磁场对通电导线的作用

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date磁场对通电导线的作用磁场对通电导线的作用第二章 三、磁场对通电导线的作用安培力既然通电导线能产生磁场，它本身也相当于一个磁体，那么通电导线在磁场中是否也受到力的作用呢？我们通过实验来研究。演示观察安培力如图2.3-1所示，把一段直导线放到磁场中，当导线中有电流通过时，可以看到原来静止的导线会发生运动。图2.3-1磁场对通电导线有力的作用通电导体在磁场中受到的力称为安培力（Ampere force）。由于法国科学家安培最早研究了磁场对通电导线的作用，后人为纪念他而命名了这种力。把一段通电直导线放在磁场里，当导线方向与磁场方向垂直时，它所受的安培力最大；当导线方向与磁场方向一致时，导线不受安培力；当导线方向与磁场方向斜交时，所受安培力介于最大值和0之间。我们只研究导线所受安培力最大的情形。演示影响安培力大小的因素如图2.3-2，三块相同的蹄形磁铁并列放置，可以认为磁极间的磁场是均匀的。将一根直导线悬挂在磁铁的两极间，有电流通过时悬线将摆动一个角度，通过这个角度可以比较安培力的大小。图2.3-2研究影响安培力大小的因素分别接通“2、3”和“1、4”可以改变导线通电部分的长度，电流的强弱由外部电路控制。先保持导线通电部分的长度不变，改变电流的大小；然后保持电流不变，改变导线通电部分的长度。观察这两个因素对安培力的影响。通过对大量实验事实的分析我们认识到，通电导线在磁场中受到的安培力的大小，既跟导线的长度L成正比，又跟导线中的电流I成正比，用公式表示就是FBIL式中B是比例系数。磁感应强度对于不同的磁场，上面的比例关系都成立，但在强弱不同的磁场中，比例系数B是不一样的。B反映了磁场的强弱，叫做磁感应强度（magnetic induction），即B磁感应强度B的单位由F、I和L的单位决定。在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉（tesla），简称特，符号是T：1 T1 电场强度E用来描述电场的强弱，磁感应强度B在磁场中的作用与此类似，只是由于历史的原因，它不叫“磁场强度”。地面附近地磁场的磁感应强度只有0.310-40.710-4 T，是很弱的磁场。永磁铁磁极附远的磁感应强度为10-31 T。在电机和变压器的铁芯中，磁感应强度可达0.81.4 T。人体心脏工作时产生的磁场约为10-10 T，而人脑神经活动产生的磁场更微弱。磁感应强度是个矢量，它不仅有大小，还有方向。小磁针的N极在磁场中某点受力的方向，就是这点磁感应强度的方向。过去所说的“磁场的方向”实际上就是磁感应强度的方向。安培力的方向在前面的实验中，如果调换磁铁两极的位置而使磁场的方向改变，导线受力的方向就相反；磁场的方向不变而电流方向改变时，导线的受力方向也相反。可见安培力的方向跟磁场方向和电流方向有关。分析大量实验结果后可以发现，安培力的方向既跟磁感应强度的方向垂直，又跟电流方向垂直；三个方向之间的关系可以用左手定则（left-hand rule，图2.3-3）来判定：伸开左手，使拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在同一个平面内，让磁感线穿入手心，并使四指指向电流的方向，那么，拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向。图2.3-3左手定则思考与讨论线圈在磁场中如何运动如果放在磁场中的不是一段通电的导线，而是一个通电的矩形线圈abcd（图2.3-4），会发生什么现象？图2.3-4通电矩形线圈在磁场中如何运动？电动机在磁场中，通电线圈受到安培力的作用，发生扭转（图2.3-5）。如果给线圈通以方向合适的电流，就可以使线圈转动起来。我们使用的电动机就是利用安培力来工作的。现在，电动机广泛应用在工厂、办公室、家庭里。图2.3-5通电线圈在磁场中受到安培力会扭转，电动机就是根据这个原理设计的。各种电动机都有定子和转子。定子是电动机中固定不动的部分，可以是线圈，也可以是磁体；转子是电动机中转动的部分（图2.3-6）；线圈镶嵌在硅钢片的槽中。直流电动机中还有电刷和整流子，可以将电流持续地提供给线圈，并适时地改变流人线圈的电流方向，它们能使转子按一个方向持续地旋转。直流电动机广泛地使用在电动剃须刀、录音机、录像机、计算机、电动玩具、电力机车、电子钟表上，大功率的直流电动机使用在电车、高速电梯上。图2.3-6一种电动机的定子和转子图2.3-7时钟上的直流电动机图2.3-8计算机软盘驱动器中的电动机。直流无刷电动机使软盘转动，步进电动机用于变换磁道。大家谈电动机给家庭生活带来了什么变化你家里哪些电器上有电动机？如果没有电动机，你家里的哪些工作要变电动为手动？如果没有电动机，你家里的哪些工作根本就不能做了？科学足迹电学中的牛顿安培最有影响的科学工作是在电磁学领域他在得知奥斯特的实验后，第二天就开始实验，并有了新的发现。安培把导线绕成圆筒状，制成螺线管。尽管螺线管不是用铁丝而是用铜线绕成的，但是，接通电源以后却能够吸引小铁钉。今天几乎任何电子仪器都离不开线圈，可见安培这一发现的重要性。安培做了通电平行导线间相互作用的实验，证明通电导线间就像磁极和磁极之间一样，也会发生相互作用。他用不同形状的通电导体进行了许多精巧的实验，结合严密的数学推演，得出了关于电流之间相互作用力的大小和方向的安培公式。图2.3-9安培的平行导线实验。你能判定通电后它们之间作用力的方向吗？安培对电学的贡献是多方面的，而且是奠基性的，麦克斯韦把安培称做“电学中的牛顿”。安培之所以能够取得重大的研究成就，是与他的数学修养分不开的。近代科学的重要特点之一是定量分析。数学是科学的语言。系统地引用数学来研究物理学，这是19世纪物理学发展的重要特点之一，这为有数学才能的物理学家创造了用武之地。今天，数学在科学研究中的作用更为重要。另一方面，安培十分重视学术交流，他能敏感地从他人的工作中提出前沿性的课题，抓住机遇迅速进入新的研究领域。今天，在各种电器的标牌上常常可以看到安培名字的第一个字母A，那是人们用电流的单位来纪念安培。探索者颤抖的灯丝用一块蹄形磁铁慢慢地接近发光的白炽灯泡（图2.3-10）。可以看到灯丝颤抖起来。图2.3-10颤抖的灯丝猜猜看，灯丝里通过怎样的电流，才能使灯丝颤抖起来？问题和练习1图2.3-11表示一根放在磁场里的通电直导线，直导线与磁场方向垂直。图中分别标明了电流、磁感应强度和安培力这三个量中两个的方向，试标出第三个量的方向。用“”表示磁感线垂直于纸面向外，“”表示磁感线垂直于纸面向里；“”表示电流垂直于纸面向外，“”表示电流垂直于纸面向里。图2.3-11分别标出电流、安培力或磁感应强度的方向2一根长2 m的直导线，通有1 A电流，沿东西方向水平放置。试估算导线在地磁场中所受的安培力。3左手定则是判断安培力方向的一个方法，也可以使用其他便于记忆的方法表明磁感应强度的方向、电流方向和安培力方向的关系。你能提出一个方法吗？4赤道上的地磁场可以看成沿南北方向的匀强磁场，磁感应强度的大小是0.5010-4 。如果赤道上有一根沿东西方向的直导线，长为20 m，载有从东到西的电流30 A。地磁场对这根导线的作用力有多大？方向如何？-