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磁场基本性质、磁场对电流的作用

核心导读:一. 教学内容: 1. 磁场基本性质 2. 磁场对电流的作用 【要点扫描】 磁场基本性质 (一)磁场 1、磁场:磁场是存在于磁体、运动电荷周围的一种物质.它的基本特性是:对处于其中的磁体、电流、运动电荷有力的作用. 2、磁现象的电本质:所有的磁现象都可归结为运动电荷之间通过磁场而发生的相互作用. (二)磁感线 为了描述磁场的强弱与方向,人们想象在磁场中画出的一组有方向的曲线. 1、疏密表示磁场的强弱. 2、每一点切线方向表示该点磁场的方向,也就是磁感应强度的方向. 3、是闭合的曲线,在磁体外部由N极至S极

. 教学内容:

1. 磁场基本性质

2. 磁场对电流的作用

【要点扫描】

磁场基本性质

(一)磁场

1、磁场:磁场是存在于磁体、运动电荷周围的一种物质.它的基本特性是:对处于其中的磁体、电流、运动电荷有力的作用.

2、磁现象的电本质:所有的磁现象都可归结为运动电荷之间通过磁场而发生的相互作用.

(二)磁感线

为了描述磁场的强弱与方向,人们想象在磁场中画出的一组有方向的曲线.

1、疏密表示磁场的强弱.

2、每一点切线方向表示该点磁场的方向,也就是磁感应强度的方向.

3、是闭合的曲线,在磁体外部由N极至S极,在磁体的内部由S极至N极.磁线不相切不相交。

4、匀强磁场的磁感线平行且距离相等.没有画出磁感线的地方不一定没有磁场.

5、安培定则:拇指指向电流方向,四指指向磁场的方向.注意这里的磁感线是一个个同心圆,每点磁场方向是在该点的切线方向。

*熟记常用的几种磁场的磁感线:

 

 

 

 

(三)磁感应强度

 

 

 

1、磁场的最基本的性质是对放入其中的电流或磁极有力的作用,电流垂直于磁场时受磁场力最大,电流与磁场方向平行时,磁场力为零。

2、在磁场中垂直于磁场方向的通电导线受到的磁场力F跟电流强度I和导线长度L的乘积IL的比值,叫做通电导线所在处的磁感应强度.

①表示磁场强弱的物理量.是矢量.

②大小: (电流方向与磁感线垂直时的公式).

③方向:左手定则:是磁感线的切线方向;是小磁针N极受力方向;是小磁针静止时N极的指向.不是导线受力方向;不是正电荷受力方向;也不是电流方向.

④单位:牛/安米,也叫特斯拉,国际单位制单位符号T

⑤点定B定:就是说磁场中某一点定了,则该处磁感应强度的大小与方向都是定值.

⑥匀强磁场的磁感应强度处处相等.

⑦磁场的叠加:空间某点如果同时存在两个以上电流或磁体激发的磁场,则该点的磁感应强度是各电流或磁体在该点激发的磁场的磁感应强度的矢量和,满足矢量运算法则。

(四)磁通量与磁通密度

1、磁通量Φ:穿过某一面积磁力线条数,是标量.

2、磁通密度B:垂直磁场方向穿过单位面积磁力线条数,即磁感应强度,是矢量.

3、二者关系:BΦ/S(当B与面垂直时),ΦBScosθScosθ为面积垂直于B方向上的投影,θBS法线的夹角.

磁场对电流的作用

(一)安培力

1、安培力:通电导线在磁场中受到的作用力叫做安培力.

说明:磁场对通电导线中定向移动的电荷有力的作用,磁场对这些定向移动电荷作用力的宏观表现即为安培力.

2、安培力的计算公式:FBILsinθθIB的夹角);通电导线与磁场方向垂直时,即θ90°,此时安培力有最大值;通电导线与磁场方向平行时,即θ,此时安培力有最小值,F=0NB90°时,安培力F介于0和最大值之间。

3、安培力公式的适用条件:

①公式FBIL一般适用于匀强磁场中IB的情况,对于非匀强磁场只是近似适用(如对电流元),但对某些特殊情况仍适用.

