2.2 电流的磁场
[学习目标定位] 1.了解奥斯特、安培等科学家的实验研究对人们认识电磁现象所起的重要作用.2.会用磁感线描绘直线电流、环形电流和通电螺线管周围的磁场.3.会用安培定则判断直线电流、环形电流和通电螺线管周围的磁场方向．
一、电流的磁效应
1．电流的磁效应：1820年，奥斯特发现：把一根导线平行地放在磁针的上方，给导线通电时，磁针发生了偏转，说明电流能产生磁场，这个现象称为电流的磁效应．
2．电流具有磁效应，证明电与磁之间是有联系的．
二、电流磁场的方向
1．直线电流磁场的磁感线是围绕导线的一些同心圆．直线电流的磁场方向可以用安培定则来判断：右手握住导线，让伸直的拇指的方向与电流的方向一致，那么，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向．
2．通电螺线管的磁场方向的判断：右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向．
3．通电螺线管对外相当于一个条形磁铁，它也有N极、S极两个磁极.
一、电流的磁效应
[问题设计]
1．举例说明电现象和磁现象之间存在相似性．
答案 自然界中的磁体总有两个磁极：南极和北极，自然界中同样存在两种电荷：正电荷和负电荷；同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引，同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引．
2．小磁针只有放在磁体周围才会受到磁力作用而发生偏转，也就是说，只有磁体周围存在着磁场吗？
答案 不是．小磁针放在通电导体周围也发生偏转，电流周围也有磁场．
[要点提炼]
1．电现象和磁现象的相似性
电现象和磁现象有不少相似的地方．例如：磁体能使附近铁棒产生磁性，带电体能使它附近的导体感应出电荷来；自然界中的磁体总有两个磁极：南极和北极，自然界中同样存在两种电荷：正电荷和负电荷；同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引，同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引．
2．奥斯特发现电流的磁效应
(1)电流能够产生磁场，这个现象叫做电流的磁效应．
(2)电流的磁效应是丹麦物理学家奥斯特于1820年发现的．
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二、电流磁场的方向
[问题设计]
1．演示实验：将一根与电源、开关相连接的直导线用架子架高，沿南北方向水平放置．将小磁针平行地放在直导线的上方和下方，请观察直导线通、断电时小磁针的偏转情况．观察到什么现象？通过这个现象可以得出什么结论呢？
答案 观察到通电时小磁针发生偏转，断电时小磁针又回到原来的位置．通电后导线周围的小磁针发生偏转，说明通电后导线周围的空间对小磁针产生磁力的作用，由此我们可以得出：通电导线和磁体一样，周围存在着磁场．
2．重做上面的实验，请观察当电流的方向改变时，小磁针N极的偏转方向是否发生变化．观察到什么现象？这说明什么？
答案 观察到电流的方向改变时，小磁针N极的偏转方向发生改变，说明电流的磁场方向也发生变化．
[要点提炼]
1．直线电流的磁场
(1)磁场方向的判断方法
安培定则：右手握住导线，让伸直的拇指的方向与电流的方向一致，那么，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向，如图1所示．
图1
(2)磁感线的分布特点
直线电流的磁场可有三种不同的画法，如图2所示．
图2
①图中的“×”号表示磁场方向垂直进入纸面，“·”号表示磁场方向垂直离开纸面．
②直线电流的磁场无磁极，是非匀强磁场，距导线越远处磁场越弱．
2．环形电流的磁场
(1)磁场方向的判断方法
安培定则：让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，伸直的拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁感线的方向．
(2)磁感线的分布特点
两侧分别是N极和S极，离圆环中心越远，磁场越弱，画法如图3所示．
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图3
3．通电螺线管的磁场
(1)磁场方向的判断方法：用安培定则来判定．
(2)磁感线的分布特点
两端分别是N极和S极，管内是匀强磁场，管外是非匀强磁场，画法如图4所示．
图4
一、电流磁场方向的判断
例1 如图5所示，a、b是直线电流的磁场，c、d是环形电流的磁场，e、f是螺线管电流的磁场．试在各图中补画出电流方向或磁感线方向．
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图5
解析 根据安培定则，可以确定a中电流方向垂直纸面向里，b中电流方向从下向上，c中电流方向是逆时针方向，d中磁感线方向向下，e中磁感线方向向左，f中磁感线方向向右．
答案 见解析
针对训练 如图6所示，水平直导线ab通有向右的电流I，置于导线正下方的小磁针S极将( )
图6
A．向纸外偏转
B．向纸内偏转
C．在纸面内顺时针转过90°
D．不动
答案 A
解析 据安培定则可以确定，通电直导线在其下方产生垂直纸面向里的磁场，在磁力的作用下，小磁针N极向纸里偏转，S极向纸外偏转，A项正确．
二、安培定则的综合应用
例2 放在通电螺线管里面的小磁针保持静止时，对于N极的指向，两位同学的回答相反．甲说，小磁针的位置如图7甲所示，因为管内的磁感线向右，所以小磁针的N极指向右方；乙说，小磁针的位置如图乙所示，他的理由是通电螺线管的N极在右侧，根据异名磁极相互吸引可知，小磁针的S极指向右方，你的看法是怎样的？他们谁的答案错了？错在哪里？
图7
解析 小磁针N极指向右．“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”只适用于两个磁体互为外部时磁极间的相互作用．小磁针在磁场中静止时，N极所指的方向，就是磁感线的方向，所以乙的答案错了．
在磁场中保持静止的小磁针，它的N极一定指向磁感线的方向，甲的答案正确．
答案 见解析
针对训练 如图8所示，当开关K闭合时电磁铁和物体ab相互吸引，则正确的说法是( )
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图8
A．ab一定是磁铁，且a端一定是N极
B．ab一定是磁铁，且a端一定是S极
C．ab可能是磁铁，且a端是S极
D．ab可能是一块铁，而不是磁铁
答案 CD
解析 K闭合时，螺线管就产生了磁场，根据安培定则可知，其右边是N极，若ab是磁铁，则左边是S极；ab也可能是一块铁．故C、D正确．
1．(物理学史)首先发现电流磁效应的科学家是( )
A．安培 B．奥斯特
C．库仑 D．麦克斯韦
答案 B
2．(电流磁场方向的判断)一束带电粒子沿水平方向飞过小磁针上方，如图9所示．若带电粒子飞过小磁针上方的瞬间，小磁针N极向纸面内偏转，则带电粒子可能是( )
图9
A．向右飞行的正离子束
B．向左飞行的正离子束
C．向右飞行的负离子束
D．向左飞行的负离子束
答案 AD
解析 离子束下方磁感线垂直纸面向里，由右手螺旋定则可知，位于小磁针上方的电流方向向右．
3．(安培定则的综合应用)两根非常靠近且相互垂直的长直导线，当通以如图10所示方向的电流时，电流所产生的磁场在导线所在平面内的哪个区域内方向是一致且向里的( )
图10
A．区域Ⅰ B．区域Ⅱ
C．区域Ⅲ D．区域Ⅳ
答案 A
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解析 由安培定则可知，I1电流在其上方产生的磁场方向垂直纸面向里，I2电流在其右方产生的磁场方向垂直纸面向里，故只有在区域Ⅰ两个电流产生的磁场才都向里．
4．(安培定则的综合应用)在如图11所示的各图中画出导线中通电电流方向或通电导线周围磁感线的方向或通电螺线管的绕线方向．其中(a)、(b)为平面图，(c)、(d)为立体图．
图11
答案
6
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