电流磁效应

电流磁效应（Magnetic effect of the current）^[1]，指电流在其空间产生磁场的现象。^[2]

在历史上很长的一段时间里，磁学和电学的研究一直彼此独立进行着，在经过许多科学家的多年研究后，磁与电才结合起来。1820年，丹麦物理学家奥斯特偶然发现通电导线附近的磁针会偏转，首次观察到电流磁效应。^[13]受此启发，毕奥（Biot）和萨伐尔（Felix Savart）分别建立了描述电流磁效应的定律。^[9][10]随后，安培（Ampere）提出著名的“磁性起源假说”，并于1827年得到电流元之间相互作用力公式，即安培定律。^[9][10]1831年10月17日，法拉第首次发现电磁感应现象。^[14]1865年,麦克斯韦在总结前人研究基础上系统建立了电磁场理论。^[15]

电流磁效应不仅在理论层面具有重大意义,在现实生活中也有着许多实际应用。许多电气设备中如发电机、电磁铁、接触器等的工作原理都是基于电流磁效应。除此之外,电流磁效应在工农业生产、医疗卫生、军事等诸多领域也发挥着重要作用。例如,它被用于电磁感应加热炉、磁共振成像(MRI)设备、电磁武器等。^{[16][17][5][18]}

1600年英国人吉尔伯特（William Gilbert）总结磁石和磁现象的成果，写成《论磁石》一书。在书中，他把对琥珀效应的研究称为电学，对磁石吸引的研究称为磁学。在以后的200多年中，人们一直认为电和磁没有什么关系。1751年富兰克林（Benjamin Franklin）^[19]发现用莱顿瓶放电使磁针磁化的现象，但这些发现都没有引起人们的重视。直到1820年，在德国哲学家康德（Kant）^[20]关于自然力统一的哲学思想的影响下，丹麦的奥斯特（Hans Christian Oersted）坚持寻找电和磁之间的联系，终于发现电流的磁效应。^[10]

在奥斯特的启发下，1820年毕奥（Biot）和萨伐尔（Felix Savart）在论文中报告了他们发现直线电流对磁针作用的规律：直线电流对磁极的作用正比于电流的强度，反比于它们之间的距离，作用的方向则垂直于磁极到导线的垂线。这就是著名的毕奥—萨伐尔定律：一条无限长的载流导线作用在南磁分子或北磁分子上的力垂直于该分子到导线中心的最短距离。^[10][12]

1826年安培（Ampere）提出著名的“磁性起源假说”：一切物质的磁性皆起源于电流，构成磁性物质的每个微粒都存在着永不停息的环形电流，此环形电流使微粒显示出磁性，N极与S极就分布在环形电流的两侧。随后，1827年安培得到电流元之间相互作用力公式，即著名的安培定律。^[9][10]在奥斯特的电流磁效应实验和安培电流相互作用实验的启发下，法拉第（Faraday）^[21]提出“磁能否生电”的问题，在1831年发现“磁生电”的规律，并总结出电磁感应定律。但是，法拉第所提出的“力线”和“场”的思想，未能用数学术语概括为精确的定量理论，被科学界认为缺乏理论的严谨性。^[22][23]直到1865年，麦克斯韦（Maxwell）在论文《电磁场的动力学理论》中，系统地总结前人和自己对电磁理论的研究成果，提出“电磁场理论”，建立麦克斯韦方程组。1873年，麦克斯书完成著作《电学和磁学通论》，使电磁场理论这一完整的体系得到全面、系统和严格的陈述。^[24][15]

电流磁效应是指电流通过导体时，会在周围空间产生磁场的现象，载流导体周围存在着磁场，即电流产生磁场（电能生磁）。载流导体中的电流方向改变时，磁场方向也随着改变，且磁场的方向总是与电流的方向相垂直，两者之间的关系可用右手螺旋定则来确定。^[25][26]电能产生磁，是因为运动的电荷会产生磁矩，形成一定的磁场分布。电场和磁场，就是特指在空间的一种能量分布，一些物体在其中会因能量梯度的不同而感受到作用力，这个作用力可以驱动物体的运动。电荷和磁矩在其中就会受到作用力。一些原来不显磁性的磁性物体，其内部微粒的环形电流取向并不一致，但在外磁场的作用下，取向被迫趋向一致，从而也显示出磁性。这是电流磁效应的形成原因。^[9]

