书城童书青少年应该知道的力
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第21章 左手定则的应用——安培力

磁场具有方向性,而且强弱不同。实际上,磁场与电场强度非常相似。如果要研究磁场的强弱,最好从分析电流在磁场中的受力情况开始,然后找出表示磁场强弱的物理量。

通常情况下,磁场对电流的作用力也就是安培力。由于法国物理学家安培(1775~1836年)在研究磁场对电流的作用力这一方面做出了杰出的贡献,故名。

电流为I、长为L的直导线,在匀强磁场B中,通电导线所受到的安培力可以表示为F=ILBsinθ,这里的θ角指的是电流方向与磁场方向之间的夹角,指的是电流方向与磁场方向之间存在的夹角。一般情况下,由左手定则判断安培力的方向。对于一个任意形状的电流受到非匀强磁场的作用力而言,在这种情况下,可以将电流分解为许多段电流元I△L,我们可以将每段电流元处的磁场B视为匀强磁场,它所受的安培力为△F=I△LBsinθ,这样一来,我们只需将许多安培力加起来,就可以得到整个电流受的力。

在这里,值得注意的是,当电流方向与磁场方向相同或相反的时候,即θ为0°或180°时,电流不受磁场力作用。当电流方向与磁场方向垂直的时候,电流所受的安培力最大为F=ILB。

从实质上来说,安培力是形成电流的定向移动的电荷所受洛伦兹力的合力。大量的实验证明,磁场对运动电荷有力的作用。同样的道理,如果电荷的运动方向与磁场垂直,是不会受洛伦兹力作用的。如果电流方向与磁场平行,那么电荷的定向移动方向同样也与磁场方向平行,即所受的洛伦兹力为零,安培力也为零。

力的方向与粒子的运动方向垂直,洛伦兹力是不做功的。这一结论是这样计算出来的,α=90°,功的公式为W=FScosα,cos90°=0,由此可知W=0.由于安培力与导线的运动方向并不一定垂直,与导线中的电流方向垂直,因此常常会遇到大多是在同一直线上的情况,因此安培力做功不为零。

1.左手定则

通常情况下,直导线在磁场中受到的安培力的方向是以左手定则判定的。做法是这样的:伸开左手,让磁感线穿过手心,四指指向为电流方向,大拇指所指的方向即安培力方向。

2.安培力的重要意义

安培力的发现,一方面进一步指出了电与磁的相互联系,另一方面它本身具有很高的应用价值,例如电动机的工作原理、电磁炮等等。由此可见,安培力对人类起着非常重要的作用。