思通物理教程第十九章 電磁現(xiàn)象

第十九章電磁現(xiàn)象第一節(jié)基本概念和基本規(guī)律1.1磁場(chǎng)和磁感線1．磁體能吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的性質(zhì)叫做磁性，具有磁性的物體叫做磁體。(1)磁體上磁性最強(qiáng)的部分叫做磁極。磁體有兩個(gè)磁極。將磁體懸掛起來(lái)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，靜止后指向南的一極叫做南極，用S表示；指向北的一極叫做北極，用N表示。(2)磁極間互相作用規(guī)律：同名磁極互相排斥，異名磁極互相吸引。2．磁場(chǎng)磁體或電流周圍存在著對(duì)其他磁體發(fā)生作用的空間，這個(gè)空間叫做磁場(chǎng)。磁場(chǎng)是不同于實(shí)體物質(zhì)的一種特殊物質(zhì)。(1)磁體間的相互作用是通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行的。(2)磁場(chǎng)具有方向。規(guī)定小磁針的N極在磁場(chǎng)中的受力方向?yàn)樵撎幍拇艌?chǎng)方向。(3)磁場(chǎng)的基本性質(zhì)是對(duì)放入其中的磁體（或運(yùn)動(dòng)電荷）產(chǎn)生力的作用。(4)地磁場(chǎng)：地球本身是一個(gè)巨大的磁體，周圍空間存在著磁場(chǎng)。地磁南極在地理北極附近，地磁北極在地理南極附近。3．磁感線為了形象地描述磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中畫(huà)一些有方向的連續(xù)曲線，且任意一點(diǎn)的曲線方向都跟放在該點(diǎn)的小磁針N極所指的方向一致，這樣的曲線叫做磁感應(yīng)線，簡(jiǎn)稱磁感線。磁感線是人為引入的物理模型，并不真實(shí)存在。(1)磁感線是閉合曲線。它從磁體的N極出來(lái)，回到磁體的S極；在磁體內(nèi)部則從S極到N極，(2)磁感線上某一點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。(3)磁感線的疏密程度表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。磁感線越密的地方磁場(chǎng)越強(qiáng)；越疏的地方磁場(chǎng)越弱。(4)磁感線不會(huì)相交，否則表示在相交點(diǎn)有兩個(gè)磁場(chǎng)方向。4．磁化使原來(lái)沒(méi)有磁性的物體獲得磁性的過(guò)程叫做磁化。(l)“分子電流”假說(shuō)：在原子、分子或分子團(tuán)等微粒內(nèi)部，存在著一種環(huán)形電流——分子電流（也叫安培電流）。分子電流使每一個(gè)微粒都形成一個(gè)微小的磁體——磁分子。根據(jù)安培定則可以判斷環(huán)形電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，相當(dāng)于在它的兩側(cè)形成兩個(gè)磁極（如圖19-1所示），兩個(gè)磁極與分子電流不可分割地聯(lián)系在一起。在磁化前，分子電流的方向十分紊亂（如圖192所示），此時(shí)物體對(duì)外不顯示磁性：磁化后，分子電流的方向變得大致相同（如圖19-3所示），于是物體對(duì)外顯示磁性。因此分子電流轉(zhuǎn)向的過(guò)程就是磁鐵物質(zhì)被磁化的過(guò)程。(2)磁性物質(zhì)可以分為軟磁體和鐵磁體。軟磁體很容易被磁化，但離開(kāi)磁場(chǎng)后，磁性很容易消失；鐵磁體雖然不容易被磁化，但一旦磁化后，磁性能長(zhǎng)期保存。1.2電流的磁場(chǎng)1．奧斯特實(shí)驗(yàn)如圖19—4所示，通電直導(dǎo)線下的小磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，表明電流的周圍存在著磁場(chǎng)。它是1820年由丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特最早發(fā)現(xiàn)的，被稱為奧斯特實(shí)驗(yàn)。2．直線電流的磁場(chǎng)直線電流周圍的磁感線是一些以導(dǎo)線上各點(diǎn)為圓心的同心圓，如圖19-5所示。這些同心圓都在跟導(dǎo)線垂直的平面上，磁感線的方向可用安培定則（一）來(lái)判定：用右手握住直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流方向，那么彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向，如圖19-6所示。3．通電螺線管的磁場(chǎng)通電螺線管磁場(chǎng)的磁感線跟條形磁體的磁感線相似。通電螺線管的磁極性質(zhì)跟電流方向有關(guān)，可用安培定則（二）（又稱右手螺旋定則）來(lái)判定：用右手握住螺線管，讓彎曲的四指指向電流方向，那么大拇指所指的那端就是通電螺線管的N極（如圖197所示）。