通电导线在磁场中受力1.ppt

第三章第三章 磁场磁场第四节 通电导线在磁场中受到的力 现在我们的生活中到处都有家用电器的身影，如：洗衣机、现在我们的生活中到处都有家用电器的身影，如：洗衣机、电风扇、电动车等。这些电器中都有电动机，通电后就会转动电风扇、电动车等。这些电器中都有电动机，通电后就会转动工作，你知道它们的工作原理吗？工作，你知道它们的工作原理吗？一、安培力一、安培力磁场对电流的作用力称为安培力，磁场对电流的作用力称为安培力，是为了纪念安培而命名的。是为了纪念安培而命名的。麦克斯韦称赞安培的工作是麦克斯韦称赞安培的工作是“科学科学上最光辉的成就之一，还把安培誉上最光辉的成就之一，还把安培誉为为“电学中的牛顿电学中的牛顿”。Andr-Marie Ampre1775 1836 在电场中，正电荷所受电场力的方向就是电场强度在电场中，正电荷所受电场力的方向就是电场强度的方向。那么，在磁场中，通电导体在磁场中的受力方的方向。那么，在磁场中，通电导体在磁场中的受力方向是不是磁感应强度的方向呢？向是不是磁感应强度的方向呢？表示电流方垂直纸面向里表示电流方垂直纸面向里 归纳总结安培力的方向判断归纳总结安培力的方向判断表示电流方垂直纸面向外表示电流方垂直纸面向外 次数次数磁场方向磁场方向电流方向电流方向安培力方向安培力方向图图4312向上向上向下向下垂直于纸面垂直于纸面向外向外垂直于纸面垂直于纸面向外向外垂直于纸面垂直于纸面向里向里水平水平向右向右水平水平向左向左水平水平向左向左水平水平向右向右FFFF结论：安培力方向既与磁场方向垂直，也与电流方向垂直结论：安培力方向既与磁场方向垂直，也与电流方向垂直实验现象实验现象垂直于纸面垂直于纸面向里向里左左手手定定则则：伸伸开开左左手手，使使拇拇指指与与其其余余四四指指垂垂直直，并并且且都都与与手手掌掌在在同同一一平平面面内内，让让磁磁感感线线从从掌掌心心垂垂直直穿穿入入，并并使使四四指指指指向向电电流流的的方方向向，这这时时拇拇指指所所指指的的就就是是通通电电导导体体在在磁磁场场中中所所受受安安培培力力的的方方向。向。BIF二、安培力的方向二、安培力的方向问题：问题当电流方向与磁场方向不垂直时，左手定则当电流方向与磁场方向不垂直时，左手定则是否适用？是否适用？B BI I F垂直纸面向外垂直纸面向外B IFI安培力安培力F 的方向总是垂直于电流的方向总是垂直于电流I 与磁感应与磁感应强度强度B 所确定的平面所确定的平面 BFBB如果磁场和电流不垂直如果磁场和电流不垂直,情况会怎样情况会怎样?例例1 1：确定图中安培力的方向。：确定图中安培力的方向。B BI IB BI IB BI IFFF例例2、画出各图中安培力的方向、画出各图中安培力的方向IIBBI B IBFFFFBBFBFFFEBBFBBE问题：如图所示，两条平行的通电直导线之间会通过磁场发生问题：如图所示，两条平行的通电直导线之间会通过磁场发生相互作用相互作用 用学过的知识加以分析用学过的知识加以分析同向电流相互吸引。同向电流相互吸引。反向电流相互排斥。反向电流相互排斥。结论结论:FFF同向电流F反向电流C（1）当）当 IB 且为匀强磁场，此时电流所受的安培力最大。且为匀强磁场，此时电流所受的安培力最大。（2）当导线方向与磁场方向一致时）当导线方向与磁场方向一致时(即即 IB)，电流所受的安，电流所受的安培力最小，等于零。培力最小，等于零。（3）当导线方向与磁场方向）当导线方向与磁场方向 成成 角时，所受角时，所受安培力介于最大值和最小值之间：安培力介于最大值和最小值之间：1.大小当导线方向与磁场方向垂直时，通电导线在磁场中受大小：当导线方向与磁场方向垂直时，通电导线在磁场中受到的安培力的大小，既与导线的长度成正比，又与导线中的电到的安培力的大小，既与导线的长度成正比，又与导线中的电流流 I 成正比，即与成正比，即与 I 和和 L 的乘积成正比。的乘积成正比。2.公式：公式：F=BILF安安=BILsin BIBB三、安培力的大小三、安培力的大小1.B 垂直于垂直于 I，匀强磁场，直导线匀强磁场，直导线。