大學物理課件-磁場對載流導線的作用

磁場對載流導線的作用本章將探討磁場對載流導線的力學作用，以及相關的物理定律和應用。by什么是磁場？指南針指南針是磁場最早的應用之一。磁鐵磁鐵會吸引鐵質(zhì)物體，說明磁鐵周圍存在磁場。地球磁場地球本身就是一個巨大的磁體，擁有自己的磁場。磁場的基本特性無形磁場是一種看不見摸不著的物理現(xiàn)象。它通過磁力對其他物體產(chǎn)生影響，如磁鐵或載流導體。有方向磁場有方向，通常用磁感應線表示。磁感應線從磁體的北極出發(fā)，指向南極。磁感應線的方向代表磁場的方向。可疊加多個磁場可以疊加在一起，形成一個新的磁場。疊加后的磁場方向和大小取決于各個磁場的方向和大小。磁場的表示方式磁場可以用以下兩種方式表示：磁感應強度矢量磁感應線磁感應強度矢量是一個向量，它的大小表示磁場的強度，方向表示磁場的方向。磁感應線是一組曲線，它們的方向在每一點都與磁場的方向一致。磁感應線的疏密程度反映了磁場的強弱。磁感應強度的定義定義磁感應強度是用來描述磁場強弱程度的物理量，表示磁場對放入其中的磁體或載流導體所施加作用力的強弱程度。單位磁感應強度的單位為特斯拉(T)，1T=1N/A·m。磁感應強度的計算1安培定律利用安培定律計算閉合回路上的磁感應強度積分2畢奧-薩伐爾定律計算電流元產(chǎn)生的磁感應強度3疊加原理將電流元產(chǎn)生的磁感應強度疊加起來磁感應強度可以利用安培定律、畢奧-薩伐爾定律和疊加原理來計算，這些定律是計算磁場的基礎，也是理解磁場的重要理論。磁感應線的概念磁場方向磁感應線方向代表了磁場方向。磁場強弱磁感應線密度表示了磁場強弱，密度越大，磁場越強。閉合曲線磁感應線是閉合曲線，從磁體的N極出發(fā)，回到磁體的S極。磁感應線的特點方向磁感應線的方向表示磁場的方向，即小磁針在該點靜止時N極所指的方向。不閉合磁感應線不是封閉曲線，它們從磁體的N極出發(fā)，終止于S極。不相交在同一空間中，磁感應線不會相交，因為磁場在某一點只有一個方向。疏密磁感應線的疏密反映了磁場的強弱，磁感應線密集的地方磁場較強，稀疏的地方磁場較弱。電流對磁場的作用1磁場力電流產(chǎn)生的磁場會與外部磁場相互作用。2磁力線磁場力的方向垂直于電流方向和磁場方向。3安培力電流對磁場的作用力被稱為安培力。安培環(huán)路定律電流產(chǎn)生磁場電流會產(chǎn)生磁場，磁場的方向由右手螺旋定則決定。環(huán)路積分沿著閉合回路繞磁場方向積分，等于該回路所包圍電流的代數(shù)和。導線中通電產(chǎn)生的磁場當電流通過導線時，導線周圍會產(chǎn)生磁場。磁場的方向可以用右手螺旋定則來確定：將右手握住導線，大拇指指向電流方向，則四指指向磁場方向。洛倫茲力的概念磁場對運動電荷的作用力洛倫茲力是磁場對運動電荷的作用力，它的大小與電荷的電量、速度的大小和磁感應強度成正比，方向由左手定則決定。洛倫茲力公式F=qvBsinθ，其中F為洛倫茲力，q為電荷量，v為電荷的速度，B為磁感應強度，θ為速度方向和磁場方向之間的夾角。洛倫茲力的作用方向1左手定則伸開左手，使磁感線穿入掌心，四指指向電流方向，則拇指所指方向即為洛倫茲力的方向。2右手定則伸開右手，使磁感線穿入掌心，四指指向電流方向，則拇指所指方向即為洛倫茲力的方向。3右手螺旋定則用右手握住導線，使四指指向電流方向，則大拇指所指方向即為磁場方向。載流導線在磁場中的受力分析1磁場力的方向由左手定則判斷，伸開左手，使磁感線穿過手心，四指指向電流方向，則拇指所指的方向即為磁場力方向。2磁場力的大小磁場力的大小與磁感應強度、電流大小、導線長度成正比，與導線與磁場方向的夾角的正弦成正比。3受力分析根據(jù)磁場力的方向和大小，可以分析出導線在磁場中所受的合力，并判斷導線的運動趨勢。載流導線在磁場中的平衡條件1合力為零當載流導線受到的磁場力和重力大小相等，方向相反時，導線處于平衡狀態(tài)。2力矩為零當載流導線受到的磁場力和重力產(chǎn)生的力矩大小相等，方向相反時，導線處于平衡狀態(tài)。3穩(wěn)定性平衡狀態(tài)可以是穩(wěn)定的，也可以是不穩(wěn)定的。穩(wěn)定的平衡狀態(tài)是指當導線偏離平衡位置后，會自動恢復到平衡位置。直流電動機的工作原理磁場電動機內(nèi)部有固定磁場。線圈通電線圈放在磁場中，會受到力的作用。旋轉(zhuǎn)線圈旋轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，輸出機械能。