如图所示,电流I1//I2,如I1I2处磁场的磁感应强度为B,则I1I2的安培力FBI2L,方向向左,同理I2I1,安培力向右,即同向电流相吸,异向电流相斥.

 

 

 

 

②根据力的相互作用原理,如果是磁体对通电导体有力的作用,则通电导体对磁体有反作用力.两根通电导线间的磁场力也遵循牛顿第三定律.

 

 

 

(二)左手定则

1、用左手定则判定安培力方向的方法:伸开左手,使拇指跟其余的四指垂直且与手掌都在同一平面内,让磁感线垂直穿过手心,并使四指指向电流方向,这时手掌所在平面跟磁感线和导线所在平面垂直,大拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向.

2、安培力F的方向既与磁场方向垂直,又与通电导线垂直,即FBI所在的面垂直.但BI的方向不一定垂直.

3、安培力F、磁感应强度B、电流I三者的关系

①已知IB的方向,可惟一确定F的方向;

②已知FB的方向,且导线的位置确定时,可惟一确定I的方向;

③已知FI的方向,磁感应强度B的方向不能惟一确定.

4、由于BIF的方向关系常是在三维的立体空间,所以求解本部分问题时,应具有较好的空间想象力,要善于把立体图画变成易于分析的平面图,即画成俯视图,剖视图,侧视图等.

【规律方法】

磁场基本性质

【例1】根据安培假说的物理思想:磁场来源于运动电荷.如果用这种思想解释地球磁场的形成,根据地球上空并无相对地球定向移动的电荷的事实.那么由此推断,地球总体上应该是:(A

A. 带负电; B. 带正电;

C. 不带电; D. 不能确定

 

 

 

 

答案:竖直向上

 

 

 

【例3】六根导线互相绝缘,所通电流都是I,排成如图所示的形状,区域ABCD均为相等的正方形,则平均磁感应强度最大的区域是哪些区域?该区域的磁场方向如何?

 

 

 

 

答案:在AC区域平均磁感应强度最大,在A区磁场方向向里.C区磁场方向向外.

 

 

 

【例4】如图所示,A为通电线圈,电流方向如图所示,BC为与A在同一平面内的两同心圆,φBφC分别为通过两圆面的磁通量的大小,下述判断中正确的是( )

A. 穿过两圆面的磁通方向是垂直纸面向外

B. 穿过两圆面的磁通方向是垂直纸面向里

C. φBφC DφBφC

 

 

 

 

点评:要知道一个面上的磁通量,在面积不变的条件下,也必须知道磁场的磁感线的分布情况.因此,牢记条形磁铁、蹄形磁铁、通电直导线、通电螺线管和通电圆环等磁场中磁感线的分布情况在电磁学中是很必要的.

 

 

 

磁场对电流的作用

安培力的性质和规律:

①公式F=BILL为导线的有效长度,即导线两端点所连直线的长度,相应的电流方向沿L由始端流向末端.如图所示,甲中:

甲 乙

②安培力的作用点为磁场中通电导体的几何中心;

③安培力做功:做功的结果将电能转化成其它形式的能.

【例1】如图所示,一条形磁铁放在水平桌面上在其左上方固定一根与磁铁垂直的长直导线,当导线通以如图所示方向电流时()

A. 磁铁对桌面的压力减小,且受到向左的摩擦力作用

B. 磁铁对桌面的压力减小,且受到向右的摩擦力作用

C. 磁铁对桌面的压力增大,且受到向左的摩擦力作用

D. 磁铁对桌面的压力增大,且受到向右的摩擦力作用

 

 

 

 

对导线:

 

 

 

Bx产生的效果是磁场力方向竖直向上.

