大学物理8-6磁场对载流导线的作用.ppt

上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 §8-6 磁场对载流导线的作用 一、 安培定律 安培力：载流导线在磁场中受到的磁场力 dF方向判断 右手螺旋 一段任意形状载流导线受到的安培力 大小 是电流元与磁感应强度的夹角。 安培定律矢量式 载流导线受到的安培力的微观实质是载流导线中大量载流子受到洛伦兹力的结果。简单证明如下： 在载流导线上任取一电流元 其中电荷dq沿导线速度为 电流元长 则 在电流元所在的微小空间区域，磁场可看作匀强的，按照洛伦兹力公式，可得电流元所受磁场力 这就是电流元在磁场中受到的安培力。 载流长直导线在均匀磁场中所受安培力 取电流元 受力大小 方向：垂直纸面向里 积分 ? B 所以，安培力的大小为 如果载流导线所处为非均匀磁场，可取电流元，每段受力 可分解为 然后，求出合力即可。 例题8-6 在磁感强度为B的均匀磁场中，通过一半径为R的半圆导线中的电流为I。若导线所在平面与B垂直，求该导线所受的安培力。 I 各电流元受力可分解为x方向和y方向，由电流分布的对称性，电流元各段在x方向分力的总和为零，只有y方向分力对合力有贡献。 解： 坐标Oxy 如图所示 各段电流元受到的安培力数值上都等于 方向沿各自半径离开圆心向外，整个半圆导线受安培力为 I x y ? 由安培定律 由几何关系 上两式代入 合力F的方向：y轴正方向。 结果表明：半圆形载流导线上所受的力与其两个端点相连的直导线所受到的力相等. ? I x y 由本题结果可推论：一个任意弯曲载流导线上所受的磁场力等效于弯曲导线始、终两点间直导线通以等大电流时在同样磁场中所受磁场力。 安培力应用 磁悬浮列车车厢下部装有电磁铁，当电磁铁通电被钢轨吸引时就悬浮。列车上还安装一系列极性不变的电磁铁，钢轨内侧装有两排推进线圈，线圈通有交变电流，总使前方线圈对列车磁体产生吸引力，后方线圈对列车产生 排斥力，这一推一吸的合力便驱使列车高速前进。强大的磁力可使列车悬浮1～10cm，与轨道脱离接触，消除了列车运行时与轨道的摩擦阻力，使列车速度可达400km/h。 电磁驱动力原理图 中国第一辆载人磁悬浮列车 上海磁悬浮列车 二、磁场对载流线圈的作用 如上图，矩形线圈处于匀强磁场中，AB、CD边与磁场垂直，线圈平面与磁场方向夹角为 。 由于是矩形线圈，对边受力大小应相等，方向相反。 AD与BC边受力大小为 AB与CD边受力大小为 AD与BC边受力在同一直线上，相互抵消。 这两个边受力不在在同一直线上，形成一力偶，力臂为 ，它们在线圈上形成的力偶矩为 用?代替? ，可得到力矩 为线圈面积，图中?为线圈平面正法向与磁场方向的夹角，?与?为互余的关系 若线圈为N匝，则线圈所受力偶为 实际上m=NIS为线圈磁矩的大小，力矩的方向为线圈磁矩与磁感应强度的矢量积；用矢量式表示磁场对线圈的力矩： 可以证明，上式不仅对矩形线圈成立，对于均匀磁场中的任意形状的平面线圈也成立，对于带电粒子在平面内沿闭合回路运动以及带电粒子自旋所具有的磁矩，在磁场中受到的力矩都适用。 （1）?=?/2，线圈平面与磁场方向相互平行，力矩最大，这一力矩有使?减小的趋势。 （2）? =0，线圈平面与磁场方向垂直，力矩为零，线圈处于平衡状态。 综上所述，任意形状不变的平面载流线圈作为整体在均匀外磁场中，受到的合力为零，合力矩使线圈的磁矩转到磁感应强度的方向。 （3）? =?，线圈平面与磁场方向相互垂直，力矩 为零，但为不稳定平衡， 与 反向，微小扰动，磁场的力矩使线圈转向稳定平衡状态。 讨论： 三、电流单位“安培”的定义 平行载流直导线间距为a，两者电流方向相同，间距远小于导线长，可将两导线视做无限长导线。在ＣＤ上任取一电流元 为载流导线AB在 激发的磁感应强度 为二者之间夹角 计算CD受到的力，CD上所任取电流元受力： 载流导线CD所受的力方向指向AB。 载流导线CD单位长度所受的力 表明：两个同方向的平行载流直导线，通过磁场的作用，将相互吸引。反之，两个反向的平行载流直导线，通过磁场的作用，将相互排斥，而每一段导线单位长度所受的斥力的大小与这两电流同方向的引力相等。 同理可以证明载流导线AB单位长度所受的力的方向指向导线CD，大小为 i i i i 载流直导线之间的相互作用 “安培”的定义 因真空中两平行长直导线电流之间单位长度所受安培力的大小 规定：放在真空中两条无限长的载流平行导线通有相等的稳恒电流，当两导线相距一米、每一根导线每一米长度受力2×10-7牛顿时，每根导线上的电流为一安培。即 * 四、 磁场力的功 载流线圈或导线在磁场中