磁场
来源：Yong P. Chen，博士，物理系 & 天文学，普渡大学理学院，西拉法叶，印第安纳州
磁场可以由运动电荷产生，例如电流。电流所产生的磁场可以通过麦克斯韦方程组进行计算。此外，磁体等磁性物体由于其内部电荷的微观运动，也能产生磁场。磁场会对其他运动电荷或磁性物体施加磁力，该力的大小与磁…
1. 观察磁感线
- 取一段直的导线（长度至少几厘米）和一个直流电源。
- 取一块中间有孔的板，并在板上安装多个小磁针，每个磁针固定在一根针上并可自由旋转。
- 将导线穿过板上的孔，使导线的直线部分与板面垂直。将导线连接到直流电源，如图2a所示。连接可通过带夹子的电缆实现。
- 打开电源，向导线中通入+5 A的电流。观察磁针的行为。
- 将电流反向至−5 A，再次观察磁针的行为。
- 断开并移除导线和电源。取一根永磁条形磁铁，将其长轴与板平行，从侧面靠近板，使磁铁的北极更靠近板，如图2b所示。观察磁针的行为。
- 翻转条形磁铁的方向，使其南极更靠近板。再次观察磁针的行为。
图2：示意图显示了使用以下两种方式产生磁场的实验装置：（a）一段直导线中通有电流，导线垂直于平板并穿过平板中心的孔；或（b）将一根条形磁铁靠近平板，并使其方向垂直于平板。所产生的磁场会使平板上的指南针针尖沿局部磁场方向排列。
2. 磁场的影响
- 如图3a所示，准备两个长而平行的导线，并将其固定在支架上。如有需要，可使用一个木制框架，其上安装两条平行的横杆（上杆和下杆），并将导线的两端固定或粘贴在两条横杆上。
- 使用电缆和夹具将两条导线串联后连接至电源，其中一条导线的上端连接另一条导线的下端，如图3a所示。
- 打开电源，使电流在两条导线中沿相同方向（从上至下）流动。接通电流后观察两条导线的情况。
- 关闭并断开电源，然后重新连接两条导线，使其仍与电源串联，但将两条导线的上端短接，如图3b所示。
- 再次打开电源，观察到电流在两条导线中沿相反方向流动。观察两条导线的情况。
图3：示意图显示两条平行导线中电流同向（a）或反向（b）流动的实验装置。
磁场是电磁学的基本组成部分，其实际应用广泛，从指南针到磁共振成像均依赖于磁场原理。
磁场（B场）可以由运动电荷（例如电流）产生，也可以由条形磁铁等物体产生，其根源在于磁性材料内部电荷的微观动力学行为。
本视频将演示如何可视化载流导体和永磁条形磁铁所产生的磁场。此外，本视频还将展示由电流产生的磁场对另一根载流导线所施加的作用力。
磁场可以通过磁感线来可视化。这些是假想的线条，有助于理解磁场的分布和方向。
磁场线的切线方向反映了磁场的局部方向，而磁场线的密度则对应局部磁场的强度。以条形磁铁为例，随着远离其表面，磁场强度逐渐减弱。不同的电流导体构型会产生不同的磁场分布变化。
例如，一根通有电流的长直导线会产生磁场，其方向由“磁感线”表示，沿导线周围的圆周切线方向。
对于条形磁铁，磁感线从磁铁的北极发出，进入磁铁的南极。这类似于螺线管产生的磁场模式，螺线管是携带电流的圆柱形线圈。
电流产生的磁场方向可通过“右手定则”确定。该定则指出，若拇指指向电流方向，则环绕导体的弯曲手指方向即为磁场方向。因此，当条形磁铁靠近导体时，会与所产生的局部磁场方向对齐。
现在我们知道，由任何导体或磁体产生的磁场会与附近的磁性材料相互作用。此外，所产生的磁场还会与运动的电荷相互作用，例如存在于另一个载流导体中的电荷。
当一个运动电荷“q”进入磁场“B”时，该磁场会对电荷施加一个力“F”，这被称为洛伦兹力。该力与磁场“B”、电荷量“q”及其速度“v”成正比，并由电荷速度与磁场的矢量积乘以电荷量决定。因此，该力的方向垂直于电荷运动方向和磁场方向，具体方向由“右手定则”确定。
在回顾了磁场的基本原理之后，让我们进行一个简单的实验，以直观展示这些磁感线，并演示由产生的磁场施加的洛伦兹力如何影响一根平行的载流导线。
准备必要的材料和仪器，包括直流电源、一块装有多个指南针针头的塑料板，以及一根穿过其中心的直导线，另备一根永久条形磁铁。
观察中心带有一个孔洞的塑料板。塑料板上围绕中心孔洞用图钉固定了多个指南针针头，使得这些针头可以自由旋转。
还需注意导线应穿过电路板的中心孔，并确保导线与电路板垂直。使用带夹子的电缆将导线连接到直流电源。
打开电流源，将电流调节至+5安培。观察指南针针的偏转行为。
接下来，关闭电源并交换正负极电缆。然后重新打开电源，以反转流经导线的电流方向，并再次观察指南针指针的偏转情况。
现在关闭并断开电源，取一块类似的安装有磁针的塑料板，但该塑料板上未穿过导线。接下来，确定条形磁铁的北极。
将条形磁铁的长轴与板平行，从侧面将磁铁的N极靠近板。观察指南针针是否发生任何方向变化。
现在将条形磁铁翻转，使南极靠近板面。再次观察指南针针尖的方向是否发生任何变化。
首先组装一个框架，框架包含两根杆，其中一根为水平杆，沿框架顶部延伸，另一根为垂直杆，连接底座与水平杆。接着，将两根长导线的中段部分用固定装置或胶带固定在框架上。将两根导线的一端悬挂在框架下方，使两根导线彼此平行。
现在，将两根导线的末端连接到开关和接线端上，然后将该装置连接到电池。
确保导线连接正确，使电流在两根导线中沿相同方向流动。然后，拨动开关，将电池与导线接通。
当电流通过两根导线时，观察其现象。随后，关闭开关以切断导线中的电流。
反转开关的方向，以改变电流在导线中的流动方向。当电流接通时，观察两条导线。
现在我们已经回顾了实验方案，接下来让我们回顾一下所进行实验的结果。
在指南针针的实验中，最初，这些针呈随机排列。当通入电流后，指南针针会与局部磁场对齐，形成环形模式。
当电流方向反转时，局部磁场随之反转，进而导致指南针针尖的指向发生反转。
同样，当条形磁铁的北极靠近指南针时，会产生一个局部磁场，指南针的指针会沿着这些局部磁场线排列。
当条形磁铁翻转时，磁场方向也随之反转，从而导致指南针针头的指向发生反转。
在两条长直导线的实验中，当导线中流过的电流方向相同时，导线会相互吸引。这是由于磁场产生的洛伦兹力所致。
根据右手定则，左侧导线在右侧导线所在位置产生一个垂直于电流方向的磁场。现在使用另一个右手定则，将手指指向电流方向，并使手指沿磁场方向弯曲，则伸直的拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。在此情况下，该力指向左侧导线，因此为吸引力。
另一方面，当两根导线中的电流方向彼此相反时，右手定则表明，右侧导线处洛伦兹力的方向远离左侧导线，使得该力为排斥力。因此，两根导线相互推开。
我们周围到处都存在磁场，目前其应用范围从导航到临床环境不等。现在让我们来看一些磁场的常见应用。
几个世纪前，中国的宋朝发明了首个用于导航的磁罗盘。从那时起，人类便依靠罗盘与地球自身的磁场协同工作来确定方向。
地球的磁南极位于其地理北极附近。因此，指南针的磁北极会与地球的磁场对齐，并指向地球的地理北极。
磁场在医学和医学诊断领域也有众多应用。磁场最常见的用途是磁共振成像（MRI）。MRI 扫描仪利用强磁场和磁场梯度来生成人体内部的图像。
您刚刚观看了 JoVE 关于磁场的简介视频。您现在应该了解如何使用指南针来可视化磁场，并理解由电流产生的磁场的洛伦兹力如何影响另一条近似平行的电流。感谢观看！
