电流与磁场

电与磁最早在两千多年前就已经发现了的，但最人们始终未能认识它们之间的内在联系。人们曾设想宇宙间各种现象之间，其中也包括电与磁之间，是有某种内在联系的（图1），但是一直未能找到对这个问题的科学答案。

直到1819年，丹麦物理学家奥斯特做了一个著名的实验，他发现，如果将一个小磁针移近一根通有电流的导体，小磁针会发生偏转。这个实验第一次科学地揭示了电与磁之间的关系。如图2所示，当他将电流通入一根沿南北方向放置的导线时，靠近导线的小磁针偏转到N极向西，而S极向东。这就说明，在有电流通过的导线的周围有磁场产生，小磁针受到磁场力的作用发生了偏转。

实验还进一步发现，通过导线的电流越大，或者磁针离通电的导线越近，这种偏转作用就越强。如果改变导线中电流的方向，磁针的偏转方向也会变得与原来相反。

流过导线的电流会在导线周围产生磁场，还可以通过图3的实验来证明。若用一根铜导线将干电池短路，使其中有数安培的电流通过，再把导线放在铁粉中。这时，如果迅速提起干电池和导线，可以发现导线吸附了许多铁粉。而一旦将电路断开时，铁粉就会落下来。这就表明，吸引铁粉的磁力，的确是由电流引起的。

在奥斯特的发现之后不久，法国物理学家安培确定了通电导线周围磁场的形状。他把一根粗的铜导线垂直地穿过一块硬纸板的中部，硬纸板上均匀地撒上一层细铁粉。当这根导线的两端接到一个电池的两端时，轻轻敲击纸板，撒在硬纸板上的铁粉就排列成一些围绕导线的同心圆（图4）。离导线穿过的点越近，铁粉排列得越密。这就表明，离导线越近的地方磁场越强。如果再如图5所示，在纸面上放上许多小磁针来观察，则磁针总是静止在和圆周相切的位置上。当电流从上往下流动时，从正面看去，小磁针的N极总是向右“拐弯”的。如果倒转垂直导线上电流的方向，磁针仍与圆周相切，它的N极所指的方向也刚好和上述相反。根据这个规律，安培提出了一个确定通电直导线周围的磁力线方向的规则——安培定则。

安培定则规定：用右手握住导线，并使拇指指向电流的方向，则其它四指的指向就是磁力线环绕导线的方向（图6）。习惯上人们把它称为右手螺旋定则。有时为了便于记忆，也可以用下面方法（称为“螺旋法则”）来判断：当螺丝依电流的方向旋进或旋出时，螺旋柄旋转的方向将与导线周围磁力线的方向一致（图7）。

在实际分析电磁现象时，常用截面图来表明导线中电流的方向，并采用了通用的符号。假想在导线中放着一枝箭，箭头所指的方向与电流的方向相同（图8），那么对于在导线中离开读者的电流，我们就看见箭尾的羽毛，用符 号表示；指向读者的电流，我们就看见箭的端头，用符号⊙表示。使用这样的符号，电流与它所产生的磁场的磁力线方向就可以表示成图9的形式。

如果把导线弯成圆环形再通以电流，从图10可见，磁力线和以前一样，还是围绕着通电导线，成为一圈圈的同心圆。但从圆环的侧面来看，磁力线是从它的一端穿入，从另一端穿出的。圆环电流所产生的磁场，很象一块扁平磁铁的磁场。

圆环电流的磁场方向，也可以用“螺旋法则”来判定：将螺旋沿圆环电流的轴线放着，与圆环的平面相垂直，若把螺旋依照回路中电流的方向旋转，那么螺旋前进的方向，就是磁场的方向。

把导线绕成螺旋线形状的线圈，称为螺线管（图11）。假想把螺线管剖开，在每根导线的横截面上画上电流方向的符号，运用“螺旋法则”来判定磁力线的方向，则全螺线管的磁场，将象图12的样子。

螺线管上磁力线进入的一端成为南极，而磁力线出来的一端成为北极。根据螺线管中的电流方向，可以确定磁力线的方向：用右手握住螺线管，使四指的方向顺着电流的方向，则伸直的拇指指示螺线管北极的方向，如图13所示。

实验证明，通电螺线管的磁场强弱，与螺线管的绕线匝数及电流的大小成正比，电流的安培数与匝数的乘积叫磁动势，有时称为安匝。如果把螺线管套在铁心上，当螺线管通上电流时，放置在螺线管中的铁心被电流的磁场磁化成磁铁，线圈中的磁感应强度会大大增强。电磁铁就是根据这个道理制成的。电磁铁的重要特性在于，只有当电流沿着导线通过的时候才变成磁铁，而当我们刚一断开电路时，磁性就立即消失了。电磁铁在电工和电子技术中获得了广泛的应用。例如各种各样的电磁开关和继电器，里面都用了电磁铁。（张学志 颜超 宋东生编译）