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两个环形导线通电时,其相互作用较为复杂,不少学生对这此理解较为困难。下面,笔者就用微分和等效两种思想来分析环形电流间的相互作用。
一、微分思想
为了更加方便地分析环形电流间的相互作用,笔者先分析平行通电直导线之间的相互作用。如图1甲所示,导线A和B平行且通同向电流。导线A产生的磁场对导线B有力的作用,而对自身没有力的作用。先用安培定则判断B所在区域的磁场方向,再用左手定则判断B的受力方向(向左)。同理可以判断导线A受到导线B的作用力方向(向右)。由此可判断AB两导线相互吸引。当然知道导线B的受力方向后,也可由牛顿第三定律判断导线A的受力方向(作用力与反作用力)。同理可以判断两平行导线通反向电流时的相互作用(如图1乙所示)。
1.单个通电圆环的受力情况
单个圆环通电时已不能看成一个质点来分析。如图2所示,环中通逆时针方向的电流。把环看成由无数个电流元组成,每个电流元产生磁场的磁感线是以该电流元为圆心的同心圆,这些同心圆都在跟电流元垂直的平面上,那么,该磁场便会对与其在同一平面上的电流元有力的作用,即对与其对称的电流元有力的作用。如图中电流元A产生的磁场对电流元B有力的作用,且只对B有力的作用,因为环上只有电流元B在与电流元A垂直的同心圆的平面上。由安培定则可以判断电流元A在电流元B处的磁场方向垂直纸面向外,再由左手定则可判断电流元B的受力方向沿纸面垂直电流元向外。同理可以判断环上各点均受到沿纸面垂直圆环向外的安培力。综合上述,环有向外扩张的趋势。
2.两平行通电圆环的受力情况
如图3所示,相同的圆环A和B竖直平行放置且通同向电流。由安培定则可描出环A产生的磁感线分布情况(如图4)。那么,环A产生的磁场对环B将产生怎样的影响呢?我们可以把环B看成由无数个电流元组成,每个电流元都要受到环A的作用。
为了方便研究问题,以B环最底端的电流元M为研究对象,该电流元的电流方向垂直纸面向内。先找出环A在M处的磁场方向(即磁感线上M点切线方向),再由左手定则判断出电流元M受力情况(如图5所示)。将该力沿水平方向和竖直方向分解为F2与F1。F2的作用使电流元M靠近环A(即电流元M被环A吸引),F1的作用使环B扩张。
也可以先将磁感应强度B沿水平方向和竖直方向分解为B1与B2(如图6所示),再由左手定则分别判断出B1与B2产生的力F2与F1。
这种方法不仅适用于单个圆环,还适用于分析多个环之间的作用力。举一例来说明,我们可以把图3中的两环中在同一平面上的四个竖直方向的电流元E,F,P,Q等效成四根竖直放置的平行直导线,环A等效成导线A1和A2,环B等效成导线B1和B2(如图8所示)。以导线B1(电流元P)为研究对象,它受到导线A1,A2,B2的作用力分别为F1,F2,F3。将F2沿水平方向(x轴)和垂直纸面方向(y轴)分解为F2x与F2y。从图中可以看出导线A1对B1吸引,导线A1对B1水平向右排斥(力F2x)且垂直纸面向外排斥(力F2y)。由于A1B1间距离小于A2B1间距离,所以力F2x小于F1,故导线A1和A2对B1仍然吸引。导线B2对B1也是垂直纸面向外排斥。
综合上述,两通电圆环相互吸引且有扩张趋势。
如果只需讨论两环是吸引还是排斥,还可以把环形电流等效成小磁针。安培分子电流假说就把分子电流等效成小磁体。这样运用安培定则便可将环A和环B等效为如图9所示的两个磁针。从图上可以看出磁针A的N极正对着磁针B的S极,故两磁针相互吸引,即两环相互吸引。
