在物理分枝電磁學中,安培力是一個不可繞開的力,我們知道,通電後的導線的周圍是會形成閉合的磁場的,而通電導線在一個磁場中,它就會受到磁場對它力的作用,這個力就是安培力,它的單位依然是牛頓。那麼,磁場對通電導線的安培力的大小該如何确定呢?
在電場中有勻強電場的存在,而在磁場中同樣也有勻強磁場的存在,雖然說勻強磁場是最簡單的磁場,但它在研究磁場方面的性質時卻是非常重要的。将一根通電的導線放入勻強磁場中,如果通電導線中電流的方向于磁場的方向相同或相反,則通電導線在磁場中不受到力的作用。
如果通電導線的電流方向跟磁感線的方向相同時,則此時通電導線在磁場中受到的力是最大的。如果通電導線跟磁感線有一定的夾角,則通電導線在磁場中受到的力介入上述兩者之間。也就是說,通電導線在磁場中受到的安培力的大小跟導線與磁場的夾角α有關。
假如通電導線在磁場中始終與磁感線垂直,則改變通電導線的長度時,則通電導線在磁場中受到的安培力也不相同。增加通電導線的長度,就會發現通電導線在磁場中受到的安培力也會相應的增大,減少導線的長度時,通電導線在磁場中受到的安培力也會相應的減小。這個實驗現象的背後說明了通電導線在磁場中受到的安培力與通電導線的長度L有關。
繼續對通電導線在磁場中受到的安培力進行研究,發現将通電導線放入磁感應強度不同的磁場中,通電導線受到的安培力也不相同。磁感應強度B越大,通電導線在磁場中受到的安培力越大,反之亦然。
因此,安培力的大小可以這麼表述,通電導線在磁場中所受到的安培力的大小與導線導線的長度成正比,與磁場的磁感應強度也成正比,與導線中的電流強度同樣成正比,用數學公式可以寫成F=BILsinα。其中B為磁感應強度,I為導線中電流的強度,L為導線的長度,α為導線與磁感應方向的夾角。
根據安培力的定義,有人就制成了電動機,即電動機的内部必然有一個永久磁鐵組成的固定磁場,還有一部分則是由繞組線圈組成的轉子,當向繞組線圈中通電後,它就會受到永久磁場對它的安培力的作用,從而不斷的轉動。
如果通電導線始終與磁感線的方向垂直,那麼安培力F=BIL,磁感應強度B=F/LI,在不是勻強磁場中,為了定量分析磁場中各點的磁感應強度,可以将一段導線無限的切割,直到切到一段很短的電流元,然後将電流元垂直的放入磁場中,那麼它所受到的安培力與電流和電流元長度乘積的比值即為該點的磁感應強度B,其方向在磁感線的切線方向上。知道了安培力的大小,就要确定安培力的方向了。
對于通電導線在磁場中受到的安培力的方向,可以用左手定則來加以判斷。伸出左手,使大拇指與四指垂直且在一個平面内,然後将左手放入磁場中,讓磁感線垂直通過左手的手掌,左手四指的指向為導線中電流的方向,那麼左手大拇指的指向即為通電導線在磁場中受到的安培力的方向。
安培力其實是通電導線在宏觀上受到的磁場力,而洛倫磁力此式電流在微觀上的受到的磁場力。關于洛倫磁力,咱們下節再續。
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