任何电荷都会在其周围的空间产生电场，通过电场实现对其他电荷的电作用力。反过来，其他电荷也会在其周围的空间产生电场，通过电场实现对处于电场中的任意电荷产生电作用力。因此，电荷间的电相互作用是通过电场这种中间媒介来传递的，电相互作用力又称为电场力。 ^[27]

电场强度

由库仑定律，试探电荷在电场中任一给定点所受到的力与其电量之比是与试探电荷无关的矢量,，,比值反映电场本身的性质，称之为电场强度，简称场强，用表示：。电场强度的单位是牛顿/库仑或伏特/米。^[3]

静止电荷之间的相互作用是通过电场来传递的。运动电荷之间、磁铁或电流之间的相互作用也是通过场来传递的，这种场称为磁场。磁场是存在于运动电荷（或电流）周围空间的一种特殊形态的物质。磁场对位于其中的运动电荷有力的作用，这种作用力称为磁力，也称为磁场力。^[4]

磁感应强度

根据运动试验电荷在磁场中所受磁力的特征，用磁感应强度来描述磁场，定义为：运动电荷在磁场中某点所受的最大磁力的大小为，而与电荷量和速率的乘积的比值是一个仅与场点位置有关，而与运动电荷无关的物理量，故定义运动电荷在磁场中某点所受的最大磁力的大小与的比值为该点磁感应强度的大小，即。^[4]

磁场中各点处运动电荷不受磁力作用的方向（其指向与该点处小磁针极的指向相同）即为相应点的磁感应强度的方向，由下图知，的方向亦可定义为的方向。在国际单位制中，磁感应强度的单位为特斯拉。^[4]

麦克斯韦方程组中的安培环路定理就是由电流磁效应推广而来，它说明磁场和电流（即运动的电荷）以及电场的联系。^[28]它的方程有两种表示形式：

当电流稳恒时方程表示为

电流为非稳恒时表示为

方程中,是以环路为边界的任意曲面。称为位移电流密度，普通电流和位移电流之和称为全电流。^[29]

如图所示，实验表明，电流元在空间点处产生的磁场的磁感应强度的大小正比于电流元的大小，反比于电流元到点距离r的平方，且与空间点相对于电流元的位置矢量和电流间的夹角的正弦成正比，即

，式中为比例系数，与空间介质的磁性质有关。在国际单位制中，对于真空来讲，通常取比例系数，其中称为真空磁导率。^[30]

实验还表明：点处的磁场的方向垂直于与构成的平面，即的方向总平行于的方向。因此，式可改写为。这就是电流元在真空中产生磁场的实验规律，毕奥-萨伐尔定律。^[30]

载流导线放在磁场中时，将受到磁力的作用。放在磁场中某点处的电流元，受到的磁场作用力的大小和该点处的磁感应强度的大小、电流元的大小以及电流元和磁感强度所成的角表示的正弦成正比。即，的方向与矢积的方向相同。因此，式可以写成矢量式，式中的比例系数的量值取决于式中各量的单位。在国际单位制中，，安培定律的表达式可简化为。载流导线在磁场中所受的磁力,通常也叫安培力。^[31]

安培定则

安培定则也叫右手螺旋定则，表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。通电直导线中的安培定则（安培定则一，如图1）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向。通电螺线管中的安培定则（安培定则二，如图2）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。^[13]

纽曼（Neumann）和韦伯（Weber）^[32]于1845年和1846年先后指出：当穿过回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势的大小与穿过回路的磁通量对时间的变化率成正比，后人称之为法拉第电磁感应定律（Faraday law ofelectromagnetic induction）。当采用国际单位制时，即电动势的单位是伏磁通量的单位是韦伯时间的单位是秒。这时比例系数为其数学表达式为^[33]

