(jì)，安培提出了著名的“ 分子電流假說 ”。他認(rèn)為，組成磁鐵的最小單元（ 磁分子 ）就是分子環(huán)形電流，簡稱分子電流。若這些分子電流定向排列， 在宏 觀 上 就會 呈 現(xiàn) 出磁 性（ 圖 5-13）。當(dāng)時，人們不了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，不能解釋分子電流是如何形成的。20 世紀(jì)后，人們逐漸認(rèn)識到，原子內(nèi)部電子的不斷運(yùn)動形成了分子電流。磁體和電流產(chǎn)生磁場，本質(zhì)上都源于運(yùn)動電荷。
分子電流假說能很好地解釋磁化和退磁等現(xiàn)象。外加磁場讓鐵棒磁化，是磁場使其內(nèi)部分子電流的取向變得大致相同的結(jié)果；而磁體在高溫或劇烈振動的情況下，又會使磁體內(nèi)部分子電流的取向混亂，使磁性減退或消失.
（1）指南針與航海業(yè)的發(fā)展
磁的應(yīng)用源遠(yuǎn)流長。古人對磁技術(shù)的應(yīng)用中， 首屈一指的當(dāng)數(shù)我國發(fā)明的指南針。 古人將天然磁石磨制成指示方向的器具，即“ 司南 ”（ 圖 5-14）。然而，用天然磁石磨制的司南，在震動或高溫下容易減弱甚至失去磁性，應(yīng)用并不廣泛。北宋時期，人們將磁化鋼針支撐在一個刻有方位的盤中，用來指示方向，從而發(fā)明了指南針（ 羅盤針 ）。
指南針的出現(xiàn)改變了夜晚依靠北極星辨別方向，白晝通過太陽確定方位的歷史，為人們的遠(yuǎn)行提供了幫助，開啟了航海技術(shù)革命，推動了世界各國航海事業(yè)的發(fā)展，為 15～17 世紀(jì)的地理大發(fā)現(xiàn)提供了重要條件。明初鄭和七下西洋是人類航海史上的空前壯舉，而指南針的應(yīng)用則為這一壯舉的完成作出了偉大貢獻(xiàn)。
磁在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。 在現(xiàn)代交通工具中的典型應(yīng)用是高速磁浮列車。磁浮技術(shù)讓列車懸浮于軌道之上行駛，極大地減小了列車受到的阻力，列車車速可達(dá) 600 km/h。磁浮列車有常導(dǎo)電磁鐵吸引式和超導(dǎo)電磁鐵相斥式兩種。常導(dǎo)電磁鐵吸引式是根據(jù)磁鐵異極相吸的原理，讓導(dǎo)軌鋼板的吸引力與車輛所受重力平衡，從而使車體懸浮［ 圖 5-15（a）］；
超導(dǎo)電磁鐵相斥式是根據(jù)磁鐵同極相斥的原理，利用車上超導(dǎo)電磁鐵形成的磁場與軌道上磁鐵形成的磁場所產(chǎn)生的相斥力使車體懸?。?圖 5-15（b）］。近年來，人們還設(shè)想利用超導(dǎo)磁浮技術(shù)和真空管道，讓列車在真空管中運(yùn)行，預(yù)計(jì)最高速度可達(dá)幾千千米每小時。此外，種類繁多的發(fā)電機(jī)、電動機(jī)，電冰箱的磁密封條，微波爐產(chǎn)生微波的磁控管，收音機(jī)和電視機(jī)的多種磁元件，都要應(yīng)用各種各樣的磁性材料。
核磁共振成像技術(shù)是磁在醫(yī)學(xué)診斷方面的重要應(yīng)用（ 圖 5-16）。核磁共振成像技術(shù)是在核磁共振的基礎(chǔ)上加上斷層掃描和計(jì)算機(jī)輔助成像技術(shù)發(fā)展起來的，它與 X 射線成像和超聲波成像相比，能獲得更多的人體內(nèi)部信息，尤其對被頭骨包圍的腦部病變和早期腫瘤病變的診斷更具優(yōu)越性。
此外，種類繁多的發(fā)電機(jī)、電動機(jī)，電冰箱的磁密封條，微波爐產(chǎn)生微波的磁控管，收音機(jī)和電視機(jī)的多種磁元件，都要應(yīng)用各種各樣的磁性材料。
