(共40张PPT)
1.1 磁场对通电导线的作用力
安培力
电场力
安培是法国物理学家、数学家。
在电磁学领域,安培不仅论述了包括电流方向和磁针偏转方向关系的右手定则,通电平行直导线间相互作用的规律,通电螺线管的磁性等等,还提出了著名的安培定律,以及分子电流假说。
由于他在电磁学方面做出了重大贡献,他被麦克斯韦称作“电学中的牛顿”。
安德烈·玛丽·安培
(1775年-1836年)
1、磁铁之间的作用规律
2、电流对小磁针的作用规律
复习回顾
3、怎样用安培定则判定直线电流、环形电流和通电螺线管的磁场方向?
4、描述磁场强弱的物理量是哪个?如何计算?
在磁场中垂直磁场方向的通电导线,所受安培力F与电流I和导线长度L的乘积IL的比值叫做磁感应强度(B)
演示:
问题一:通电后,发生什么
问题二:交换磁极位置,改变磁场方向,导线受力的方向是否改变
问题三:改变导线中电流的方向,导线受力的方向是否改变?
问题四:分析实验结果,说明安培力的方向与磁场方向、电流方向有怎样的关系。
垂直于纸面向里的磁场
垂直于纸面向外的磁场
垂直于纸面向里的电流
垂直于纸面向外的电流
竖直向下的磁场
竖直向上的磁场
磁场和通电导线的平面图画法
次数
磁场方向
电流方向
安培力方向
图
4
3
1
2
向上
向下
垂直于纸面向外
垂直于纸面向外
垂直于纸面向里
水平
向右
水平
向左
水平
向左
水平
向右
F
F
F
F
实验现象
一、安培力的方向
我们把安培力的方向和磁感应强度B的方向、电流I的方向画出来,如图,我们来分析三者的方向有什么关系?
安培力的方向和磁感应强度的方向、电流的方向垂直
左手定则:
伸开左手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一个平面内;让磁感线从掌心垂直进入,并使四指指向电流的方向,这时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。
step1.伸开左手,使拇指跟其余四指垂直,并且都跟手掌在同一个平面内
step2.让磁感线垂直穿过手心
step3.四指指向电流的方向
step4.那么大拇指所指的方向就是安培力的方向
【随堂演练】画出图中安培力的方向
F
F
F
F
F
θ
B
θ
B
θ
B
θ
B
F
θ
B
F
θ
B
思考讨论:电流与电流间有无相互作用?规律如何?
F
F
B
B
电流与电流间有无相互作用?规律如何?
同向电流:
反向电流:
结论:
同向电流相互吸引,
异向电流相互排斥
F
F
F
F
思考:如图所示,通电直导线AB固定,CD可以自由移动,请你判断通电后CD的运动情况
两相交直导线间的相互作用:有转到同向的趋势。
A
B
D
C
×
×
×
×
×
·
·
·
·
·
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
F
F
安培定则(右手螺旋定则) 左手定则
用 途 判断电流的磁场方向 判断电流在磁场中的受力方向
适用对象 直线电流 环形电流或通电螺线管 电流在磁场中
应用方法 拇指指向电流的方向 四指弯曲的方向表示电流的环绕方向 磁感线穿过手掌心,四指指向电流的方向
结 果 四指弯曲的方向表示磁感线的方向 拇指指向轴线上磁感线的方向 拇指指向电流受到的磁场力的方向
安培定则、左手定则的比较:
练习1. 如图所示,把轻质导电线圈用绝缘细线悬挂在磁铁 N极附近,磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈平面,当线圈内通入如图方向的电流后,则线圈( )
A.向左运动
B.向右运动
C.静止不动
D.无法确定
A
解析:此题可以采用电流元法,也可采用等效法。
解法一:等效法。把通电线圈等效成小磁针。由安培定则,线圈等效成小磁针后,左端是 S 极,右端是 N 极,异名磁极相吸引,线圈向左运动。
解法二:电流元法。如图所示,取其中的上、下两小段分析,根据其中心对称性线圈所受安培力的合力水平向左,故线圈向左运动。
