通电导线在磁场中会受到力。这个力同时垂直于磁场和电流,方向由弗莱明左手定则(Fleming’s left-hand rule)得出。磁场更强、电流更大,或在磁场中的导线更长,力都会增大。
这项技能出现在磁性与磁场单元,也是电动机的基础,所以会考方向,也会考“什么会改变”。
为什么电流会受力?
电流会在导线周围产生自己的圆形磁场(见画磁场图样)。这个磁场与磁铁的磁场相互作用。导线一侧两个磁场叠加,另一侧部分抵消,于是导线被推向较弱的一侧。
在 IGCSE 阶段你只需要掌握结果,不必记磁场叠加的图景:方向用手的定则判断,大小按可预测的方式变化。
怎样使用弗莱明左手定则?
- **用左手。**把拇指、食指和中指伸成互相垂直。
- **食指:磁场。**指向磁场方向,从北极到南极。
- **中指:电流。**指向常规电流方向,从正到负。
- **拇指:力。**它现在指向导线被推的方向。
如果你转动手掌去配合磁场和电流,拇指总会落在力的方向上。不要想让手保持一个固定姿势。
什么会改变力的大小?
对于垂直于匀强磁场的导线,力随更强的磁场、更大的电流和更长的磁场中导线长度而增大。其中任何一项为零,力就为零。
把电流反向或把磁场反向,力的方向都会调转。两者同时反向,方向则保持不变。
完整例题
一根导线通有 2.0 A 的电流,垂直于匀强磁场,所受的力是 0.030 N。(编造的数据。)
(a) 如果电流变成 3.0 A,其他不变,力是多少?
力与电流成正比。
0.030 N ÷ 2.0 A = 每安培 0.015 N。在 3.0 A 时,力是 0.015 × 3.0 = 0.045 N。检查:电流变为原来的 1.5 倍,0.030 × 1.5 = 0.045。
(b) 电流仍为 2.0 A,但把磁铁换成磁场强度减半的磁铁。力是多少?
磁场减半,力也减半:0.030 ÷ 2 = 0.015 N。
(c) 磁场向右(北极在左),电流从纸面向外。力朝哪个方向?
食指向右,中指向外(出纸面)。
拇指指向页面的上方。与前面的例子对照:同样的磁场、电流进入纸面时力向下,所以电流出纸面时必须相反,也就是向上。两个答案一致。
要小心的错误
常见的失误是用了右手,或者用了电子流动的方向。
**错误答案:**学生用电子流动方向作为中指方向,得到力向下,而正确答案应该是向上。
中指的方向必须是常规电流。
改正的方法是从电池读出电流方向:正到负。然后用左手。如果你的答案与快速检查矛盾,例如反转某一项应该使力反向,请重新检查电流方向。
自我检测
1. 磁场中的一根导线在 4.0 A 时受力 0.12 N。其他不变,在 1.0 A 时力是多少?
显示答案
电流是原来的四分之一,所以力也是四分之一:0.12 ÷ 4 = 0.030 N。
2. 电流和磁场同时反向。力的方向会怎样?
显示答案
方向不变。反转其中一个会使力调转,反转第二个又把它转回来。
3. 一根导线与磁感线方向一致。受力是多少?
显示答案
**零。**垂直时力最大,平行于磁场时为零。
接下来学什么
磁性测试那一课会在解读题中用到这些概念,之后电磁感应与变压器单元会把这个概念反过来使用。可以用练习集做混合题。
手的定则容易记住,却不容易每次都用对。我们的老师可以在线上一对一物理补习中陪你练习。