2.不垂直变垂直不垂直变垂直(分解分解 B，或投影，或投影 L)。3.弯曲导线变成直导线弯曲导线变成直导线L是有效长度，不一定是导线实际长度是有效长度，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。若是弯曲导线，可视为起点到终点的一条通电直导线。对公式对公式 F=BIL 的理解的理解A 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的过程中，所受的安培力大小变化是 ()A.逐渐变大逐渐变大 B.先变大后变小先变大后变小 C.逐渐变小逐渐变小 D.先变小后变大先变小后变大BIB三、安培力作用下通电导线或线圈的运动方向三、安培力作用下通电导线或线圈的运动方向1.直接判断：先分析导线或线圈所在位置的磁感线情况，然后直接判断：先分析导线或线圈所在位置的磁感线情况，然后根据左手定则判定安培力的方向，再进行分析：根据左手定则判定安培力的方向，再进行分析：abFF例例4 4、如图所示，蹄形磁铁固定，通电直导线、如图所示，蹄形磁铁固定，通电直导线ABAB可自由运可自由运动，当导线中通以图示方向的电流时，俯视导体，导体动，当导线中通以图示方向的电流时，俯视导体，导体ABAB将（将（ABAB的重力不计）的重力不计）A A、逆时针转动，同时向下运动、逆时针转动，同时向下运动B B、顺时针转动，同时向下运动、顺时针转动，同时向下运动C C、顺时针转动，同时向上运动、顺时针转动，同时向上运动D D、逆时针转动，同时向上运动、逆时针转动，同时向上运动NS2.微元法微元法NSIFFNSFA、逆时针转动，同时向下运动、逆时针转动，同时向下运动向外向外向里向里3.等效分析法：环形电流可等效为小磁针，条形磁铁或小磁针也等效分析法：环形电流可等效为小磁针，条形磁铁或小磁针也可以等效为环形电流，通电螺线管可等效为多个环形电流或条形可以等效为环形电流，通电螺线管可等效为多个环形电流或条形磁铁。磁铁。例例.如图在条形磁铁如图在条形磁铁N极处悬挂一个线圈，极处悬挂一个线圈，当线圈中通有逆时针方向的电流时，线当线圈中通有逆时针方向的电流时，线圈将向哪个方向偏转？圈将向哪个方向偏转？从上向下看逆时针转动的同时向左摆从上向下看逆时针转动的同时向左摆动动NS4.结论法：同向平行电流相互吸引，异向平行电流相互排斥。结论法：同向平行电流相互吸引，异向平行电流相互排斥。两个电流总有作用到方向相同且靠近的趋势。两个电流总有作用到方向相同且靠近的趋势。自由自由固定固定FF 例例 如图所示，把轻质导电线圈用绝缘细线悬挂在磁铁如图所示，把轻质导电线圈用绝缘细线悬挂在磁铁 N极附近，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，则线圈如图方向的电流后，则线圈()A向左运动向左运动 B向右运动向右运动C静止不动静止不动 D无法确定无法确定解析：此题可以采用电流元法，也可采用等效法。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，左端是圈等效成小磁针后，左端是 S 极，右端是极，右端是 N 极，异名磁极相吸极，异名磁极相吸引，线圈向左运动。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，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。左运动。答案：答案：A四四.重难点：安培力作用下通电导体的平衡重难点：安培力作用下通电导体的平衡例例 质量为质量为 m，长度为，长度为 L 的导体棒的导体棒 MN 垂直导轨放置且静止于垂直导轨放置且静止于水平导轨上，通过水平导轨上，通过 MN 的电流为的电流为 I，匀强磁场的磁感应强度为，匀强磁场的磁感应强度为 B，垂直于电流方向且与导轨平面成，垂直于电流方向且与导轨平面成 角斜向下，如图所示，角斜向下，如图所示，求棒求棒 MN 所受的支持力大小和摩擦力大小。