从磁场叠加的角度看电磁相互作用的规律.docVIP

从磁场叠加的角度看电磁相互作用的规律 苏州工业园区星海学校（215021） 叶鹏松 李卫明 1 提出问题 每当讲到电磁相互作用的内容时,总有学生为如何用好两只手而犯愁,左右手定则用混淆是常有的事.老师也常常为此煞费苦心,虽反复讲解,但总感收效甚微.那么有没有什么方法,可以使老师把电磁相互作用讲得更透彻,让学生把电磁相互作用学得更扎实呢？在教学中,笔者尝试从磁场叠加的角度,对电磁相互作用的现象和规律作了进一步的分析和讨论,收到了良好的效果. 下面以几个常见的电磁相互作用现象为例,谈谈笔者的思路和方法. 2现象分析与结论总结 首先让我们来分析一下电动机的原理,在图1(a)所示的电路中, 当电键闭合后会发生什么情况？ （a） (b) (c) 图1 根据左手定则,我们可以很容易地判定该导线会受到一个向上的磁场力.但该导线此时的受力方向为什么是向上的,而不可以是向下或其他方向呢？相信在学习中,很多同学会提出这样的问题,显然左手定则无法回答这一问题,但是如果借助磁场叠加的原理,我们不仅可以找到这一问题的答案,我们还可以发现电磁相互作用更基本的规律和特点. 当电路中的电键闭合后,导线的周围将存在两种磁场,一种来自两侧磁体,另一种来自导线内的电流(如图1(b)).当这两种磁场叠加后,会使得导线下方的磁场强于上方(如图1(c)).而通电导线的受力正是这两种磁场叠加作用的结果,由于合磁场下强而上弱,这样叠加后的合磁场就将该通电导线推向了磁场最弱的上方,于是导线就会受到向上的作用力.不妨打个形象的比方,这时的磁感线就象被绷紧的弓弦,而通电导线则象是弓弦上的弓箭,整个力的作用过程就象弯弓射箭一样. 那么这样的分析结论和方法,对其他电磁相互作用现象也能适用吗？带着这一问题,让我们再来分析一下发电机的原理.在图2(a)电路中,当金属直导线竖直向下垂直切割磁感线时,会产生什么现象？” (a) (b), 图2 当金属导线向下运动时,导线内的每一个自由电子都会由于这一定向运动而产生一个竖直向上的等效电流,而这一电流又会激发新的磁场,如图2(b).根据叠加原理,外端的磁场会强于内端.这样这些自由电子就会被叠加后的合磁场推向磁场最弱的内端,所以每个自由电子便都会受到一个由外向内的磁场力作用,并在这一磁场力作用下在导线内作定向移动,这样回路中就产生了电流,灵敏电流计也随之偏转.显然,这与用右手定则得出的判定结果完全一致. 通过以上两例最基本的电磁相互作用现象的分析,我们可以看到： 左右手定则给出的判定结果,实质上都源于最基本的磁场叠加,而且叠加后的合磁场对运动电荷（电流）的作用力具有一个非常简单的特点,即总将运动电荷（电流）由磁场强的区域推向磁场弱的区域,并与运动电荷的正负无关. 可见,左右手定则并不是我们讨论电磁相互作用问题的必需品,只要我们借助磁场叠加的方法,对电磁相互作用时的磁场叠加作出正确判定,我们就可以完全丢开左右手定则,直接对电磁相互作用现象进行分析讨论. 3应用举例 例1：如图3(a),试分析两根通以同向电流的平行直导线间的相互作用规律. . 图3 (a) 图3(b) 图4 解析：通电导线A、B的相互作用是由于两个电流磁场共同作用的结果. 以A导线为例,由于叠加它所处的磁场将左强而右弱,这样合磁场会将它推向磁场弱的右侧，所以A导线就受到了向右的作用力,如图3(b).同理,可判定B导线会受到向左的作用力.因此,同向电流会相互吸引. 反之，我们也可很容易地证明异向电流之间会相互排斥. 例2：试分析为什么电动机启动电流总大于正常工作电流. 解析：如图4,当电路刚接通时,静止的线圈可看作是电阻极小的导线,所以电机启动时电流总是比较大的. 但当线圈受力向上转动后,导线内的电荷(为使问题简单化,这里不妨选正电荷为对象)便会由于线圈的这一运动而激发一个新的磁场,这一磁场与外磁场叠加后将阻碍正电荷运动,如图4所示,而且转动越快,磁场力F越大,所以电流必然也越小.这就是为什么电动机启动电流总大于正常工作电流的原因,本题的这一解释与图2中的磁场叠加相似. 4一点体会 与以往机械地反复套用左右手定则相比,上述方法显然更为真切自然,更为清晰透彻,也更接近于电磁相互作用的本质,最为重要的是它实现了左右手定则在