利用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)，可測量磁場中各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。 如圖 5-17 所示，將條形磁鐵放在坐標(biāo)紙上，勾畫磁鐵輪廓，并在坐標(biāo)軸上確定測量點(diǎn)。用連接在數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器測量各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。分析條形磁鐵周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小分布，對照條形磁鐵的磁感線分布，你能得出什么結(jié)論？
地球本身是一個大磁體，它的 N 極位于地理南極附近，S 極位于地理北極附近（ 圖 5-18）。在地磁兩極，磁針豎直指向地面；在赤道上，磁針?biāo)街甘灸媳?。磁針指示南北是一種近似的說法，小磁針的指向與地理正南正北方向之間的夾角稱為磁偏角。對于地球磁性的成因，目前仍沒有確定的說法，部分科學(xué)家認(rèn)為是由地核中熔化了的金屬（ 鐵和鎳 ）的環(huán)流引起的。
地磁場對人類的生產(chǎn)生活都有重要意義。根據(jù)地磁場出現(xiàn)的異常情況，可發(fā)現(xiàn)未知的礦藏或者特殊的地質(zhì)構(gòu)造。地磁場能使來自太陽的高速帶電粒子流偏轉(zhuǎn)，成為地球生命的“ 保護(hù)傘 ”。 科學(xué)家還根據(jù)對地球火山巖石的精確測定，發(fā)現(xiàn)地磁場強(qiáng)度和方向發(fā)生過多次變化（ 圖 5-19）
1.如果你在森林里迷路了，而身邊有一個指南針，但上面關(guān)于南、北極的標(biāo)記都脫落了，好在還有備有電池的手電筒和一段導(dǎo)線。你有什么辦法能確定指南針的南、北極？ 2. 為了解釋地球的磁性，安培假設(shè)地球的磁場是由以地心為圓心的環(huán)形電流 I 引起的。下列四個圖中，能正確表示安培假設(shè)中環(huán)形電流方向的是
3. 如圖所示，兩根互相平行的長直導(dǎo)線過紙面上的 M、N 兩點(diǎn)， 且與紙面垂直，導(dǎo)線中通有大小相等、方向相反的電流。a、O、 b 在 M、N 的連線上，O 為 MN 的中點(diǎn)，c、d 位于 MN 的中垂 線上，且 a、b、c、d 到 O 點(diǎn)的距離均相等。下列說法正確的是 A. O 點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零 B. a、b 兩點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相反 C. c、d 兩點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相同 D. a、c 兩點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向不同
4. 在勻強(qiáng)磁場中，有一段 0.1 m 長的直導(dǎo)線和磁場方向垂直。導(dǎo)線通過的電流是 5.0 A 時，受磁場力的作用是 0.2 N，磁感應(yīng)強(qiáng)度是多少？現(xiàn)將直導(dǎo)線長度增加為原來的 2 倍，通過的電流減小為原來的一半，磁感應(yīng)強(qiáng)度是多少？如果把該通電導(dǎo)線拿走，該處磁感應(yīng)強(qiáng)度是多少？
5. 請判斷下列情形中電流的方向。 （1）圖（a）中，當(dāng)電流通過導(dǎo)線時，導(dǎo)線下磁針的 N 極轉(zhuǎn)向紙外； （2）圖（b）中，當(dāng)電流通過環(huán)形導(dǎo)線時，導(dǎo)線下磁針的 N 極轉(zhuǎn)向紙外； （3）當(dāng)電流通過螺線管時，磁針 N 極的指向如圖（c）所示。

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第1節(jié) 磁場及其描述

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