微分和等效是中学物理中两种重要的解题思想。深刻理解这两种思想不仅对学习高中物理有很大促进作用,还能为大学学习打下基础。
一、微分思想
为了更加方便地分析环形电流间的相互作用,笔者先分析平行通电直导线之间的相互作用。如图1甲所示,导线A和B平行且通同向电流。导线A产生的磁场对导线B有力的作用,而对自身没有力的作用。先用安培定则判断B所在区域的磁场方向,再用左手定则判断B的受力方向(向左)。同理可以判断导线A受到导线B的作用力方向(向右)。由此可判断AB两导线相互吸引。当然知道导线B的受力方向后,也可由牛顿第三定律判断导线A的受力方向(作用力与反作用力)。同理可以判断两平行导线通反向电流时的相互作用(如图1乙所示)。
1.单个通电圆环的受力情况
单个圆环通电时已不能看成一个质点来分析。如图2所示,环中通逆时针方向的电流。把环看成由无数个电流元组成,每个电流元产生磁场的磁感线是以该电流元为圆心的同心圆,这些同心圆都在跟电流元垂直的平面上,那么,该磁场便会对与其在同一平面上的电流元有力的作用,即对与其对称的电流元有力的作用。如图中电流元A产生的磁场对电流元B有力的作用,且只对B有力的作用,因为环上只有电流元B在与电流元A垂直的同心圆的平面上。由安培定则可以判断电流元A在电流元B处的磁场方向垂直纸面向外,再由左手定则可判断电流元B的受力方向沿纸面垂直电流元向外。同理可以判断环上各点均受到沿纸面垂直圆环向外的安培力。综合上述,环有向外扩张的趋势。
2.两平行通电圆环的受力情况
如图3所示,相同的圆环A和B竖直平行放置且通同向电流。由安培定则可描出环A产生的磁感线分布情况(如图4)。那么,环A产生的磁场对环B将产生怎样的影响呢?我们可以把环B看成由无数个电流元组成,每个电流元都要受到环A的作用。
为了方便研究问题,以B环最底端的电流元M为研究对象,该电流元的电流方向垂直纸面向内。先找出环A在M处的磁场方向(即磁感线上M点切线方向),再由左手定则判断出电流元M受力情况(如图5所示)。将该力沿水平方向和竖直方向分解为F2与F1。F2的作用使电流元M靠近环A(即电流元M被环A吸引),F1的作用使环B扩张。
也可以先将磁感应强度B沿水平方向和竖直方向分解为B1与B2(如图6所示),再由左手定则分别判断出B1与B2产生的力F2与F1。
这种方法不仅适用于单个圆环,还适用于分析多个环之间的作用力。举一例来说明,我们可以把图3中的两环中在同一平面上的四个竖直方向的电流元E,F,P,Q等效成四根竖直放置的平行直导线,环A等效成导线A1和A2,环B等效成导线B1和B2(如图8所示)。以导线B1(电流元P)为研究对象,它受到导线A1,A2,B2的作用力分别为F1,F2,F3。将F2沿水平方向(x轴)和垂直纸面方向(y轴)分解为F2x与F2y。从图中可以看出导线A1对B1吸引,导线A1对B1水平向右排斥(力F2x)且垂直纸面向外排斥(力F2y)。由于A1B1间距离小于A2B1间距离,所以力F2x小于F1,故导线A1和A2对B1仍然吸引。导线B2对B1也是垂直纸面向外排斥。
综合上述,两通电圆环相互吸引且有扩张趋势。
如果只需讨论两环是吸引还是排斥,还可以把环形电流等效成小磁针。安培分子电流假说就把分子电流等效成小磁体。这样运用安培定则便可将环A和环B等效为如图9所示的两个磁针。从图上可以看出磁针A的N极正对着磁针B的S极,故两磁针相互吸引,即两环相互吸引。
微分和等效是中学物理中两种重要的解题思想。深刻理解这两种思想不仅对学习高中物理有很大促进作用,还能为大学学习打下基础。