磁铁、磁场和小磁针
磁铁有两个端点,叫做磁极:指北的是北极(N),指南的是南极(S)。同名磁极互相排斥,异名磁极互相吸引。磁铁周围能感受到它的吸引或排斥的空间,叫做它的磁场。磁场既有大小又有方向,所以是矢量。
小磁针其实就是一块可以自由转动的小磁铁。它的N端指向该处磁场的方向。附近没有磁铁和电流时,它指向地理北方,因为地球本身就像一块巨大的磁铁。
磁场看不见,所以我们画出磁感线:它是一个自由的小北极会沿着运动的路径。在磁铁周围撒上铁屑,轻轻敲一敲卡片,铁屑就会沿着这些路径排开。
磁感线的特点
- 方向:在磁铁外部从N极到S极;在磁铁内部从S极回到N极。
- 闭合曲线:所以每条线都是闭合的,没有起点,也没有终点。
- 不会相交:如果两条线相交,交点处的小磁针就得同时指向两个方向,这是不可能的。
- 疏密表示强弱:线靠得近的地方磁场强(比如两极附近);线分得开的地方磁场弱。
- 磁感线上任意一点的切线方向,就是该点的磁场方向。
通电直导线周围的磁场
1820年,汉斯·克里斯蒂安·奥斯特发现,附近导线里一有电流,小磁针就会转动。这说明电流会产生磁场:电和磁是有联系的。
长直导线周围的磁感线是以导线为圆心的同心圆,所在的平面与导线垂直。
右手螺旋定则(右手握拳法)
用右手握住导线,大拇指指向电流方向,弯曲的四指所指的方向就是磁感线的方向。电流反向,磁场也反向,小磁针就向另一边偏转。
磁场强弱和什么有关
电流越大,磁场越强;离导线越远,磁场越弱。靠近导线的地方圆圈很密,远处就稀疏了。(磁场强度与电流成正比,与距离成反比。)
环形电流(线圈)的磁场
把直导线弯成圆环。环上每一小段导线仍然在自己周围产生一圈圈的磁感线。靠近导线处是小圆圈;越往中心,圆圈越大,到了中心,环上各部分产生的磁感线方向一致,看上去几乎是直线。
增大电流或增加匝数,中心的磁场就会变强(n匝相当于n个单圈叠加)。环越小,中心的磁场也越强。从一个端面看过去,逆时针电流使这个面成为N极,顺时针电流使它成为S极。
螺线管:像条形磁铁的线圈
螺线管是用绝缘铜导线紧密绕成许多匝的长圆筒形线圈。通电后,它的磁场分布和条形磁铁一样:一端相当于N极,另一端相当于S极。
长螺线管的内部,磁感线笔直、互相平行、间隔相等。这说明磁场是均匀的:管内每一点的大小和方向都相同。要判断N极在哪一端,用右手握住螺线管,让弯曲的四指沿着线圈中的电流方向,大拇指所指的一端就是N极。
下面三种办法可以让磁场变强:(1)增加匝数,(2)增大电流,(3)在管内放一根软铁芯。
电磁铁和永磁体
在螺线管里放一根软铁棒并通电,铁棒就变成一块很强的磁铁,叫做电磁铁。断开电流后,它的磁性几乎全部消失。
| 电磁铁 | 永磁体 |
|---|---|
| 只有通电时才有磁性 | 一直保持磁性 |
| 磁性强弱可以改变(改变电流、匝数) | 磁性强弱固定 |
| 改变电流方向可以改变磁极 | 磁极固定 |
| 铁芯:软铁 | 由钢、铝镍钴、铁氧体、钕等制成 |
| 可以做得非常强 | 通常较弱 |
电磁铁的用途:吊运废铁的起重机、电铃、继电器、扬声器、电动机、核磁共振仪和磁悬浮列车。永磁体用钢做,因为钢能长久保持磁性;电磁铁用软铁做,因为软铁很快就失去磁性。
考试会考什么
常见题型有:画磁感线图(条形磁铁、直导线、圆环、螺线管)、右手螺旋定则、磁感线为什么不相交、影响磁场强弱的因素,以及电磁铁和永磁体的区别。这些题通常是1到3分;画图题要给方向打分,所以一定要画上箭头。
重点公式和概念
- 直导线:磁场强度 B ∝ I 且 B ∝ 1/r(r = 到导线的距离)
- 圆环(中心):B ∝ n I / r(n匝,半径r)
- 螺线管(内部):B ∝ 单位长度的 n I;磁场均匀
- 磁场的SI单位:特斯拉(T)
- 右手螺旋定则:大拇指=电流,弯曲四指=磁场
- 线圈端面:逆时针电流=N极,顺时针电流=S极
例题讲解
1. 一个小磁针放在竖直导线的正东边。导线中电流向上。小磁针的N端指向哪里?(从上往下看。)
用右手螺旋定则:大拇指向上,从上往下看,四指是逆时针弯曲的。在导线东侧,逆时针方向正好是向北。所以小磁针的N端指向北(这里导线的磁场和地磁场方向一致)。
2. 在长直导线旁5 cm处,磁场强度为B。如果同时把电流加倍,10 cm处的磁场强度是多少?
B ∝ I/r。电流加倍,B变成2倍;距离加倍,B变成一半。所以B不变:2 × ½ = 1,磁场强度仍然是B。
3. 一个同学看线圈的一个端面,电流是顺时针方向。这个面是什么极?如果电流反向呢?
顺时针电流使这个面成为S极。电流反向后变成逆时针,这个面就成为N极。
4. 在不改变线圈长度的前提下,写出两种让螺线管磁场变强的方法。
增大电流、增加匝数,或者在里面放软铁芯。任选其中两种即可。
5. 为什么长螺线管内部的磁场是均匀的,而单匝线圈不是?
在长螺线管里,许多匝线圈的磁场并排叠加。在内部,会使磁感线弯曲的那些部分互相抵消,磁感线就变得笔直、平行、间隔相等。单匝线圈只在中心附近比较直,其他地方都是弯的。
常见错误
- 画出相交的磁感线,或者在空中中断、开始的磁感线。磁感线永远是闭合的,而且不会相交。
- 判断直导线的磁场时用了左手。直导线磁场方向用的是右手螺旋定则(弗莱明左手定则用来判断导线受的力,那是下一课的内容)。
- 说条形磁铁内部的磁感线从N极到S极。内部是从S极到N极;只有在外部才是从N极到S极。
- 以为软铁芯能做成永磁体。电流停止后,软铁会失去磁性;钢才能保持磁性。