[科普中国]-安培电流

概念表述

安培电流是关于物质磁性本质的假说。由安培于1821年提出。他观察到通电螺线管有象磁体一样的作用，认为一切磁现象的根源是电流的存在。磁性物质的分子中存在着回路电流，称为分子电流，分子电流相当于基元磁体。物质的磁性就决定于物质中分子电流对外界的磁效应的总和。分子电流与导线中通过的宏观电流是有本质区别的，安培的假说把永磁体产生的磁场与宏观电荷运动产生的磁场统一了起来。安培的假说与现代对物质磁性的理解是相当符合的，所以到目前为止，仍被采用。根据安培假说，基元磁体两个磁极对应于圆形电流的两个面，显然这两个面是不能单独存在的，由此很容易解释磁体的N、S两极不能单独存在的原因。

详细介绍安培认为在原子、分子等物质微粒的内部，存在着一种环形电流——分子电流，使每个微粒成为微小的磁体，分子的两侧相当于两个磁极.通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的，它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，分子间相邻的电流作用抵消，而表面部分未抵消，它们的效果显示出宏观磁性。

安培的分子电流假说在当时物质结构的知识甚少的情况下无法证实，它带有相当大的臆测成分；在今天已经了解到物质由分子组成，而分子由原子组成，原子中有绕核运动的电子，安培的分子电流假说有了实在的内容，已成为认识物质磁性的重要依据。

磁场强度和磁感应强度均为表征磁场性质（即磁场强弱和方向）的两个物理量。由于磁场是电流或者说运动电荷引起的，而磁介质（除超导体以外不存在磁绝缘的概念，故一切物质均为磁介质）在磁场中发生的磁化对源磁场也有影响（场的迭加原理）。因此，磁场的强弱可以有两种表示方法：

在充满均匀磁介质的情况下，若包括介质因磁化而产生的磁场在内时，用磁感应强度B表示，其单位为特斯拉T，是一个基本物理量；单独由电流或者运动电荷所引起的磁场（不包括介质磁化而产生的磁场时）则用磁场强度H表示，其单位为A/m，是一个辅助物理量。

具体的，B决定了运动电荷所受到的洛仑兹力，因而，B的概念叫H更形象一些。在工程中，B也被称作磁通密度（单位Wb/m2）。在各向同性的磁介质中，B与H的比值即介质的绝对磁导率μ,单位为亨/米(H/m)。1

磁场强度磁场强度是表示磁场方向和强弱的矢量。由于磁场是电流或运动电荷引起的，而磁介质在磁场中发生的磁化对磁场也有影响，因此磁场 强度有两种表示法： 在充满均匀磁介质的 情况下，包括介质因磁化而产生的场在内， 用磁感应强度矢量B表示; 单纯由电流 或运动电荷所引起的场则用磁场强度矢量 H表示。磁感应强度决定电流或运动电 荷在磁场中所受的力。磁场强度则与产生 磁场的电流强度相联系。在各向同性的磁 介质中，B与H的比值为介质的磁导 率。磁场强度的国际制单位为安培/米。磁感应强度的单位为特斯拉。

磁感应强度表征磁场强弱程度和磁场方向的物理量。又称磁通密度。设磁场中某点有正电荷q，它的速度是v，磁场对它的作用力是F;改变速度v的方向但维持其量值不变，直到力的量值F为最大;定义该点的磁感应强度B的量值为B=F/qv，B的方向为F×v的方向。在国际单位制(SI)中，磁感应强度的单位是特[斯拉] (T);也有用高斯(Gs)作单位的。测量磁感应强度的常见方法，有基于感应电动势效应的探测线圈法和基于霍耳效应的霍耳片法等。

磁感应线为了形象地描绘磁场，可画出磁感应(强度)线的分布图。在这种人为的有方向的磁感应线上，规定任一点的切线方向是该点的磁感应强度的方向。对于定性分析，所画磁感应线的根数可随意选定。如果还要求磁感应线能反映磁场强弱，可令垂直于磁场方向的单位截面积内穿过的磁感应线的根数，正比于该处的B值，从而磁感应线密度较大的地方，磁感应强度较大，即磁场较强。磁感应线通常是环绕电流的闭合曲线。图示为载流螺线管的磁感应线分布图。

磁场对运动电荷的作用力具有速度v的电荷q位于磁感应强度为B的位置时，电荷受到的力称为洛伦兹力，按下式计算：

此式包含了B的定义。

磁场对载流导线的作用力长度是l的导线中通有电流I，当它置于磁感应强度是B的均匀磁场中时，导线受力F为：

当导线的方向与B的方向垂直时，力F的量值最大。此时，B、l和F三者互相垂直，可用左手定则描述为：伸开左手，让磁感应线垂直进入手心，使合拢的四个手指指向电流的方向，则与四指相垂直的大拇指所指方向，就是载流导线所受磁场力的方向。2

人物简介——安培法国物理学家、电动力学的创始人。1775年1月22日生于法国里昂一个富商家庭。1802年在布尔让-布雷斯中央学校任物理学和化学教授。1805年定居巴黎，担任法兰西学院的物理学教授。1808年被任命为新建的大学联合组织的总监事，此后一直担任此职，1809年被聘为多种工艺学院数学分析教授。1814年被选为法国科学院院士。1818年担任巴黎大学总督学。1827年被选为英国皇家学会会员，他还是柏林科学院和斯德哥尔摩科学院院士。1836年6月10日逝世于马赛。

安培最主要的贡献是对电磁作用的研究。1820年9月，奥斯特发现电流的磁效应的消息传到巴黎，以极其敏感，善于接受新成果而著称的安培对此作出了异乎寻常的积极反应。两周后 (9月18日)，安培报告了他的实验结果; 通电线圈与磁铁具有相同的磁场，9月 25 日又报告了一个实验结果; 两根平行的通电导线之间存在相互吸引(通电方向相同) 或相互排斥 (通电方向相反) 的作用力，并讨论了两个线圈之间的吸引和排斥作用。1822年正式公布了他推导出的通电导体之间相互磁作用力的公式，称为安培力公式。另外，安培发现了电流与其产生的磁场的方向关系，称为安培定则，还总结出了安培环路定律，为了揭示电、磁之间相互关系的本质，安培于1825年提出了很重要的分子电流假说： 在磁体的微粒中存在着很小的无阻抗的环形电流或分子电流，如它们按相同的方向顺序排列，物体在宏观上表现出磁性; 如它们的排列呈无序状态，则物体宏观上不显出磁性。这一假说成功地解释了物质的磁现象。安培还通过对比静力学和动力学的研究对象及其名称，把电磁学分为两个部分： 静电学和电动力学，磁学被视为电动力学的一个分支。安培的工作结束了磁是一种特殊物质的观点，使电磁学开始走上全面发展的道路。

安培的研究领域是广泛的。他14岁时就以极大的兴趣读完了吉德罗和达拉姆主编的20卷《百科全书》，并显示出了非凡的数学天赋。1799年开始系统地研究数字，曾研究过概率论和积分偏微分方程。1814年推导出阿伏伽德罗定律(比阿伏伽德罗晚3年)。在电磁理论基础上曾提出过电极的设想。

安培的主要著作有《电磁学说》、《无电流说》，晚年有《人类知识自然分类的分析说明》这一巨著。为了纪念安培在电磁学上的贡献，他的名字被定为国际单位制中的电流单位。3