4．環(huán)形電流的磁場(chǎng)環(huán)形電流磁場(chǎng)的磁感線是一些圍繞環(huán)形導(dǎo)線的閉合曲線。在環(huán)形導(dǎo)線的中心軸線上，磁感線和環(huán)形導(dǎo)線平面垂直，環(huán)形電流的磁感線方向跟電流方向之間的關(guān)系，也可以用安培定則來(lái)判定：讓右手彎曲的四指跟環(huán)形電流的方向一致，那么伸直的大拇指所指19-8向就是環(huán)形導(dǎo)線中心軸線上的磁感線方向（如圖19—8所示）。5．電磁鐵帶有鐵心的通電螺線管叫做電磁鐵。電磁鐵磁性的強(qiáng)弱與螺線管中通過(guò)的電流強(qiáng)弱、匝數(shù)多少及有無(wú)鐵心有關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)控制電流的有無(wú)、大小和方向來(lái)決定電磁鐵磁性的有無(wú)、磁性的強(qiáng)弱和磁極性質(zhì)的變化。6．電磁繼電器電磁繼電器是利用電磁鐵制成的。電磁繼電器的作用是可以用低電壓、弱電流控制高電壓、強(qiáng)電流的電路，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱和自動(dòng)控制。圖19-9和圖19-10是電磁繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。從圖中可以看到，電磁繼電器在工作電路中起著一個(gè)電鍵的作用。在閉合電鍵5接通控制電路后，電磁鐵M有了磁性，吸引銜鐵F，帶動(dòng)觸點(diǎn)D使工作電路閉合，小燈泡L就發(fā)光了。在斷開(kāi)控制電路后，電磁鐵失去磁性，釋放銜鐵，使工作電路斷開(kāi)，小燈泡就熄滅了。1.3磁場(chǎng)對(duì)電流的作用1．磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用（安培力）磁場(chǎng)的一個(gè)重要性質(zhì)是對(duì)磁場(chǎng)中的電流有力的作用。(l)通常把通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的作用力叫做安培力。(2)實(shí)驗(yàn)表明，電流受到磁場(chǎng)力的方向與磁場(chǎng)方向和電流方向有關(guān)。(3)當(dāng)通電導(dǎo)線跟磁感線平行時(shí)，不受安培力作用。2．左手定則安培力的方向可以用左手定則來(lái)判定：伸出左手，使大拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿過(guò)手心，并使伸開(kāi)的四指指向電流的方向，那么大拇指所指的方向就是導(dǎo)線所受安培力的方向，如圖19-11所示。圖19-12是一根通電導(dǎo)線受到安培力的幾種表示方法。（說(shuō)明：對(duì)電流來(lái)說(shuō)，“×”表示電流垂直紙面向里，“．”表示電流垂直紙面向外；對(duì)磁感線來(lái)說(shuō)，“×”表示磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，“．”表示磁場(chǎng)方向垂直紙面向外。）3．磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用如圖19-13所示，將一個(gè)矩形線圈放入磁場(chǎng)中，當(dāng)接通電源讓電流流入線圈時(shí)，分析線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)情況：當(dāng)線圈在圖1913甲所示位置通電時(shí)，ab邊電流向里，cd邊電流向外，根據(jù)左手定則，ab邊受到向上的安培力作用，cd邊受到向下的安培力作用，它們共同作用在線圈上，給線圈一個(gè)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)；當(dāng)轉(zhuǎn)至圖乙所示位置時(shí)，ab邊受到向上的安培力和cd邊受到向下的安培力是一對(duì)平衡力，但由于慣性，線圈仍會(huì)繼續(xù)沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)下去，然而此時(shí)形成的力矩卻使線圈向逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，造成線圈不能在磁場(chǎng)中連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去，在圖乙位置處來(lái)回?cái)[動(dòng)幾次后，最終停留在圖乙位置處，這個(gè)位置叫做線圈的4．電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)就是利用通電線圈在磁場(chǎng)中受安培力作用而轉(zhuǎn)動(dòng)的原理制成的，它能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。