By产生的效果是磁场力方向水平向左.

根据牛顿第三定律:导线对磁铁的力有竖直向下的作用力,因而磁铁对桌面压力增大;导线对磁铁的力有水平向右的作用力.因而磁铁有向右的运动趋势,这样磁铁与桌面间便产生了摩擦力,桌面对磁铁的摩擦力沿水平方向向左.

答案:C

【例2】如图在条形磁铁N极处悬挂一个线圈,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?

 

 

 

 

解析:杆的受力情况为:

 

 

 

 

 

 

 

答案:AB

 

 

 

【例5】在倾角为θ的斜面上,放置一段通有电流强度为I,长度为L,质量为m的导体棒a,(通电方向垂直纸面向里),如图所示,棒与斜面间动摩擦因数μ< tanθ。欲使导体棒静止在斜面上,应加匀强磁场,磁感应强度B最小值是多少?如果要求导体棒a静止在斜面上且对斜面无压力,则所加匀强磁场磁感应强度又如何?

 

 

 

 

∴当αβ=90°时,

 

 

2)当FN=0时,则BILmg,∴BIL=mg,由左手定则知B方向水平向左.

【模拟试题

1. 如图所示,正四棱柱abeda'b'c'd'的中心轴线oo'处有一无限长的载流直导线,对该电流的磁场,下列说法中正确的是()

A. 同一条侧棱上各点的磁感应强度都相等

B. 四条侧棱上的磁感应强度都相同

C. 在直线ab上,从ab,磁感应强度是先增大后减小

D. 棱柱内任一点的磁感应强度比棱柱侧面上所有点都大

 

 

 

 

2 一小段通电直导线长

 

 

1cm,电流强度为5A,把它放入磁场中某点时所受磁场力大小为0.1N,则该点的磁感强度为( )

A. B2T B. B≥2T C. B≤2T D. 以上三种情况均有可能

3. 如图所示边长为10的正方形闭合线圈置于磁场中,线圈ABCD两边中点连线OO/的左右两侧分别存在方向相同、磁感强度大小各为B10.6TB2=0.4T的匀强磁场。若从上往下看,线圈逆时针转过37°时,穿过线圈的磁通量改变了多少?

 

 

 

 

【试题答案

 

 

 

1. 解析:因通电直导线的磁场分布规律是B1/r,故AC正确,D错误.四条侧棱上的磁感应强度大小相等,但不同侧棱上的点的磁感应强度方向不同,故B错误.答案:AC

2. 解析:由BF/IL可知F/IL2T)当一小段直导线垂直于磁场B时,受力最大,因而此时可能导线与B不垂直,即Bsinθ2T,因而B≥2T。选B

答案:B

3. 解析:在原图示位置,由于磁感线与线圈平面垂直,因此

Φ1B1×S/2B2×S/2=(0.6×1/20.4×1/2Wb=0.5Wb

当线圈绕OO/轴逆时针转过37°后,(见图中虚线位置):

Φ2B1×Sn/2B2×Sn/2B1×(Scos37°)/2B2×(Scos37°)/20.4Wb

磁通量变化量ΔΦ=Φ2Φ1=(0.40.5Wb=0.1Wb

所以线圈转过37°后,穿过线圈的磁通量减少了0.1Wb

4. 解析:因在赤道附近带电粒子运动方向与地磁场近似垂直,而在两极趋于平行.

答案:B

5. 解析:超导体中产生的是感应电流,根据楞次定律的增反减同原理,这个电流的磁场方向与原磁场方向相反,对磁体产生排斥作用力,这个力与磁体的重力相平衡.选D

答案:D

6. 解析:由对称性可知金属棒在O点的相互作用力也为f,所以Oa边和ab边所受安培力的合力为2f,方向向右,根据左手定则可知Oa边和ab边所受安培力F1F2分别与这两边垂直,由力的合成法则可求出F1= F2=2fcos45°= fBILI= fBL

 

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