1833年，楞次（Lenz）提出了直接判断感应电流方向的法则，即楞次定律：闭合回路中产生的感应电流的方向，总是使得感应电流所激发的磁场阻碍引起感应电流的磁感通量的变化。楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现。^[34]

乔治·西蒙·欧姆（Georg Simon Ohm）在这种电流计的启示下，设计制作了一种电流扭秤，把电流磁效应和库伦扭秤结合在一起，电流的大小是通过挂在扭丝下的磁针偏转角度来确定的，它能准确测定电流大小，从而获得电流与电压成正、与电阻成反比的定量关系，即欧姆定律。1827年他出版的《动电电路的数学研究》一书中，从理论上严格推导出了欧姆定律。电阻的单位定为“欧姆”就是为了纪念他。^[35]

当一个电流回路的电流I随时间变化时，通过回路自身的全磁通也发生变化，因而回路自身也产生感生电动势（图4）这就是自感现象，这时产生的感生电动势叫做自感电动势。^[36]

如图所示，设有两个邻近的回路1和2，分别通有电流和，则任一回路中电流所产生的磁感应线将有一部分通过另一个回路所包围的面积。当其中任意一个回路中的电流发生变化时，通过另一个回路所围面积的磁通量也随之变化，因而在回路中产生感应电动势。这种由于一个回路中的电流变化而在邻近另一个回路中产生感应电动势的现象，称为互感现象。^[37]

互感现象与自感现象一样，都是由电流变化而引起的电磁感应现象。因此当一个回路中的电流发生变化时在邻近的另一个回路也会产生感应电动势，称作互感电动势。^[37]

如图5所示的LC振荡电路，先将开关S拨向2端，利用电源E给电容器C充电。然后将开关S拨向1端，则电容器C和电感线圈L组成一个闭合回路。此时，可看到检流计的指针左右摆动，说明电路中产生了振荡电流。在振荡电路产生振荡电流的过程中，电容器极板上的电荷、通过电感线圈的电流以及跟电荷、电流相联系的电场（电场强度为）和磁场（磁感应强度为）都会发生周期性变化，这种现象叫做电磁振荡。^[38]

发电机的原理基础是电流的磁效应以及电磁感应现象，主要有直流发电机、交流发电机、同步发电机以及三相发电机等。^[39][40]

同步电机电枢绕组是三相对称交流绕组，当原动机拖动转子旋转时，极性相间的励磁磁场随轴一起旋转，并顺次被电枢各相绕组所切割（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场），会在电枢各相绕组中分别感应出大小和方向按周期性变化的交变电势，通过绕组的出线端将三相感应电势引出后，可以作为交流电源，最终同步发电机可以将原动机提供给转子的旋转机械能转化为三相对称的交流电能。^[40]

电流磁效应在电子领域的应用包括无线充电技术等。无线充电设备包含一个充电座，里面实际就是一个线圈和相关电路。将充电座接到220V交流电源插座后，线圈周围会因为电流磁效应而产生磁场。待充电的电子产品里面也都有一个线圈。当待充的电子产品靠近充电座时，充电座的磁场将通过电磁感应，在充电设备的线圈上产生感应电流，就实现了充电座和电子产品间的无线充电。^[6]

在生物医学领域，应用了电流磁效应原理的磁共振设备可以从人体获得电磁信号，进而可以得到良好的软组织分辨力和对比分辨率，也可以清楚地分辨肌肉、肌腱、筋膜、脂肪等软组织结构。磁共振设备内存在强的静磁场、梯度磁场和射频电磁场。这些磁场和电磁场可以满足诊疗的需要治病救人。^[7]

在电流磁效应的基础上，磁悬浮技术得到相对应的发展，科学家将磁性悬浮技术运用在铁路运输系统中，研究出了磁悬浮列车。一般磁悬浮列车利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧部分位置安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10到15毫米的间隙，并使导轨钢板的吸引力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。^[8]