通過(guò)以上分析可知，要使通電線圈在磁場(chǎng)中能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，必須在線圈通過(guò)平衡值置時(shí)，立即改變線圈中的電流方向，從而依舊使線圈受到順時(shí)針?lè)较虻牧囟掷m(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去，這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本原理。在線圈轉(zhuǎn)過(guò)平衡位置后馬上改變線圈中電流方向的任務(wù)是通過(guò)“換向片”裝置實(shí)現(xiàn)的。圖19-14是直流電動(dòng)機(jī)的工作模型，換向片由兩個(gè)彼此絕緣的半環(huán)組成，換向片1跟線圈AB邊相連，換向片2跟線圈CD邊相連，3、4為與電源連接且位置固定的電刷。如圖19-14(a)所示，繞組線圈處于圖示位置時(shí)，換向片2跟電刷4接觸，換向片1跟電刷3接觸，通電后繞組線圈中的電流是從換向片2流人，經(jīng)過(guò)線圈后，經(jīng)換向片1流出，因此線圈中的電流方向是D—C—B—A，AB與CD中的電流方向相反。此時(shí)AB邊受到一個(gè)向上的力，CD邊受到一個(gè)向下的力，繞組線圈于是沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如圖19-14(b)所示，繞組線圈轉(zhuǎn)至平衡位置時(shí)，兩電刷處于兩換向片之間的絕緣部分，沒(méi)有跟換向片接觸，此時(shí)繞組線圈中無(wú)電流通過(guò)，線圈沒(méi)有受力的作用，但繞組線圈在慣性的作用下會(huì)越過(guò)平衡位置。如圖19-14(c)所示，當(dāng)線圈越過(guò)平衡位置后，換向片1跟電刷4接觸，換向片2跟電刷3接觸，繞組線圈中的電流方向是A—B—C—D，AB與CD中的電流方向仍然相反，但此時(shí)U3邊受到一個(gè)向下的力，CD邊受到一個(gè)向上的力，繞組線圈還是沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖19-14(d)所示位置時(shí)，其情況跟圖19-14(b)所示位置相似。線圈越過(guò)平衡位置后，線圈中的電流又從換向片2流入，從換向片1流出，又回復(fù)到圖19-14(a)的情況一樣。這樣，通電繞組線圈在磁場(chǎng)的作用下，不停地順著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。1.4磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用1．洛倫茲力磁場(chǎng)對(duì)電流有力的作用，而電流是由電荷的定向移動(dòng)形成的。因此，這個(gè)力是作用在運(yùn)動(dòng)電荷上的，作用在整個(gè)通電導(dǎo)線上的力，只不過(guò)是作用在運(yùn)動(dòng)電荷上的力的宏觀表現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)電荷受到的磁場(chǎng)力，通常叫做洛倫茲力。當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，所受洛倫茲力最大，與磁場(chǎng)平行時(shí)，所受洛倫茲力為零。2.左手定則運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中的受力方向也用左手定則來(lái)判定，但是應(yīng)該注意：規(guī)定正電荷移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞣较?。電子是帶?fù)電的粒子，電子移動(dòng)方向與電流方向相反，因此若粒子帶正電，則粒子運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞣较?；若粒子帶?fù)電，則粒子運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯姆捶较颉?.5電磁感應(yīng)1．電磁感應(yīng)現(xiàn)象電和磁是緊密聯(lián)系著的兩種運(yùn)動(dòng)形式，在一定條件下，電與磁可以互相轉(zhuǎn)化。1831年英國(guó)物理學(xué)家法拉第通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，變化的磁場(chǎng)能使閉合導(dǎo)線中產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。(l)閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中產(chǎn)生電流的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)現(xiàn)象。(2)通過(guò)電磁感應(yīng)獲得的電流叫做感應(yīng)電流。