所受的支持力大小和摩擦力大小。答案：答案：BILcos mgBILsin 在实验室中，常用到一种在实验室中，常用到一种测电流强弱和方向的电学仪器测电流强弱和方向的电学仪器电流表，它就是根据磁场电流表，它就是根据磁场对电流作用的安培力制成的。对电流作用的安培力制成的。五、磁电式电流表五、磁电式电流表铁芯、线圈和指针是一个整体可以转动。铁芯、线圈和指针是一个整体可以转动。.1.磁电式电流表的构造磁电式电流表的构造 刻度盘、指针、蹄形磁铁、极靴（软铁制成）刻度盘、指针、蹄形磁铁、极靴（软铁制成）、螺旋弹簧、螺旋弹簧、线圈、圆柱形铁芯（软铁制成）。线圈、圆柱形铁芯（软铁制成）。该磁场并非匀强磁场该磁场并非匀强磁场2.该磁场是否匀强磁场？该磁场是否匀强磁场？3.该磁场该磁场有什么有什么特点？特点？1.电流表中磁场分布有何特点呢？电流表中磁场分布有何特点呢？电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的。所谓均匀辐向分电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的。所谓均匀辐向分布，就是说所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心，不管线圈布，就是说所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心，不管线圈处于什么位置，线圈平面与磁感线之间的夹角都是零度。处于什么位置，线圈平面与磁感线之间的夹角都是零度。在以铁芯为中心的圆圈上，各点的磁感应强度在以铁芯为中心的圆圈上，各点的磁感应强度 B 的大小是相等的。的大小是相等的。（2）磁场对电流的作用力与电流成正比，因而线圈中的电流越）磁场对电流的作用力与电流成正比，因而线圈中的电流越大，安培力产生的力矩也越大，线圈和指针偏转的角度也越大，大，安培力产生的力矩也越大，线圈和指针偏转的角度也越大，因而根据指针的偏转角度的大小，可以知道被测电流的强弱。因而根据指针的偏转角度的大小，可以知道被测电流的强弱。表盘的刻度均匀，表盘的刻度均匀，I（3）当线圈中的电流方向发生变化时，安培力的方向也随之改）当线圈中的电流方向发生变化时，安培力的方向也随之改变，指针的偏转方向也发生变化，所以根据指针的偏转方向，变，指针的偏转方向也发生变化，所以根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向。可以知道被测电流的方向。把立体图转化为平面图进行受力分析把立体图转化为平面图进行受力分析安安培培力力方向方向垂直于垂直于 B、I 决定的平面决定的平面判断：左手定则判断：左手定则大小大小 F=ILBsin B 与与 I 垂直：垂直：F=ILBB 与与 I 平行：平行：F=0电流间的电流间的相互作用相互作用先用安培定则判断磁场方向先用安培定则判断磁场方向再用左手定则判断安培力的方向再用左手定则判断安培力的方向安培力作用安培力作用的平衡问题的平衡问题根据力的平衡条件解未知量根据力的平衡条件解未知量应用应用磁电式电流表磁电式电流表构造、原理构造、原理应用应用电流元法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(反过来反过来等效也成立等效也成立)，然后根据磁体间或电流间的作用规律判断，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分析导体在磁场中运动情况的几种常用方法特殊位置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其运动方向结论法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转换研究对象法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受合力及其运动方向