電磁學基礎:磁場對電流的作用

2020-12-09 蝸牛談原理

一、磁場對通電直導線的作用

1.把一段通電直導線放在磁場裡,它會受到磁場力的作用。

2.通電導體在磁場裡所受力的方向,跟電流的方向和磁感線的方向有關。

二、左手定則

安培左手定則

1.左手定則

伸開左手,使大拇指跟其餘四個手指垂直,並且都跟手掌在同一個平面內,把手放入磁場中,讓磁感線垂直穿入手心,並使伸開的四指指向電流的方向,那麼,大拇指所指的方向,就是通電導線在磁場中的受力方向。

2.左手定則與安培定則的比較

①.左手定則:大拇指所指方向是通電導體的受力方向,適用範圍為判定通電導體在磁場中的受力方向,已知磁場方向和電流方向,並將電能轉化為機械能。

②.安培定則:大拇指所指方向是通電螺線管的N極的方向,適用範圍為判定通電螺線管的磁極,已知電流方向,並將電能轉化為磁場能。

三、安培力

安培力實驗實物圖

1.安培力的大小

①.安培力的計算公式:F=BIL,條件為磁場B與直導體L垂直。

②.當導體與磁場垂直時,安培力最大;當導體與磁場平行時,安培力為零。

③.F=BIL要求L上各點處磁感應強度相等,故該公式一般適用於勻強磁場。

2.安培力的方向

①.安培力的方向用左手定則判定:伸開左手,使大拇指與其餘四指垂直,並且都在同一個平面內,把手放入磁場中,讓磁感線垂直穿入手心,並使伸開的四指指向電流方向,那麼大拇指所指的方向就是通電導體在磁場中的受力方向。

②.F、B、I方向間的關係:已知B、I的方向(B、I不平行時),可用左手定則確定F的唯一方向:F⊥B,F⊥I,則F垂直於B和I所構成的平面,但已知F和B的方向,不能唯一確定I的方向。由於I可在平面α內與B成任意不為零的夾角。同理,已知F和I的方向也不能唯一確定B的方向。

③.通電導線在安培力作用下的運動

導線在安培力作用下運動的實驗

判定通電導體在安培力作用下的運動或運動趨勢,首先必須弄清楚導體所在位置的磁場分布情況,然後利用左手定則準確判定導體的受力情況,進而確定導體的運動方向或運動趨勢的方向。通常有下列幾種常用的方法:

a.電流元法:把整段彎曲導線分為多段直線電流元,先用左手定則判斷每段電流元受力的方向,然後判斷整段導線所受合力的方向,從而確定導線運動方向。

b.特殊位置法:通電導線轉動到某個便於分析的特殊位置時,判斷其所受安培力的方向,從而確定其運動方向。

c.等效法:環形電流可等效成小磁針,通電螺線管可以等效成條形磁鐵或多個環形電流,反過來等效也成立。等效後再確定相互作用情況。

d.結論法:兩平行直線電流在相互作用過程中,無轉動趨勢,同向電流互相吸引,異向電流互相排斥;兩不平行的直線電流相互作用時,有轉到平行且電流方向相同的趨勢。

e.轉換研究對象法:定性分析磁體在電流磁場作用下的運動或運動趨勢的問題時,可先分析電流在磁體磁場中所受的安培力,然後由牛頓第三定律,確定磁體所受電流磁場的作用力,從而確定磁體所受合力及運動方向。

4.安培力做功

直流電機工作原理線路圖

安培力做功的實質:能量的轉化。

①.安培力做正功:將電源的能量傳遞給通電導線或轉化為導線的動能或轉化為其他形式的能。

②.安培力做負功:將其他形式的能轉化為電能後或儲存或轉化為其他形式的能。

四、通電導線在磁場中的轉動

1.轉動情況

線圈受到的力使它順時針轉動,線圈由於慣性會越過平衡位置,線圈受到的力使它順時針轉動。

①.平衡位置是指線圈平面與磁感線垂直的位置,此時線圈相對的兩邊電流方向相反,所受的力方向也相反,大小相等。

②.上面的線圈會在平衡位置往返擺動,最終停在平衡位置不再轉動。

③.應用與實例

a.直流電動機

直流電機的結構

(a)構造:由換向器、線圈、蹄形磁鐵、電刷組成。

(b)原理:直流電動機是利用通電線圈在磁場裡受力轉動的原理製成的。

(c)換向器的作用:每當線圈轉過平衡位置時,換向器自動改變線圈中的電流方向。

(d)能量轉化:電能轉化為機械能。

(e)改變直流電動機轉動方向的方法:A.改變通電線圈中的電流方向,即把電源的兩極對調。B.改變磁感線的方向,即把磁鐵的兩極對調。

(f)改變直流電動機轉速的方法:改變線圈中電流的大小。

b.磁電式電流表

(a)基本組成部分:磁鐵和放在磁鐵兩極之間的線圈。

(b)工作原理:磁場的方向總沿著經線均勻輻射地分布,在距軸線等距離處的磁感應強度的大小總是相等的,保證B的大小不發生變化,且安培力的方向與線圈垂直。

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