2．感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件(l)用切割磁感線的方法獲得感應(yīng)電流：當(dāng)閉合電路中的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。(2)用改變磁通量的方法也能獲得感應(yīng)電流：即穿過(guò)線圈的磁感線的條數(shù)變化時(shí)，閉合線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。(3)如果導(dǎo)體不閉合，即使做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，也不會(huì)產(chǎn)生感生電流，只會(huì)在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓（即感生電壓）。3．右手定則(1)感生電流的方向跟導(dǎo)體切割磁感線的運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向都有關(guān)，其關(guān)系可以用右手定則來(lái)判定：伸開(kāi)右手，使大拇指跟其余四指相垂直，且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)，把右手放人磁場(chǎng)中，讓磁感線垂直穿過(guò)手心，使大拇指指向?qū)Ь€的運(yùn)動(dòng)方向，那么其余四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向。如圖19-15所示。(2)圖19-16所示是判定感應(yīng)電流方向的幾種表示方法。4．發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的，它是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。(1)交流發(fā)電機(jī)圖19-17是交流發(fā)電機(jī)的原理圖。在永磁體的兩磁極間有一個(gè)矩形線圈abcd，它可以繞軸OO/轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈的兩端點(diǎn)分別與銅滑環(huán)A、B焊接在一起，這部分構(gòu)成發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電路；兩滑環(huán)A、B叉分別與E、F兩個(gè)電刷做可以相對(duì)滑動(dòng)的接觸，兩電刷為外部電路的兩個(gè)端點(diǎn)。當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑環(huán)也跟著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，它通過(guò)電刷與外電路接通組成一個(gè)閉合電路。線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的ab邊和cd邊做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到與磁感線平行的平面時(shí)，由于這一時(shí)刻ab邊和cd邊的運(yùn)動(dòng)方向都跟磁感線垂直，如圖19-17(b)所示，因而此時(shí)感應(yīng)電流為最大值。當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到與磁感線垂直的平面時(shí)，由于這一時(shí)刻ab邊和cd邊的運(yùn)動(dòng)方向都跟磁感線平行，沒(méi)有做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，因而沒(méi)有感應(yīng)電流，如圖19-17(c)所示。跟磁感線垂直的這個(gè)平面叫做中性面。線圈平面每經(jīng)過(guò)中性面一次，感應(yīng)電流方向就改變一次。因此，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周，感應(yīng)電流的方向要改變兩次，這種周期性變化的電流叫做交流電。線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間就是交流電的周期，1秒內(nèi)有多少個(gè)周期就是交流電的頻率。在一個(gè)周期里，交流電的方向改變兩次。我國(guó)的家庭電路就是交流電路，它的周期為0.02秒，頻率為50赫，交流電的方向每秒改變100次。(2)直流發(fā)電機(jī)圖19-18是直流發(fā)電機(jī)的模型。要使線圈中的交變電流輸送到外部電路時(shí)方向不變，只要使滑環(huán)在電流方向改變時(shí)，自動(dòng)地變換它接觸的電刷，外部電路中的電流方向就可似固定不變。因此，只要用兩個(gè)互相絕緣的半圓環(huán)（換向器）來(lái)代替交流發(fā)電機(jī)上的兩個(gè)滑環(huán)，就制成了最簡(jiǎn)單的直流發(fā)電機(jī)。