答案:A
练习2.如图所示,把一重力不计的通电直导线水平放在蹄形磁铁两极的正上方,导线可以自由转动,当导线通入图示方向电流I时,导线的运动情况是(从上往下看)( )
A.顺时针方向转动,同时下降
B.顺时针方向转动,同时上升
C.逆时针方向转动,同时下降
D.逆时针方向转动,同时上升
C
解析:现将导线AB从N、S极的中间O分成两段,AO、OB段所处的磁场方向如图所示,由左手定则可得AO段受安培力方向垂直于纸面向外,OB段受安培力的方向垂直纸面向里,课件从上向下看,导线AB将绕O点逆时针转动。再根据导线转过900时,如图所示,导线AB此时受安培力方向竖直向下,导线将向下运动。故应选C。
练习3、如图所示,蹄形磁体用悬线悬于O点,在磁铁的正下方有一水平放置的长直导线,当导线中通以由左向右的电流时,蹄形磁铁的运动情况将是( )
A.静止不动
B.向纸外平动
C.N极向纸外,S极向纸内转动
D.N极向纸内,S极向纸外转动
C
练习4、两条导线互相垂直,但相隔一小段距离,其中ab固定,cd可以自由活动,当通以如图所示电流后,cd导线将( )
A.顺时针方向转动,同时靠近ab
B.逆时针方向转动,同时离开ab
C.顺时针方向转动,同时离开ab
D.逆时针方向转动,同时靠近ab
a
b
c
d
D
练习5.如图所示,两个完全相同且相互绝缘、正交的金属环,可沿轴线OO′自由转动,现通以图示方向电流,沿OO′看去会发现( )
A.A环、B环均不转动
B.A环将逆时针转动,B环也逆时针转动,两环相对不动
C.A环将顺时针转动,B环也顺时针转动,两环相对不动
D.A环将顺时针转动,B环将逆时针转动,两者吸引靠拢
D
练习6.表面光滑的环形导线固定在水平面上,在环形导线上放置一直导线AB。直导线AB与环形导线相互绝缘、且又紧靠环的直径,如图所示。则当两者通以图示方向的电流时,直导线AB的运动情况是( )
A. 向M方向平动
B. 向N方向平动
C. 仍静止不动
D. 在环形导线上转动
A
电流元法 把整段导线分为多段电流元,先用左手定则判断每段电流元所受安培力的方向,然后判断整段导线所受安培力的方向,从而确定导线运动方向
等效法 环形电流可等效成小磁针,通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流(反过来等效也成立),然后根据磁体间或电流间的作用规律判断
分析导体在磁场中运动情况的几种常用方法
特殊位置法 通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置,判断其所受安培力的方向,从而确定其运动方向
结论法 两平行直线电流在相互作用过程中,无转动趋势,同向电流互相吸引,反向电流互相排斥;不平行的两直线电流相互作用时,有转到平行且电流方向相同的趋势
转换研究对象法 定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动的问题,可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力,然后由牛顿第三定律,确定磁体所受电流磁场的反作用力,从而确定磁体所受合力及其运动方向
二、安培力的大小
(1) 在匀强磁场B中垂直于磁场放置长为L、电流为I的通电直导线,则导线所受安培力F为:
(2)通电直导线(电流I)与磁场B平行时:
B
I
F安=0
B
L
I
(3)当导线(电流I)与磁场B方向夹θ角时:
F = B2IL=BILsinθ
(θ为B与I的正向夹角)
B1
B2
B
法一:分解磁感应强度B
思路:变不垂直成垂直
法二.投影导线
L1
F = BIL1=BILsinθ
(θ为B与I的正向夹角)
1. B 垂直于 I ,匀强磁场,直导线。
2. 不垂直变垂直(分解 B,或投影 L )。
弯曲导线变成直导线L是垂直磁场方向的有效长度,不一定是导线实际长度。
若是弯曲导线,可视为起点到终点的一条通电直导线。
对公式 F = BIL 的理解
L
L
L
