5.3　探究电流周围的磁场

[自 主 预 习·探 新 知]

[知识梳理]

一、电流的磁场

1．丹麦的物理学家奥斯特发现通电导线能使小磁针偏转．

2．直线电流的磁场

(1)磁场分布：直线电流磁场的磁感线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在跟导线垂直的平面上．

(2)安培定则：用右手握住导线，让大拇指指向电流的方向，则弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向．

3．通电线圈的磁场

(1)环形电流的磁场：环形电流磁场的磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线，也满足安培定则．

(2)通电螺线管的磁场：就像一根条形磁铁，一端相当于北极，另一端相当于南极．长直通电螺线管内中间部分的磁场近似匀强磁场．

(3)磁感线方向判定：电流方向、磁场磁感线方向仍然满足安培定则．右手握住螺旋管，让四指指向电流的环绕方向，则大拇指指向N极．

二、探究磁现象的本质

1．安培的分子电流假说：在原子、分子等物质微粒的内部存在着一种环形电流，叫分子电流，分子电流使每一个物质微粒都成为微小的磁体，分子电流的两侧相当于两个磁极．

2．磁现象的电本质：磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的．

[基础自测]

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”．)

(1)直线电流磁场的磁感线一定和电流方向平行．(×)

(2)直线电流和通电螺线管的电流方向跟它产生的磁场的磁感线方向之间的关系都符合安培定则．(√)

(3)通电螺线管的磁感线都是从N极指向S极．(×)

(4)磁铁的磁场和电流的磁场本质是相同的．(√)

(5)磁体受到高温或猛烈敲击有时会失去磁性．(√)

(6)发现电流磁效应的科学家是安培．(×)

【提示】　

(1)×　直线电流磁感线所在的平面与电流方向垂直．

(3)×　螺线管内部磁感线方向从S极指向N极．

(6)×　发现电流磁效应的科学家是奥斯特．

2．下列各图中，用带箭头的细实线表示通电直导线周围磁感线的分布情况，其中正确的是(　　)

【导学号：69682254】

D　[通电直导线周围磁感线是以导线上各点为圆心的同心圆，由安培定则可知选项D正确．]

3．如图是通电直导线周围磁感线的分布情况示意图，各图的中央表示垂直于纸面的通电直导线及其中电流的方向，其他的均为磁感线，其方向由箭头指向表示，这四个图中，正确的是(　　)

C　[根据安培定则可以判断，A、B、C电流的磁场沿顺时针方向，D电流的磁场沿逆时针方向，D错．离电流越远，磁场越弱，磁感线越稀疏，故A、B错，C对．]

4．磁铁在高温下或者受到敲击时会失去磁性，根据安培的分子电流假说，其原因是(　　)

A．分子电流消失

B．分子电流取向变得大致相同

C．分子电流取向变得杂乱

D．分子电流减弱

C　[根据安培的分子电流假说，当分子电流取向变得大致相同时，对外显示磁性；当温度升高或者受到敲击时分子发生运动，分子电流变得紊乱无序，对外不能显示磁性．]

[合 作 探 究·攻 重 难]

安培定则可以用来判定直线电流、环形电流和通电螺线管的磁场．

　弹簧测力计下挂一条形磁铁，其N极一端位于一通电螺线管的正上方，如图5­3­1所示，下列说法正确的是(　　)

图5­3­1

A．若a接电源正极，b接负极，弹簧测力计示数不变

B．若a接电源正极，b接负极，弹簧测力计示数增大

C．若b接电源正极，a接负极，弹簧测力计示数减小

D．若b接电源正极，a接负极，弹簧测力计示数增大

思路点拨：①磁铁和螺线管吸引时弹簧测力计示数增大，排斥时示数减小．

②先确定正、负极，再判断电流方向，最后判断螺线管的N、S极．

D　[若a接电源正极，b接负极，螺线管中电流俯视沿逆时针方向，由安培定则判断螺线管的上端相当于条形磁铁的N极，故磁铁受到螺线管对它向上的斥力作用，弹簧测力计示数减小，A、B错误；若b接电源正极，a接负极，由安培定则判断螺线管的上端相当于条形磁铁的S极，磁铁受到螺线管对它向下的引力作用，弹簧测力计示数变大，故C错误，D正确．]

应用安培定则时注意的两点

(1)分清“因”和“果”：在判定直线电流的磁场的方向时，大拇指指“原因”——电流方向，四指指“结果”——磁场绕向；在判定环形电流磁场方向时，四指指“原因”——电流绕向，大拇指指“结果”——环内沿中心轴线的磁感线方向，即指N极．

(2)优先采用整体法：一个任意形状的闭合电流(如三角形、矩形)的磁场，从整体效果上可等效为环形电流的磁场．

[针对训练]

1．(多选)下列所示各图中，小磁针的指向正确的是(　　)

【导学号：69682255】

ABD　[小磁针N极受力方向是该点的磁感应强度方向，由安培定则及地磁场、条形磁铁、蹄形磁铁磁场分布可知选项A、B、D正确．]

