电磁学基础磁场对电流的作用

一、磁场对通电直导线的作用

1.把一段通电直导线放在磁场里,它会受到磁场力的作用。

2.通电导体在磁场里所受力的方向,跟电流的方向和磁感线的方向有关。

二、左手定则

安培左手定则

1.左手定则

伸开左手,使大拇指跟其余四个手指垂直,并且都跟手掌在同一个平面内,把手放入磁场中,让磁感线垂直穿入手心,并使伸开的四指指向电流的方向,那么,大拇指所指的方向,就是通电导线在磁场中的受力方向。

2.左手定则与安培定则的比较

①.左手定则:大拇指所指方向是通电导体的受力方向,适用范围为判定通电导体在磁场中的受力方向,已知磁场方向和电流方向,并将电能转化为机械能。

②.安培定则:大拇指所指方向是通电螺线管的N极的方向,适用范围为判定通电螺线管的磁极,已知电流方向,并将电能转化为磁场能。

三、安培力

安培力实验实物图

1.安培力的大小

①.安培力的计算公式:F=BIL,条件为磁场B与直导体L垂直。

②.当导体与磁场垂直时,安培力最大;当导体与磁场平行时,安培力为零。

③.F=BIL要求L上各点处磁感应强度相等,故该公式一般适用于匀强磁场。

2.安培力的方向

①.安培力的方向用左手定则判定:伸开左手,使大拇指与其余四指垂直,并且都在同一个平面内,把手放入磁场中,让磁感线垂直穿入手心,并使伸开的四指指向电流方向,那么大拇指所指的方向就是通电导体在磁场中的受力方向。

②.F、B、I方向间的关系:已知B、I的方向(B、I不平行时),可用左手定则确定F的唯一方向:F⊥B,F⊥I,则F垂直于B和I所构成的平面,但已知F和B的方向,不能唯一确定I的方向。由于I可在平面α内与B成任意不为零的夹角。同理,已知F和I的方向也不能唯一确定B的方向。

③.通电导线在安培力作用下的运动

导线在安培力作用下运动的实验

判定通电导体在安培力作用下的运动或运动趋势,首先必须弄清楚导体所在位置的磁场分布情况,然后利用左手定则准确判定导体的受力情况,进而确定导体的运动方向或运动趋势的方向。通常有下列几种常用的方法:

a.电流元法:把整段弯曲导线分为多段直线电流元,先用左手定则判断每段电流元受力的方向,然后判断整段导线所受合力的方向,从而确定导线运动方向。

b.特殊位置法:通电导线转动到某个便于分析的特殊位置时,判断其所受安培力的方向,从而确定其运动方向。

c.等效法:环形电流可等效成小磁针,通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流,反过来等效也成立。等效后再确定相互作用情况。

d.结论法:两平行直线电流在相互作用过程中,无转动趋势,同向电流互相吸引,异向电流互相排斥;两不平行的直线电流相互作用时,有转到平行且电流方向相同的趋势。

e.转换研究对象法:定性分析磁体在电流磁场作用下的运动或运动趋势的问题时,可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力,然后由牛顿第三定律,确定磁体所受电流磁场的作用力,从而确定磁体所受合力及运动方向。

4.安培力做功

直流电机工作原理线路图

安培力做功的实质:能量的转化。

①.安培力做正功:将电源的能量传递给通电导线或转化为导线的动能或转化为其他形式的能。

②.安培力做负功:将其他形式的能转化为电能后或储存或转化为其他形式的能。

四、通电导线在磁场中的转动

1.转动情况

线圈受到的力使它顺时针转动,线圈由于惯性会越过平衡位置,线圈受到的力使它顺时针转动。

①.平衡位置是指线圈平面与磁感线垂直的位置,此时线圈相对的两边电流方向相反,所受的力方向也相反,大小相等。

②.上面的线圈会在平衡位置往返摆动,最终停在平衡位置不再转动。

③.应用与实例

a.直流电动机

直流电机的结构

(a)构造:由换向器、线圈、蹄形磁铁、电刷组成。

(b)原理:直流电动机是利用通电线圈在磁场里受力转动的原理制成的。

(c)换向器的作用:每当线圈转过平衡位置时,换向器自动改变线圈中的电流方向。

(d)能量转化:电能转化为机械能。

(e)改变直流电动机转动方向的方法:A.改变通电线圈中的电流方向,即把电源的两极对调。B.改变磁感线的方向,即把磁铁的两极对调。

(f)改变直流电动机转速的方法:改变线圈中电流的大小。

b.磁电式电流表

(a)基本组成部分:磁铁和放在磁铁两极之间的线圈。

(b)工作原理:磁场的方向总沿着经线均匀辐射地分布,在距轴线等距离处的磁感应强度的大小总是相等的,保证B的大小不发生变化,且安培力的方向与线圈垂直。




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