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2.1 歷史背景

磁性和磁場時通過測量研究的物理現(xiàn)象之一。古代人類從冶鐵開始，就已經(jīng)知道了兩塊磁石之間吸引力（或排斥力）的影響。此外，人們觀察到小磁石沿南北方向自發(fā)旋轉(zhuǎn)，因此，無疑這種效果應(yīng)用到指向北邊方向的指南針——文字記載公元前 300 至公元前 200年，中國古代就已經(jīng)使用指南針（司南）。

根據(jù)其他文獻記載，“哲學(xué)之父”泰勒斯時期的米利都（Miletus）（公元前 640—前 546 年）研究了磁石和鐵之間的吸引力。蘇哥拉底（Socrates）（公元前 470—前 399 年）寫道：“鐵磁石不僅僅吸引鐵環(huán)，而且賦予他們一個類似的磁力”（Keithley 1999 年）。

一個更詳細記載磁性和指南針的研究是由德·馬里孔特（Pierre de Maricourt）又名彼得·皮埃爾完成的。1269年，他出版了《磁石書信（Epistola demagnete）》。在這部作品中，描述了磁鐵極性（也證實了兩種磁極——當(dāng)磁鐵分裂成兩個較小部分之后，極性仍被保留）。他很可能是提出在機械結(jié)構(gòu)中使用磁鐵以獲得永恒活動的人。威利·姆吉爾伯特（1544—1603 年）繼續(xù)了皮埃爾的工作，他次在著作《論磁石（De magnete）》（1600年出版）中，描述了一個由地球磁場引起的指南針運動——得出地球是一個巨大球形磁鐵的結(jié)論。

夏爾·奧古斯丁·庫侖（Charles-Augustin de Coulomb,1736—1806年）構(gòu)建了一個扭秤（利用扭力測量微力的一種儀器），研究了靜電和磁力之間的吸引力【約翰·米切爾（John Michell）1750 年也獨立完成】。他提出了庫侖定律，用數(shù)學(xué)方法描述了距離為 r 的假象磁極 m1、m2 之間的庫侖力 F（磁偶極子如圖 2.1a 所示）。

式中，μ0 是真空磁導(dǎo)率（μ0 = 4π×10-7Wb/Am）。

磁場產(chǎn)生促使磁偶極子平行方向的磁場轉(zhuǎn)矩τ：τ = M × B………………………（2.2）

1820年，漢斯·克里斯蒂安·奧斯特（Hans Christian Oersted）發(fā)現(xiàn)當(dāng)一個磁針靠近一個帶電流的金屬線圈時，線圈周圍會產(chǎn)生磁場。這個革命性的發(fā)現(xiàn)啟發(fā)安德烈·瑪麗·安培（Andre Marie Ampere）（1775—1836年）得出假設(shè)，任何磁場的產(chǎn)生可以來源于電流（也可由磁場產(chǎn)生）（見圖 2.1b）。1820年，他證明了兩個并行載流導(dǎo)線相互吸引。

同年，讓·巴蒂斯特（Jean-Baptiste Biot）和費利克斯·比（Felix Savart）提出了畢奧-薩伐爾定律，確定了通電導(dǎo)線周圍磁場強度和電流的關(guān)系。一個通過電流為i的無窮小長度 δL 的導(dǎo)體，在徑向距離 a 處產(chǎn)生的磁場強度 δH 為：

式中，u 是沿半徑的單位矢量。因此，電流回路 C 所生產(chǎn)的磁場強度 H 為：

計算半徑為 r 的環(huán)形截流導(dǎo)線在 A 點產(chǎn)生的磁場 H（見圖 2.2），其軸向分量是

由于∮dl = 2πr，軸距離為x的磁場H為：

因此，圓環(huán)中心x=0處的磁場強度為 H = I/2r。

1826 年，安培發(fā)現(xiàn)了磁學(xué)的一個基本定律——安培環(huán)路定律

式中，n 為環(huán)形線圈的匝數(shù)，每匝導(dǎo)線的電流為I。

1831年，邁克爾?法拉第（Michael Faraday）發(fā)現(xiàn)了另一個磁學(xué)基本定律，他指出，如果一個電路與變化磁鏈 Φ相交，其產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢（電壓）V與磁通量變化率成比例： V = -dΦ/dt…………..（2.8）,這種效應(yīng)被稱之為電磁（EM）感應(yīng)。式（2.8）的負號表明，感應(yīng)電壓與產(chǎn)生它的磁通量變化方向相反（楞次定律）。

詹姆斯?克拉克?麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在其1873年出版的著作中闡述了磁學(xué)的許多重大發(fā)現(xiàn)，在《電學(xué)與磁學(xué)論》一書中，他提出了一組 20 個分析基本磁場和電場的方程（最后總結(jié)成一組4個方程：二個高斯定理，一個愛培定理，一個法拉第定理）。