第一章 安培力与洛伦兹力——1.磁场对通电导线的作用力

问题：当导体棒中有电流流过时,导体棒就会因受力而发生运动。这个力的方向该如何判断?它的大小除了与磁感应强度有关外,还与哪些因素有关?
在必修课中,我们已经知道了磁场对通电导线有作用力,并从这个现象入手定义了物理量——磁感应强度B。安培在研究磁场与电流的相互作用方面作出了杰出的贡献,为了纪念他,人们把通电导线在磁场中受的力称为安培力,把电流的单位定为安培。

一、安培力的方向
把一段导体棒悬挂在蹄形磁铁的两极间,通以电流。研究安培力的方向与哪些因素有关。
实验现象表明,通电导体棒受力方向与磁场方向、电流方向有关。你能尝试把各种情况下三者的方向画出来,进行归纳分析,找到规律吗？
众多事实表明,通电导线在磁场中所受安培力的方向与电流方向、磁感应强度的方向都垂直。安培力的方向可用以下方法判定:伸开左手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一个平面内;让磁感线从掌心垂直进入,并使四指指向电流的方向,这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。这就是判定通电导线在磁场中受力方向的左手定则。
磁场、安培力的问题,在很多方面都与电场、库仑力的问题相似。然而,安培力要比库仑力复杂。研究库仑力时,受力的物体是点电荷,点电荷受力的方向与电场的方向相同或相反;但在研究安培力时,受力的物体是通电导线,通电导线受力的方向与磁场的方向、电流的方向不但不在一条直线上,而且不在一个平面里。因此,研究安培力的问题要涉及三维空间。

二、安培力的大小
在必修的学习中我们已经知道,垂直于磁场B的方向放置的长为的一段导线,当通过的电流为I时,它所受的安培力
F=IlB
其中F、电流I、导线长度l、磁感应强度B的单位分别为牛顿(N)、安培(A)、米(m)、特斯拉(T)。
当磁感应强度B的方向与通电导线的方向平行时，导线受力为0。
若磁感应强度B的方向与电流方向成θ角,根据矢量的运算法则,B可以分解为与电流方向垂直的分量B⊥和与电流方向平行的分量B//。
B⊥= Bsinθ
B//= Bcosθ
其中B//对通电导线没有作用力,导线所受的安培力只是B⊥产生的。由此得到
F= IlBsinθ
这就是一般情况下安培力的表达式。

三、磁电式电流表
我们实验中常用的磁电式电流表的结构,它所依据的物理学原理就是通电线圈因受安培力而转动。
磁电式电流表最基本的组成部分是磁体和放在磁体两极之间的线圈。当电流通过线圈时,导线受到安培力的作用。由左手定则可以判定,线圈左右两边所受的安培力的方向相反,于是安装在轴上的线圈就要转动。
线圈转动时,螺旋弹簧变形,以反抗线圈的转动。电流越大,安培力就越大,螺旋弹簧的形变也就越大,线圈偏转的角度也越大,达到新的平衡。所以,从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小。
从前面的分析可知,安培力总与磁感应强度的方向垂直。电流表的两磁极装有极靴,极靴中间还有一个用软铁制成的圆柱。这样,极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向。线圈无论转到什么位置,它的平面都跟磁感线平行,线圈左右两边所在之处的磁感应强度的大小都相等。
线圈中的电流方向改变时,安培力的方向随着改变,指针的偏转方向也随着改变。所以,根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向。
磁电式电流表的优点是灵敏度高、可以测出很弱的电流;缺点是线圈的导线很细,允许通过的电流很弱(几十微安到几毫安)。如果要用它测量较大的电流,就要根据在必修第三册中学到的方法扩大其量程。