交流電動機的工作原理1旋轉(zhuǎn)磁場交流電通過定子繞組，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場會與轉(zhuǎn)子上的磁場相互作用。2轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的磁場受到定子旋轉(zhuǎn)磁場的吸引，使其轉(zhuǎn)動。3能量轉(zhuǎn)換交流電能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動電動機工作。發(fā)電機的工作原理磁場發(fā)電機使用一個強大的磁場來產(chǎn)生電力。線圈一個導體線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)。感應電流線圈的運動在導體中產(chǎn)生感應電流。輸出電力感應電流通過外部電路，產(chǎn)生電力。電磁感應的概念變化的磁場當穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，閉合電路中就會產(chǎn)生感應電流。感應電流感應電流的方向由楞次定律決定，它總是阻礙引起感應電流的磁通量變化。感應電動勢感應電流產(chǎn)生的原因是電路中產(chǎn)生了感應電動勢，它的數(shù)值與磁通量變化率成正比。法拉第電磁感應定律磁通量變化當穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，電路中就會產(chǎn)生感應電流。感應電動勢感應電流產(chǎn)生的原因是感應電動勢，其大小與磁通量變化率成正比。方向感應電流的方向由楞次定律決定，即感應電流的方向總是阻礙引起它產(chǎn)生的磁通量變化。自感與互感的概念自感當電路中的電流發(fā)生變化時，電路本身會產(chǎn)生一個感應電動勢，這個現(xiàn)象稱為自感。互感當兩個線圈相互靠近時，其中一個線圈中的電流變化會在線圈中產(chǎn)生感應電動勢，這種現(xiàn)象稱為互感。自感與互感的應用自感在電子電路中廣泛應用于各種電感器，例如濾波器、振蕩器、延遲線等?；ジ袆t是變壓器工作原理的基礎，變壓器可以改變交流電壓，在電力傳輸中發(fā)揮重要作用。自感和互感也應用于無線電傳輸中，例如天線、無線電接收器等。變壓器的工作原理1電磁感應利用電磁感應原理將交流電從一個電路傳遞到另一個電路。2磁芯鐵芯或鐵氧體材料，用于增強磁場。3線圈繞在磁芯上的線圈，用于產(chǎn)生和感應磁場。變壓器利用電磁感應原理改變交流電的電壓和電流。通過改變線圈的匝數(shù)，可以改變感應電壓的大小。變壓器由兩個線圈繞在一個共同的磁芯上，一個線圈稱為原線圈，另一個線圈稱為副線圈。當交流電通過原線圈時，會產(chǎn)生變化的磁場，這個磁場會穿過副線圈，并在副線圈中感應出交流電。根據(jù)電磁感應定律，感應電壓的大小與線圈的匝數(shù)成正比，也就是說，副線圈的匝數(shù)越多，感應電壓就越高。變壓器的效率分析100100%理論上9090%實際中電磁鐵的工作原理1電流產(chǎn)生磁場當電流流過導線時，會產(chǎn)生磁場。2磁場集中通過將導線繞成線圈，可以將磁場集中在中心區(qū)域。3鐵芯增強磁場在中心區(qū)域放置鐵芯，可以極大地增強磁場強度。電磁鐵的應用1電機電磁鐵是電機中不可或缺的一部分，它們用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。2揚聲器揚聲器中的電磁鐵可以將音頻信號轉(zhuǎn)換為振動，從而發(fā)出聲音。3磁懸浮列車磁懸浮列車利用電磁鐵產(chǎn)生強大的磁力，使列車懸浮在軌道上方，從而實現(xiàn)高速行駛。磁性材料的種類鐵磁材料鐵磁材料具有很強的磁性，例如鐵、鈷、鎳等。亞鐵磁材料亞鐵磁材料的磁性比鐵磁材料弱，例如磁鐵礦。順磁材料順磁材料在磁場中會被弱磁化，例如鋁、鉑等?？勾挪牧峡勾挪牧显诖艌鲋袝蝗醮呕?，但磁化方向與外磁場方向相反，例如水、銅等。磁性材料的性能磁導率磁導率是衡量材料導磁能力的指標，反映了磁性材料對磁場的敏感程度。飽和磁化強度飽和磁化強度是材料被磁化到最大程度時所能達到的磁化強度。矯頑力矯頑力是指將磁化后的材料恢復到零磁化狀態(tài)所需的磁場強度，反映了材料保持磁化狀態(tài)的能力。磁性材料的應用電子設備磁