百科知识

通电导体在磁场中受力,这个物理现象到底是怎么回事儿

一、安培力的方向特性

1.安培力的概念定义

为了纪念安培在探索电流与磁场相互作用关系方面的卓越成就,物理学界将通电导线在磁场中所受到的力命名为安培力.

2.安培力方向影响因素的实验探究

(1)实验装置布置与观察到的现象记录

(2)实验结论总结:安培力的方向受到磁场方向和电流方向的双重影响。安培力的矢量方向同时垂直于磁场方向和电流方向,这意味着安培力的作用方向始终位于磁感线方向与通电导线方向所形成的平面之外。

3.安培力方向判定法则——左手定则

操作左手,使其拇指与其他四指相互垂直,并且所有手指均处于同一平面内;让磁感线以垂直方式从手掌心进入,同时使四指指向电流的流动方向,此时拇指所指的方向即为通电导线在磁场中所承受的安培力方向。

4.左手定则的深入解析

(1)左手定则涉及三个物理量的方向判定,可通过三维空间的不同视角(如侧视图、俯视图及剖面图)进行综合理解。

(2)一般情况下的安培力方向判定:即使电流方向与磁场方向不呈直角关系,安培力的方向依然必定垂直于电流方向,同时也垂直于磁场方向。

(3)在已知电流I方向和磁场方向的情况下,可以准确确定安培力F的方向,然而若仅知晓安培力F的方向和磁场方向(或电流方向),则无法逆向推断电流方向(或磁场方向)。

(4)当电流方向与磁场方向不平行时,安培力的方向仍然垂直于由电流方向与磁场方向共同决定的平面,因此仍可应用左手定则进行方向判定,只是此时磁感线并非垂直穿过掌心。

二、安培力的大小计算

1.安培力大小计算公式的表述形式

(1)如图甲所示,当磁感应强度B与电流I相互垂直时,安培力的大小计算公式为F=BIL。

(2)如图乙所示,当磁感应强度B与电流I形成θ角度时,安培力的大小计算公式为F=BILsinθ。

(3)当磁感应强度B与电流I平行排列时,安培力的大小为零,即F=0。

2.F=BILsinθ公式的推导过程

当磁感应强度B的方向与导线方向形成θ角度时(如图乙所示),可以将B分解为两个相互垂直的分量:与导线垂直的分量B⊥和与导线平行的分量B∥(如图丙所示)。

B⊥=Bsinθ,B∥=Bcosθ,其中平行分量B∥不会产生安培力,导线所受的安培力仅由垂直分量B⊥产生,因此得到F=ILB⊥=ILBsinθ。

3.安培力计算公式的应用理解

(1)安培力计算公式适用的前提条件

①导线L所处的磁场环境应为匀强磁场

②在非匀强磁场环境中,该公式仅适用于电流元的计算

(2)安培力公式F=BIL中的L代表有效长度

①当导线垂直于磁场方向放置时,若导线呈现弯曲形态,此时公式F=BIL中的L值并非导线的总长度,而是弯曲导线的有效长度。如图所示,有效长度等于连接两端点的直线距离,相应的电流方向应从导线的始端流向末端。

②对于任意形状的闭合平面线圈,当线圈平面与磁场方向相互垂直时,线圈的有效长度L=0,因此在匀强磁场中通电后,线圈所受安培力的矢量和必然为零,如图所示。