2. (多选)如图5­3­2所示，螺线管、蹄形铁芯、环形导线三者相距较远，当开关闭合后小磁针N极(黑色的一端)的指向正确的是(　　)

图5­3­2

A．小磁针a的N极指向正确

B．小磁针b的N极指向正确

C．小磁针c的N极指向正确

D．小磁针d的N极指向正确

BCD　[根据安培定则，蹄形铁芯被磁化后右端为N极，左端为S极，小磁针c指向正确；通电螺线管的磁场分布和条形磁铁相似，内部磁场向左，下方磁场向右，所以小磁针b指向正确，小磁针a指向错误；环形电流形成的磁场左侧应为S极，故d的指向正确．]

1.当空间存在几个磁体或电流时，出现磁场叠加的情况．

2．磁感应强度是矢量，磁感应强度叠加时遵循平行四边形定则．

　如图5­3­3所示，三根长直通电导线中的电流大小相同，通过b、d导线的电流方向为垂直纸面向里，c导线的电流方向为垂直纸面向外，a点为b、d两点连线的中点，ac垂直bd，且ab＝ad＝ac，则a点的磁场方向为(　　)

图5­3­3

A．垂直纸面向外　　　 B．垂直纸面向里

C．沿纸面由a指向b D．沿纸面由a指向d

思路点拨：①先根据安培定则确定电流b、c、d在a点产生的磁场方向．

②根据矢量合成法则确定合磁场方向．

C　[根据安培定则确定三个电流在a点上所产生的磁场方向，如图所示：

直导线b在a点产生的磁场与直导线d在a点产生的磁场方向相反，大小相等，则合磁场为零；而直导线c在a点产生的磁场方向从d指向b，即为沿纸面由a指向b.故选C.]

[针对训练]

3．如图5­3­4所示，三根通电导线Q、P、R互相平行且通过正三角形的三个顶点，三根导线中电流的大小相等，方向垂直纸面向里，则通电导线P、Q在导线R处的磁场方向是(　　)

图5­3­4

A．指向y轴负方向

B．指向y轴正方向

C．指向x轴正方向

D．指向x轴负方向

C　[由安培定则可知，P在R处产生的磁场方向斜向右下且与水平方向成30°角；Q在R处产生的磁场方向斜向右上且与水平方向成30°角，由于电流的大小相等，与R的距离相等，因此两磁场的磁感应强度的大小相等，由平行四边形定则可知，合磁场的方向水平向右，即指向x轴正方向，故选C.]

4. (多选)两根长直导线a、b平行放置，如图5­3­5所示为垂直于导线的截面图，图中O点为两根导线连线ab的中点，M、N为ab的中垂线上的两点且与a、b等距，两导线中通有等大、同向的恒定电流，已知直线电流在某点产生的磁场的磁感应强度B的大小跟该点到通电导线的距离r成反比，则下列说法中正确的是(　　)

【导学号：69682256】

图5­3­5

A．M点和N点的磁感应强度大小相等，方向相同

B．M点和N点的磁感应强度大小相等，方向相反

C．O点的磁感应强度为零

D．若在N点放一小磁针，静止时其北极沿ON指向O点

BC　[由安培定则、通电直导线周围磁场特点及矢量的合成知BM垂直MN向下，BN垂直MN向上，且BM＝BN；而O点的磁感应强度BO＝0，B、C对，A错；若在N点放一小磁针，静止时其北极垂直MN向上．]

[当 堂 达 标·固 双 基]

1.如图5­3­6所示，把一条导线平行地放在磁针的上方附近，当导线中有电流通过时，磁针会发生偏转．发现这个实验现象的物理学家是(　　)

图5­3­6

A．牛顿　　　B．爱因斯坦 C．奥斯特 D．居里夫人

C　[发现电流能使小磁针偏转的物理学家是奥斯特．故C正确．]

2．一根软铁棒被磁化是因为(　　)

【导学号：69682257】

A．软铁棒中产生了分子电流

B．软铁棒中分子电流取向杂乱无章

C．软铁棒中分子电流消失

D．软铁棒中分子电流取向变得大致相同

D　[软铁棒中的分子电流是一直存在的，并不因为外界的影响而产生或消失，故A、C错．根据磁化过程的实质可知，B错误，D正确．]

3．当导线中分别通以图示方向的电流时，小磁针静止时北极指向读者的是(　　)

C　[根据安培定则可确定C正确．]

4.如图5­3­7所示，螺线管中通有电流，如果在图中的a、b、c三个位置上各放一个小磁针，其中a在螺线管内部，则：

图5­3­7

(1)放在a处的小磁针的N极向________．

(2)放在b处的小磁针的N极向________．

(3)放在c处的小磁针的N极向________． 【导学号：69682258】

【解析】　

由安培定则，通电螺线管的磁场如图所示，右端为N极，左端为S极，在a点，磁场方向向右，则小磁针在a点时，N极向右；在b点，磁场方向向右，则小磁针在b点时，N极向右；在c点，磁场方向向右，则小磁针在c点时，N极向右．

【答案】　(1)右　(2)右　(3)右

2019学年高中物理第5章磁场与回旋加速器5.3探究电流周围的磁场学案沪科版选修3 - 1