第2节安培力与磁电式仪表

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1、第2章第2节安培力与磁电式仪表磁场的方向磁感线磁场的基本特性是村处在磁场中的磁极和通电导线有力的作用。磁场具有方向，物理学中规定：在磁场中的某一点，小磁针N极受力的方向，即小磁针静止时N极所指的方向，就是该点的磁场方向。初中我们学过，在磁场中可以利用磁感线（magneticinductionline）来形象地描写各点的磁场方向。所谓磁感线，是在磁场中画出的一些有方向的曲线，在这些曲线上，每一点的切线方向都与这点的磁场方向相同（图2.2-1）。图2.2-1磁感线演示在磁铁上放一块玻璃板，在玻璃板上均匀地撒一层细铁屑，细铁屑在磁场里

2、被磁化成“小磁针”。轻敲玻璃板使铁屑能在磁场作用下转动，铁屑静止时有规则地排列起来，就显示出磁感线的形状（图2.2-2）。图2.2-2模拟条形磁体的磁感线图2.2-3表示条形磁铁和蹄形磁铁的磁感线的分布状况。从图中可以看出，磁铁外部的磁感线是从磁铁的北极出来，进入磁铁南极。图2.2-3图2.2-4甲、乙分别表示直线电流磁场和通电螺线管磁场的磁感线分布状况。图2.2-4电流周围磁感线的方向与电流方向之间的关系可以用安培定则（Ampererule，也叫右手螺线定则）来判定：对于通电直导线，用右手握住导线，让伸直的拇指所指的方向与电流

3、方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向（图2.2-5甲）；对于通电螺线管，用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向与电流的方向一致，拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向（图2.2-5乙）。图2.2-5安培力磁感应强度磁场不仅有方向，而且有强弱的不同。大型的电磁铁能够吸起成吨的钢材，小的磁铁仅能吸起小铁钉。我们怎样表示磁场的强弱呢？研究电场强弱的时候，我们分析电荷在电场中的受力情况，找到了表示电场强弱的物理量——电场强度。类似地，磁场对其中的通电导线有磁场力的作用，研究磁场的强弱，要从分析电流在磁场中的受力情况着手

4、，找出表示磁场强弱的物理量。我们以通电直导线为例，研究磁场对通电导线的作用及其规律。磁场对通电导线的作用力称为安培力（Ampereforce）。为了简便，我们研究导线方向与磁场方向垂直时，安培力的大小与什么因素有关。将要研究的现象与我们熟知的现象进行类比，常常能给要研究的新现象提供有益的启示。演示如图2.2-6所示，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，通过这个角度我们可以比较安培力的大小。分别接通“2、3”和“1、4”可以改变导线通电部分的长度

5、，电流由外部电路控制。图2.2-6磁场对电流的作用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。观察这两个因素对通电导线受力大小的影响。通电导线长度一定时，电流越大，导线所受安培力就越大；电流一定时，通电导线越长，安培力也越大。实验发现，通电导线在磁场中受到的安培力的大小，既与导线的长度L成正比，又与导线中的电流I成正比，也就是说F与I和L的乘积成正比，用公式表示就是F＝BIL或者B＝上式中的比值B表示磁场的强弱，叫做磁感应强度（magneticinduction）。在国际单位制中，磁感

6、应强度B的单位是特斯拉（tesla），简称特，以符号T表示。磁场对通电导线的作用力比电场对电荷的作用力复杂些，但是研究问题的思路是相同的。电场力与电场强度的关系是：F＝EqE＝地面附近地磁场的磁感应强度大约是0.3×10-4～0.7×10-4T，学校实验室所用永磁铁附近的磁感应强度大约为10-3～1T，在变压器和电机的铁芯中，磁感应强度可达0.8～1.5T，“阿尔法”磁谱仪的永磁体中，磁感应强度为0.134T。我们定义了磁感应强度的大小，磁感应强度还有方向。前面说的“磁场的方向”，即小磁针北极受力时方向，指的就是磁感应强度的方向

7、。磁感应强度B、电流I和安培力F三者的方向间有一定的关系。下面我们通过实验来研究它们的关系。实验利用如图2.2-7所示的装置，对通电导线所受安培力的方向进行研究。通过调换磁铁两极的位置来改变磁场方向，通过改变电源正负极的连接方式来改变电流方向，将观察到的现象纪录在表格中。图2.2-7研究安培力的方向步骤初始状态改变磁场的方向改变电流的方向同时改变磁场和电流的方向现象磁场方向、电流方向、安培力方向之间的关系大量实验表明：通电导线所受安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面，安培力的方向跟电流的方向和磁场的方向三者之间的关系

8、可用左手定则（left-handrule）表示：伸开左手，使拇指与四指垂直并且在同一平面内，让磁感线垂直进入掌心，并使四指指向电流方向，则拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。图2.2-8左手定则正像在电场中可以用电场线的疏密程度大致表示电场强度的