1.6變壓器1．變壓器用來(lái)改變交流電壓的設(shè)備叫做變壓器，不計(jì)任何能量損耗的變壓器叫做理想變壓器。(1)變壓器是由一個(gè)閉合鐵心和兩個(gè)繞制在鐵心上的線圈組成。如圖19-19所示，跟交流電源連接的線圈叫做原線圈，也叫做初級(jí)線圈或輸入線圈；跟用電器（負(fù)載）連接的線圈叫做副線圈，也叫做次級(jí)線圈或輸出線圈。(2)使電壓升高的變壓器叫升壓變壓器，使電壓降低的變壓器叫做降壓變壓器。2．變壓器的計(jì)算(1)變壓器工作時(shí)，原副線圈的電壓之比跟原副線圈的匝數(shù)成正比變壓器原線圈加上交流電壓U1，后，原線圈中有交流電流通過(guò)，在鐵心中產(chǎn)生交變磁通量，這一交變磁通量同時(shí)穿過(guò)副線圈，副線圈中就產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，形成輸出電壓U2。由于線圈每一圈感應(yīng)電壓是相同的，所以輸出電壓跟副線圈的匝數(shù)成正比。研究表明，變壓器原副線圈的電壓之比等于原副線圈的匝數(shù)之比，設(shè)原線圈的匝數(shù)為n1，副線圈的匝數(shù)為n2，則U1在理想變壓器中不計(jì)一切能量的損耗，因此輸入功率等于輸出功率。即P1=P2，由于P1=U1I1，P2=U2I2,所以P1=P2。于是可以得到I13．遠(yuǎn)距離高壓輸電在進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，由于輸電線長(zhǎng)，所以輸電線電阻很大，當(dāng)電流通過(guò)輸電線時(shí)，由于電流的熱效應(yīng)，輸電線要發(fā)熱，故在輸送電能的過(guò)程中一部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，損失在大氣中。根據(jù)焦耳定律Q=12Rt可知，電流發(fā)熱的多少取決于電流、電阻和通電時(shí)間。在輸電距離一定的情況下，電阻和通電時(shí)間是無(wú)法改變的，所以要減少損耗的辦法是減小輸電電流。在輸送電功率一定的條件下，根據(jù)P=I2r可知，提高輸送電壓就可以減小輸送電流，從而減小輸電線路上的損失，所以遠(yuǎn)距離輸電采用高壓輸電。在實(shí)際情況下，輸送功率在100千瓦以下，距離在幾百米以內(nèi)，一般采用220伏電壓送電；輸送功率在幾千千瓦到幾萬(wàn)千瓦，距離在幾千米到上百千米，一般采用35千伏或110千伏電壓送電；如果輸送功率為10萬(wàn)千瓦以上，距離在幾百千米，就必須采用220千伏甚至更高電壓送電。第二節(jié)思維技巧和方法指導(dǎo)2.1磁場(chǎng)方向及相互作用的規(guī)律[例1]已知條形磁體的極性如圖19-20所示，畫(huà)出小磁針在A、B兩位置靜止時(shí)的指向。[分析]要確定A、B兩點(diǎn)小磁針的指向，先要確定磁體周圍磁場(chǎng)的分布情況，即磁感線的分布和方向，才能正確地畫(huà)出磁場(chǎng)中小磁針的指向。[解笞]見(jiàn)圖19-21（涂黑的一端為小磁針的N極）。[例2]有兩根完全相同的鋼棒，一根有磁性，一根無(wú)磁性，最少可以用幾次實(shí)驗(yàn)就可將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)？[分析]條形磁體的磁性中間弱，兩端最強(qiáng)，因此可以利用磁場(chǎng)的這一分布特點(diǎn)來(lái)區(qū)分這兩根鋼棒。[解答]如圖19-22所示，用甲鋼棒的頂端去接觸乙鋼棒的中間，如果互相吸引，說(shuō)明甲的頂端有磁性，甲是磁體，乙不是磁體；如果兩者互相不吸引，說(shuō)明甲沒(méi)有磁性，乙是磁體。所以一次實(shí)驗(yàn)就可以區(qū)分開(kāi)。[點(diǎn)撥](1)為了形象地描述磁場(chǎng)，物理學(xué)中引入了磁感線（實(shí)際并不存在）。磁感線的疏密表示該處磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，磁感線的方向表示該點(diǎn)處磁場(chǎng)的方向。在磁體外部，磁感線從磁體的N極出發(fā)回到S極；在磁體內(nèi)部，磁感線從S極指向N極。磁感線都是閉合曲線。而小磁針在磁場(chǎng)中靜止時(shí)，N極的指向和該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向一致，所以用小磁針作為判斷磁場(chǎng)方向的工具。(2)任何磁體都有兩個(gè)磁極，磁體的兩端（磁極）磁性最強(qiáng)，中間幾乎沒(méi)有磁性。掌握以上兩點(diǎn)，再結(jié)合磁體之間相互作用的規(guī)律，類似例2的問(wèn)題就不難解決了。2.2安培定則的應(yīng)用[例3]根據(jù)圖19-23中通電導(dǎo)體中的電流方向判定小磁針N極的轉(zhuǎn)向或根據(jù)小磁針N極的轉(zhuǎn)向指出導(dǎo)體中的電流方向。