L
4. 理解安培力公式
(1)导线所处磁场应为匀强磁场,在非匀强磁场中,
F=BILsinθ 仅适用于很短的通电导线,即直线电流元。
(2)对于弯曲导线,F=BIL中的 L 为“有效长度”。
(3)任一闭合通电导线的有效长度为 0,即所受安培力为 0。
(4)当通电导线平行于磁场放置时,安培力 F=0。
0
0.02 N
水平向右
0.02 N
垂直导线斜向左上方
I
B
I
B
30°
I
B
练习1. 将长度为 20 cm、通有 0.1 A 电流的直导线放入一匀强磁场中,电流与磁场的方向如图所示,已知磁感应强度为 1 T。试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向。
练习2. 如图所示,将通电导线圆环平行于纸面缓慢地坚直向下放入水平方向垂直纸面各里的匀强磁场中,则在通电圆环完全进入磁场的过程中,所受的安培力大小变化是 ( )
A. 逐渐变大
B. 先变大后变小
C. 逐渐变小
D. 先变小后变大
B
I
B
B
a
C
B
I
练习3:如图所示,直角三角形ABC组成的导线框内通有电流I=1A,并处在方向竖直向下的匀强磁场B=2T中,AC=40cm, ,求三角形框架各边所受的安培力。
A
练习4:如图所示,两平行光滑导轨相距0.2m,与水平面夹角为45°,金属棒MN的质量为0.1kg,处在竖直向上磁感应强度为1T的匀强磁场中,电源电动势为6V,内阻为1Ω,为使MN处于静止状态,则电阻R应为多少?(其他电阻不计)
θ
N
B
G
N
F安
【答案】R=0.2Ω
B
θ
练习5、图中匀强磁场磁感应强度为B,有一段长L,通有电流为I的直导线ab,电流方向从a到b,则导线所受磁场力大小和方向如何?并将立体图改画为平面图
α
α
B
B
a
b
α
平面上 斜面上
a
b
F
F
B
α
α
B
练习6、如图所示,在倾角为300的斜面上,放置两条光滑平行导轨,其间距L=0.5m;将电源、滑动变阻器用导线连接在导轨上,在导轨上横放一根质量为m=0.2kg的金属棒ab,电源电动势E=12V,内阻r=0.3Ω,磁场方向垂直轨道所在平面,B=0.8T。欲使棒ab在轨道上保持静止,滑动变阻器的使用电阻R应为多大?(g取10m/s2,其它电阻不计)
B
E
r
R
a
30°
b
B
G
N
F
θ
练习7、质量为m,长度为L的导体棒MN静止于水平导轨上,通过MN的电流为I,匀强磁场的磁感应强度为B,方向与导轨平面成θ角斜向下,如图所示,求棒MN所受的支持力大小和摩擦力大小.
I
B
G
N
F安
f
θ
M
三、磁电式电流表
电流表是测定电流强弱和方向的仪器,常用的是磁电式电流表,其结构如图所示:在一个蹄形磁铁的两极上装有极靴,中间是一个圆柱形铁芯,铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框,铝框上绕有线圈,铝框的转动轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针。
磁电式电流表结构示意图
工作原理:通电线圈在磁场中受安培力作用发生转动。被测电流越大,线圈偏转的角度越大。螺旋弹簧变形,反抗线圈的转动。这两种转动的效果叠加在一起,指针随之发生偏转;最终达到平衡,指针停止偏转。所以根据指针偏转角度的大小,可以确定被测电流的大小。
当线圈中电流方向改变时,安培力的方向随之改变,指针的偏转方向也随着改变。所以,根据指针的偏转方向,可以知道被测电流的方向。
甲 电流表结构图
乙 电流表原理图
★通电线圈在磁场中受到安培力会转动,电动机就是根据这个原理设计的。
3、磁电式电流表的特点
(1)表盘的刻度均匀,θ∝I.
(2)灵敏度高,但过载能力差.
(3)满偏电流Ig和内阻Rg反映了电流表的最主要特性.
4. 优缺点
优点:灵敏度高,可以测出很弱的电流。
缺点:线圈的导线很细,允许通过的电流很弱。
5. 灵敏度
可以通过增加线圈的匝数、增大磁铁的磁感应强度、增大线圈的面积等方法提高灵敏度。
课堂小结