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Q1: How do magnetic field lines help visualize magnetic fields?
Magnetic field lines are fictitious lines that represent the distribution and direction of magnetic fields. The tangent to each line shows the local field direction, while line density indicates field strength. For a bar magnet, field lines emerge from the north pole and enter the south pole, decreasing in density as distance increases from the magnet's surface.
Q2: What is the right-hand rule and how does it determine magnetic field direction?
The right-hand rule states that if your thumb points along the current direction, your curling fingers indicate the magnetic field direction around a conductor. This rule applies to straight wires and solenoids. When a bar magnet is brought near a current-carrying conductor, it aligns with the generated local magnetic field according to this principle.
Q3: What is the Lorentz force and how does it act on moving charges?
The Lorentz force is the force exerted by a magnetic field on a moving charge. It is proportional to the magnetic field strength, charge magnitude, and velocity. The force direction is perpendicular to both the charge's motion and the magnetic field, determined by the right-hand rule. This force also acts between current-carrying conductors.
Q4: How do parallel current-carrying wires interact with each other?
Two parallel wires carrying current in the same direction attract each other due to the Lorentz force generated by their magnetic fields. When currents flow in opposite directions, the wires repel. The direction of attraction or repulsion is determined by applying the right-hand rule to the magnetic field produced by one wire acting on the current in the other wire.
Q5: What are the main sources of magnetic fields?
Magnetic fields are generated by two primary sources: moving electrical charges, such as current in a conductor, and permanent magnetic objects like bar magnets. In bar magnets, microscopic dynamics of charges inside the material create the magnetic field. Both sources produce fields that can be visualized using field lines and interact with other charges and magnetic materials.
Q6: How do compass needles demonstrate magnetic field patterns?
Compass needles align with local magnetic fields, revealing field direction and pattern. When placed around a current-carrying wire, needles form circular patterns reflecting the wire's magnetic field. Reversing current reverses needle orientation. Similarly, compass needles align with field lines from a bar magnet's poles, with orientation reversing when the magnet is flipped.
Q7: What are practical applications of magnetic fields in everyday life?
Magnetic fields enable navigation through compasses, which align with Earth's magnetic field to indicate geographic north. In medicine, magnetic resonance imaging uses strong magnetic fields and gradients to generate detailed body images. These applications demonstrate how fundamental magnetic field principles translate into essential technologies for navigation and clinical diagnostics.