【原】二、电流的磁效应

      1820年，丹麦物理学家奥斯特发现，任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场，这一现象被称为电流的磁效应。电流的磁效应是科学史上的一个重要发现，它把电学和磁学联系起来。

       最初人们对磁场的认识，如同电荷产生电场一样，认为磁场是由磁体中的磁荷产生的。但经过安培等人一系列实验后，发现一切磁现象都起源于电流，至此，人们才放弃了磁荷的概念。然而，如此一来又产生了一个新的问题，永久磁石的磁场难道也是电流产生的吗？安培的回答是肯定的，他认为：在原子、分子等物质微粒内部，存在着一种环形电流——分子电流，分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极。在安培所处的时代，人们对物质结构的认识还不是很清楚，直到二十世纪卢瑟福原子模型问世后，才找到了分子电流的主体——原子内绕核运动的电子。

       现在我们知道，原子磁场是由原子核磁场和电子自旋磁场共同组成的，核外电子的轨道运动不会形成磁场，所谓安培分子电流是不存在的。电磁理论关于“电流即电荷的流动产生磁效应”的论断，只是对电磁关系一个概括，磁场的起源与电荷运动无关。

       每个原子都是一个微小的磁体，如若磁性原子无规则排列，磁场方向各异，原子磁场处于隐性状态，物体不显现磁场。如若磁性原子有序排列，磁场方向一致，原子磁场则由隐性转为显性，相对于原子的微观磁场而言，在物体周围形成宏观磁场。宏观磁场分两种类型，其一，磁性原子以静态形式有序排列，形成偶极磁场，如永磁铁等。其二，磁性原子以动态形式有序排列，形成可变磁场，如通电导体产生的磁场。

通电导体磁场的起源

      粒子形态场假说认为，像质子、电子这类带电粒子，包括原子核在内，都携带两种场——一维线性电场（Q场）和二维平面质量场（M场），一维线性电场垂直并穿过二维平面质量场的中心。二维质量场以一维电场为轴旋转，由此构成了粒子自旋属性。

通电导体的磁场起源于原子磁场。原子磁场是由原子核磁场和电子自旋磁场共同组成的；但是，由传导电流性质决定了，通电导体的磁场只来源于原子核磁场，与电子自旋磁场无关。

      通电状态下，导体内的原子有序进行排列，原子核一维电场串联在一条轴线上，链接成传导电流的电桥。原子核带有正电荷，为右手旋粒子，一维电场方向相同，二维质量场矢量方向也必然保持一致。因而，二维质量场将以电场为轴向同一方向旋转，在导体周围将形成旋转质量场效应，这就是通电导体“激发”出来的磁场。

     参考图示：

      可见，虽然说电流产生了磁效应，但磁场的构成并非来自电场，而是由质量场转化而来的。通电导体的磁场来自于原子核磁场，这是电流磁效应的根源。

磁场的作用规则

按照当年安培的想法，既然磁石与磁石间有作用力，而电流与磁石之间也有作用力，那么两个电流之间也应该有作用力。他用实验证明：两平行载流导线，当电流方向相同时相互吸引，当电流方向相反时相互排斥。

实验分析，从粒子质量场相互作用角度看，两平行载流导线内，电流方向相同，表明传导电流的原子核，其质量场矢量方向也一定相同。根据质量场作用规则，同方向旋转的质量场相互吸引，因而两平行导线产生吸引作用。如图所示：

       同理，两平行载流导线内，电流方向相反，传导电流的原子核，其质量场矢量方向也必然相反。根据质量场作用规则，逆向旋转的质量场相互排斥，因而两平行导线产生排斥作用。如图所示：

       在1820～1825年间，安培按照自己的概念，精心设计了一系列电流间作用力的实验。与粒子质量场作用规律相对应，他证明电流间作用力与距离平方成反比，这就是著名的安培定律。他还提出了安培环路定律，即沿着一个闭合环路磁场强度与线段长度乘积的总和，恰好正比于环路中包围着的电流。这成为现代电磁学的基本公式之一。

      为了描述磁场结构，在电磁学理论中，设立了磁力线的概念。在磁场中画一些曲线，使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同，且互不交叉，这些曲线叫磁力线。磁力线是闭合曲线，规定小磁针的北极所指的方向为磁力线的方向。磁铁周围的磁力线都是从N极出来进入S极，在磁体内部磁力线从S极到N极。

    在实验基础上，安培总结出了磁场方向与电流方向之间的关系，称安培定则，也叫做右手螺旋定则：

      安培定则一

       用右手握住直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁力线环绕方向。

      安培定则二：

     用右手握住螺线管，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。

      直线电流的安培定则对一小段直线电流也适用。环形电流可看成多段小直线电流组成，对每一小段直线电流，用直线电流的安培定则判定出环形电流中心轴线上磁感强度的方向，叠加起来就得到环形电流中心轴线上磁力线的方向。直线电流的安培定则是基本的，环形电流的安培定则可由直线电流的安培定则导出。

      从理论上讲，磁场作用规则受质量场作用规则支配。在磁场方向方面，通电导体的磁场是由原子核质量场形成的，质量场矢量方向即是磁场方向，原子核为右手旋粒子，因此，磁场方向的判定遵循右手螺旋定则。在磁场作用方面，由质量场作用规则：同方向旋转质量场相互吸引，逆方向旋转质量场相互相斥，决定了磁场间同极相吸、异极相斥的作用规律。