（涂黑的一端為小磁針的N極）[分析]根據(jù)安培定則（一）可判斷通電導(dǎo)線周圍的磁感線方向，而在磁場(chǎng)中的小磁針靜止不動(dòng)時(shí)，N極的指向和磁感線的方向一致。[解答]圖(a)中，小磁針N極向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn)（垂直指向紙內(nèi)）；圖(6)中，小磁針N極向紙外偏轉(zhuǎn)（垂直指向紙外）；圖(c)中，導(dǎo)線以6中電流方向是由口一易，導(dǎo)線。d中電流方向是由d-c。[例4]圖19-24為一通電螺線管，在A點(diǎn)放一個(gè)小磁針，發(fā)現(xiàn)小磁針N極水平指向右方。(l)試判斷電源的正、負(fù)極；(2)如果在螺線管肉部的B點(diǎn)另放一個(gè)小磁針，N極指向什么方向？[分析](l)通電螺線管的磁場(chǎng)方向和電流方向之間的關(guān)系可以用安培定則（二）來(lái)判斷；(2)通電螺線管內(nèi)部小磁針的指向不宜采用同名磁極相斥、異名磁極相吸的方法判斷。內(nèi)部某點(diǎn)小磁針指向應(yīng)該與該點(diǎn)磁場(chǎng)方向一致，認(rèn)為螺線管與條形磁體相似，N極在左側(cè)，S極在右側(cè)，所以小磁針N極指右的結(jié)論是錯(cuò)誤的。[解答](l)在A點(diǎn)放一個(gè)小磁針，N極指向右方，說(shuō)明通電螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)在A點(diǎn)水平向右，螺線管左端是N極，右端為S極，根據(jù)安培定則（二），可判斷出電源的右側(cè)為正極，左側(cè)為負(fù)極。(2)通電螺線管的磁感線是封閉的曲線，外部磁感線由N極出發(fā)回到s極，而內(nèi)部磁感線由S極指向N極，即水平向左，即B點(diǎn)磁場(chǎng)方向水平向左，放在B點(diǎn)的小磁針N極應(yīng)與磁場(chǎng)方向一致，N極指向?yàn)樗较蜃?。[例5]如圖19-25所示，通電螺線管A、B套在光滑的圓柱體MN上，請(qǐng)判斷當(dāng)電鍵S閉合后，通電螺線管A、B之間的相互作用力是引力還是斥力？[分析]根據(jù)圖19-25中所示電源的正負(fù)極，通電螺線管A、B上的電流方向如圖19-26所示。利用安培定則（二）可判斷出通電螺線管A的左端為S極，右端為N極；通電螺線管B的左端為N極，右端為S極。[解答]根據(jù)磁極間相互作用規(guī)律可知，通電螺線管A、B之間的作用力為斥力。[點(diǎn)撥]以上幾例都是通過(guò)創(chuàng)設(shè)情景（圖像）把磁體之間相互作用規(guī)律、右手螺旋定則、電流方向和電源正、負(fù)極關(guān)系等知識(shí)進(jìn)行綜合考查，同時(shí)通過(guò)作圖提高手腦并用的能力。因此在解決這一類問(wèn)題時(shí)，應(yīng)先在螺線管上標(biāo)出電流方向（或N、S極的位置），然后運(yùn)用右手螺旋定則判定通電螺線管N、S極的位置（或電流方向）。這類問(wèn)題容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤是通電螺線管的N、S極不是用右手螺旋定則來(lái)判斷，而是以電源的正、負(fù)極為標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為靠近電源正極的一端為N極，靠近電源負(fù)極的一端為S極。2.3左手定則及電動(dòng)機(jī)原理[例6]兩條通電直導(dǎo)線ab、cd互相平行，又互相靠近，通人相反方向的電流時(shí)，彼此之間的相互作用力如何？[分析]如圖19-27所示，ab導(dǎo)線的磁感線是以導(dǎo)線上各點(diǎn)為圓心的同心圓，用平面圖表示如圖(a)所示，cd導(dǎo)線周圍也有與ab導(dǎo)線周圍方向相反的磁場(chǎng)，其磁感線的平面圖如圖(b)所示。還有一種分析方法，就是把它們看作是磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用問(wèn)題。把cd導(dǎo)線看作是放在ab導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)中受力的問(wèn)題，根據(jù)左手定則，cd導(dǎo)線受到問(wèn)右的作用力，如圖19-28(a)所示；同理，ab導(dǎo)線處在cd導(dǎo)線所在的磁場(chǎng)中，受到向左的磁場(chǎng)力，如圖19-28(b)所示。[解答]ab導(dǎo)線和cd導(dǎo)線相互排斥，兩條導(dǎo)線有互相遠(yuǎn)離的趨勢(shì)。[點(diǎn)撥]如果兩條導(dǎo)線中通有方向相同的電流時(shí)，彼此之間的相互作用力如何？請(qǐng)自行分析。[例7]如圖19-29所示，在蹄形磁體磁極間有一可繞Ocy軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的閉合線圈abcd，當(dāng)線圈abcd中有圖示方向的電流通過(guò)時(shí)，線圈abcd是否轉(zhuǎn)動(dòng)？