电流能使指南针偏转,磁场也能使载流导线移动、使带电束转弯。先看实验中方向之间的关系,再把力用于电动机和粒子运动。
1. A simple experiment
把运动带电粒子束放入磁场,束流可以偏转。反转场方向或电荷符号,偏转方向也反转;速度平行场时,磁力为零。磁力垂直速度,因此只由磁力造成的运动改变方向,不改变速率。
这与电力不同:电力可以沿速度方向做功。磁场的作用必须同时知道电荷、速度与场,不能只知道磁场向哪边就确定粒子受力。
2. Magnetic force on current-carrying wires
许多漂移电荷所受磁力传给导体,均匀场中的直导线段满足
\[F_B=ILB\sin\theta.\]
\(L\) 是处在场中的导线长度,\(\theta\) 是电流方向与场的夹角。用正电荷运动方向作右手判断,力垂直电流与磁场;平行时无磁力,垂直时最大。
两根平行长导线各自产生磁场再作用于另一根,电流同向时相吸、反向时相斥。它们不是因为导线带大量净电荷才互相作用。电源与外部装置提供机械运动所需能量,不能据此说磁场给每个电荷做了正功。
3. Magnetic field strength
磁感应强度大小可以通过磁力响应比较:导线垂直磁场时 \(B=F_B/(IL)\)。这是一种操作性的测量关系,不表示磁场必须由被测导线自身产生。
一个运动电荷也会产生磁场,方向与电荷速度和观察点相对位置有关;沿运动方向附近与垂直运动方向附近的场响应不同。定性判断时保留这两个方向,不能把运动电荷的磁场画成像静止点电荷电场那样的径向箭头。
把“谁产生场”和“谁在场中受力”分开,才能正确应用叠加。下一部分把一对导线力组合成力矩。
4. Electric motors
线圈两侧电流相反,在磁场中受到相反的磁力,形成转动力矩。\(N\) 匝、面积 \(A\) 的线圈,若法线与场夹角为 \(\phi\),力矩大小为 \(\tau=NIAB\sin\phi\)。
线圈法线平行场时力矩为零,垂直场时最大。适当的换向装置使线圈越过关键位置后仍能继续沿同一方向转动。电动机把电源提供的电能转为机械能,同时还有线圈发热等损耗。
转动中的线圈也会产生反电动势,限制电流,这将在感应一课解释。先把导线中电荷的磁力单独写出来。
5. Magnetic force on moving charges
带电粒子的磁力大小为
\[F_B=|q|vB\sin\theta.\]
方向先对正电荷用右手判断,负电荷取反。速度垂直均匀场、只有磁力时,磁力提供向心作用,\(|q|vB=mv^2/r\),所以 \(r=mv/(|q|B)\)。速率保持不变,轨迹转弯;速度有沿场分量时,沿场运动不受这项磁力,轨迹可以成为螺旋。
电场和磁场可以同时作用。若两个力方向相反且相消,粒子不偏转,垂直交叉场中的选速条件为 \(v=E/B\)。载流导体横向电荷分离形成 Hall 霍尔效应,直到电力与磁力平衡。
运动电荷产生磁场,磁场改变运动方向。下一课再加入时间变化,看看变化的磁通怎样推动电荷流动。