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1关于电磁力方向的解析电磁学是物理学的一个重要组成部分,电磁学科技的应用大大改变了人类的生活。其中关于电磁力的研究有很多,此文谈谈我个人对电磁力方向的理解。先简述一下已经学过的基础知识。电和磁,都是物体表现出来的两大属性。其中,电是基本属性,磁是因电而产生的。电荷有正负两种性质之分,同性相斥,异性相吸。电荷之间的相互作用,是通过电场力来实现的。人们规定,用电力线来表示电场强度和方向,电场强度越大的地方,电力线越密集;从正电荷到负电荷的方向为电力线的方向。宏观物体的磁极有 N 极(北极)和 S 极(南极)之分,人们规定用磁力线来表示磁场强度和方向,磁场强度越大的地方,磁力线越密集;磁体外部从 N 极到 S 极的方向为磁力线的方向,磁体内部的磁力线方向则是从 S 极回到 N 极。磁力线都是闭合的。静止的电荷具有电场,而移动的电荷既有电场又有磁场。以下是我的理解。规律一:移动电荷所产生的磁场,其方向是与移动方向相垂直的、并且围绕电荷自身的一个螺旋形磁场。这是单根通电导线产生磁场的原理,可用右手螺旋定则判定磁场方向。规律二:磁场的磁力线,都力图走磁阻最小的路线。 (与电流都力图走电阻最小的路线相似) 。铁磁类物质的磁阻比空气小得多。同一类介质的磁阻,路线越短,磁阻越小。磁场之间相互作用时,同一空间的磁力线方向一致,则磁阻最小;若磁力线方向相反,互相抵触,则磁阻很大。上述两个规律,是一切电磁力作用的基本规律,分析电动力(安培力)方向、电磁感应方向、洛仑兹力方向等问题时,都能以这两个规律为基础去推导出结论。当正电荷在匀强磁场中,与磁力线垂直的平面内移动,磁力线的方向自上而下,那么,正电荷在移动过程中,就会持续往左偏移。这是洛仑兹力的定律。现在说洛仑兹力的方向原理,如图 1 所示,正电荷在磁力线自上而下的匀强磁场中水平向里面运动,它自身产生的磁场,是与移动方向垂直的、并且围绕它自身的一个圆周。从外往里看,磁力线的方向为顺时针方向,因此正电荷左边的磁力线往上,与外磁场的磁力线相反;右边的磁力线往下,与外磁场的磁力线相同。正电荷左边的外磁场的磁力线因为遇到电荷产生的反向磁力线,磁阻较大,就会改道,沿着电荷的磁场方向,绕到右边下行,形成一条弯曲的路线。由于磁场自身要力图2减小磁阻,所以这部分改道的磁力线会力图拉直,结果就是把正电荷向左边推移。所以正电荷会往左偏移。由洛仑兹力的方向,可推导出电动力(通电导体在磁场中受力运动)方向和电磁感应的方向。通电导体水平处在磁力线自上而下的磁场中,如果正电荷向前移动(负电荷则是向后移动) ,由于洛仑兹力,它们会集体向左偏移,所以导体向左运动,这就是左手定则。当这个导体不通电,而是由外力驱使导体向右运动时,相当于导体中的正电荷也在向右移动,根据前述规律,正电荷会向运动方向的左方偏移,因而正电荷会从导体的外端向里端流动,所以感应电流的方向是从外端向里端流动,这就是电磁感应的右手定则。 (实际金属中的导电粒子主要是自由电子,而不是正电荷,但由于我们规定正电荷集体定向移动的方向为电流方向,所以按正电荷讨论。如果按照负电荷应用上述规律时,则负电荷的洛仑兹力方向是向右偏移,最后得出的结果都是一样的) 。当条形磁体处于外磁场中时,外磁场的某些磁力线,必然要经过该磁体。在磁体内,磁力线都是从 S 极到 N 极的,外磁场的磁力线经过磁体时,也必须遵守这条路线。如果两个磁体处于随机位置,如图 2 所示,则磁体 A 的磁力线经过磁体 B 的部分,就会绕道较多,增加很大的磁阻。相应的,磁体 B 的磁力线穿过磁体 A 的部分,也是这样(图中未再画出) 。3因此,只有当磁体 B 刚好处于磁体 A 的磁力线上,与磁体 A 的磁力线重合,并且磁体 B 的 N 极对着磁体 A 的 S 极一边,这时磁体 A 的磁力线所走的路径才是磁阻最小的路线,如图 3 所示。而这时磁体 B 的磁力线也不再简单地从 N 极回到 S 极,而有一部分磁力线是从 N 极到磁体 A 的 S 极,再经磁体 A 的内部到 N 极,再回到磁体 B 自身的 S 极。只有这样两个磁场的总的磁力线,才能最大限度走总磁阻最小的路线。实际上,图中的两个磁体会自动靠拢,以便磁阻更小。这个原理就是磁体之间会受力自动调整位置,异性相吸、同性相斥的原理,也是小磁针在外磁场中表现出来的方向原理。
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