如何轉(zhuǎn)動(dòng)？[分析]電流在磁場(chǎng)中是否受力及受力方向可通過(guò)左手定則來(lái)判定，而線圈如何運(yùn)動(dòng)則由線圈的受力情況來(lái)決定。[解答]根據(jù)左手定則，線圈ab邊受到的安培力垂直指向紙里，cd邊受到的安培力垂直指向紙外，即線圈受到一對(duì)力矩的作用將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。如果沿OO'軸向下看，線圈abcd將沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。[點(diǎn)撥]揚(yáng)聲器就是應(yīng)用通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到作用力這一原理制成的，它將電能轉(zhuǎn)化成聲能。揚(yáng)聲器的制作方法很簡(jiǎn)單：將細(xì)導(dǎo)線繞在錐形紙盆上，然后放置在磁場(chǎng)中。放大器輸出的電流通過(guò)線圈時(shí)，就會(huì)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作。電流的方向每秒變化20～20000次，具體取決于聲音音調(diào)的高低。由于線圈處于磁場(chǎng)中，因此它將受到磁場(chǎng)力的作用。而隨著電流方向的變化，線圈不斷被推拉，導(dǎo)致紙盆發(fā)生振動(dòng)，從而在空氣中產(chǎn)生了聲波。2.4磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用[例8]圖19-30為陰極射線管，接通電源后電子流從K射向A點(diǎn)。將它放在N、S極間的磁場(chǎng)中，發(fā)現(xiàn)電子流向下偏轉(zhuǎn)，則可以判定()A．陰極射線管的上方為N極，下方為S極。B．陰極射線管的上方為S極，下方為N極。C．陰極射線管的正前方為N極，后面為S極。D．陰極射線管的正前方為S極，后面為N極。[分析]電流方向與電子流運(yùn)動(dòng)方向相反，所以電流方向是A--K，棍據(jù)左手定則，即可知磁場(chǎng)方向。[解答]本題正確答案是選項(xiàng)C。[點(diǎn)撥]帶電粒子并非只能局限于導(dǎo)線中，它也可以在真空中運(yùn)動(dòng)，在真空中沒(méi)有空氣分子與之碰撞，所以被廣泛地應(yīng)用于電視機(jī)中的顯像管（即陰極射線管），它的工作原理主要就是電子被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)。在陰極射線管中，電場(chǎng)將電子從陰極的原子中拉出，然后通過(guò)收集、加速，使這些電子匯聚成很細(xì)的束流。通過(guò)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的控制，電子束上下左右地打在屏幕上，屏幕上的熒光物質(zhì)受到電子撞擊時(shí)就會(huì)發(fā)光，于是就產(chǎn)生了圖像。磁場(chǎng)對(duì)電子的作用力大小取決于電子的速度、磁場(chǎng)的強(qiáng)弱及電子的速度和磁場(chǎng)方向之間的夾角；而力的方向既與電子速度的方向垂直，也與磁場(chǎng)的方向垂直。不過(guò)用左手定則所確定的方向是對(duì)帶正電荷的粒子而言的，對(duì)于電子這個(gè)方向剛好相反。2.5右手定則及發(fā)電機(jī)原理[例9]如圖19-31所示，當(dāng)磁體的S極從線圈的上方插入線圈的過(guò)程中，電流表的指針是否會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)？[分析]磁體的磁感線分布如圖19-32所示。當(dāng)磁體從線圈外插入線圈的過(guò)程中，雖然導(dǎo)線沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，但由于磁體的運(yùn)動(dòng)，同樣會(huì)使線圈上的導(dǎo)線切割磁感線，因此在線圈中會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生。[解答]電流表的指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因?yàn)殚]合線圈的一都分導(dǎo)線做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。[例10]如圖19-33所示，ab為一根裸銅線，在金屬導(dǎo)軌上由左向右滑動(dòng)，此時(shí)小磁針將向什么方向轉(zhuǎn)動(dòng)？[分析]導(dǎo)線ab和金屬導(dǎo)軌及螺線管組成閉合電路，當(dāng)ab切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，其方向可用右手定則判定；而螺線管也是該閉合電路的一部分，成為通電螺線管，用安培定則判斷通電螺線管周圍的磁場(chǎng)方向，則磁場(chǎng)中某一點(diǎn)小磁針N極的指向就可以確定。[解答]ab為閉合電路的一部分，當(dāng)它向右運(yùn)動(dòng)時(shí)切割磁感線，根據(jù)右手定則，閉合電路中有感生電流產(chǎn)生，電流的方向?yàn)閍-b-c-d。而根據(jù)安培定則可判定出，通電螺線管的右端為N極，左端為S極，小磁針N極的向與該點(diǎn)磁感線方向一致，故小磁針將沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，最后靜止在圖19-34所示的位置上。[例11]圖19-35是直流兩用機(jī)。(l)當(dāng)電鍵Sl閉合、S2斷開(kāi)時(shí)，它是一個(gè)什么裝置？這時(shí)能量轉(zhuǎn)換情況如何？換向器的作用是什么？當(dāng)線圈abcd沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)燈泡的電流方向如何？(2)當(dāng)Sl斷開(kāi)、S2閉合時(shí)，線圈abcd將如何轉(zhuǎn)動(dòng)？此時(shí)表示是什么裝置？能量如何轉(zhuǎn)化？換向器的作用是什么？[分析]直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和直流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造相同，同一電機(jī)，既可以作為發(fā)電機(jī)，又可以作為電動(dòng)機(jī)。當(dāng)外力使該電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它是發(fā)電機(jī)，但線圈中隨之產(chǎn)生的感應(yīng)電流受到的安培力作用要使線圈向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)外界有電流輸入時(shí)，它是電動(dòng)機(jī)，當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，必然產(chǎn)生與輸入電流相反的感應(yīng)電流。[解答](l)當(dāng)S1閉合、S2斷開(kāi)時(shí)，這時(shí)電路中沒(méi)有其他電源裝置，它相當(dāng)于一個(gè)發(fā)電機(jī)。能量轉(zhuǎn)換是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)電流流過(guò)電燈時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能。當(dāng)線圈順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，ab邊向上運(yùn)動(dòng)，cd邊向下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)右手定則判定線圈中的電流方向?yàn)閍bcd，這時(shí)流過(guò)燈泡的電流方向?yàn)閎'-a'。當(dāng)線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至與磁感線相垂直的平面再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，ab邊向下運(yùn)動(dòng)，cd邊向上運(yùn)動(dòng)，線圈中的電流方向?yàn)閐cba，但經(jīng)過(guò)換向器后流過(guò)燈泡的電流仍為b'-a'，換向器的作用是變交流為直流，保持流過(guò)燈泡的電流方向不變。(2)當(dāng)S1斷開(kāi)、S2閉合時(shí)，線圈abcd與電源相連，流過(guò)線圈的電流方向?yàn)閍bcd，根據(jù)左手定則判定ab邊受到的安培力向下，cd邊受到的安培力同上，因此線圈將沿逆時(shí)針?lè)较蚶@軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。換向器的作用是當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過(guò)平衡位置時(shí)，改變線圈中的電流方向，使線圈能夠連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。[點(diǎn)撥]從以上例題可以看出發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)幾乎相同，但能量的轉(zhuǎn)化情況正好相反。發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，而電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。如圖19-36所示，若將兩個(gè)半圓環(huán)換成兩個(gè)圓環(huán)，則在外力的作用下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向隨時(shí)間和位置而循環(huán)變化，所