磁场对电流的作用—物理学本

“电学中的牛顿”——安培

大家熟悉的电流强度单位——安培，是为了纪念在1775年1月22日出生于法国里昂的物理学家安德烈·玛丽·安培（Andre M.Ampere）而命名的。

安培家境富裕，他父亲因深受鲁索教育理论的影响，特别为他设立一个藏书丰富的私人图书馆，所以他从小就博览群书。这些书不但让他体会到生命崇高的一面，更激发起他对自然科学、数学和哲学的兴趣。安培是个数学天才，年纪很小时已学会数学的基本知识和几何学；12岁就开始学习微积分；18 岁时已能重复拉格朗日所著的《分析力学》中的某些计算。1799年他在里昂担任数学教师，并开始有系统地研究数学，后来更写了概率论的论文。

安培智慧非凡，善于运用数学进行定量分析，他的学术地位也因此不断提高。他被聘为多个学院的物理和数学分析教授，更被邀为英国皇家学会会员。

1836年安培在法国马赛逝世，享年61岁。

怀表变卵石

安培思考科学问题专心致志，据说有一次，安培正慢慢地向他任教的学校走去，边走边思索着一个电学问题。经过塞纳河的时候，他随手拣起一块鹅卵石装进口袋。过一会儿，又从口袋里掏出来扔到河里。到学校后，他走进教室，习惯地掏怀表看时间，拿出来的却是一块鹅卵石。原来，怀表已被扔进了塞纳河。

马车车厢做“黑板”

还有一次，安培在街上行走，走着走着，想出了一个电学问题的算式，正为没有地方运算而发愁。突然，他见到面前有一块“黑板”，就拿出随身携带的粉笔，在上面运算起来。那“黑板”原来是一辆马车的车厢背面。马车走动了，他也跟着走，边走边写；马车越来越快，他就跑了起来，一心一意要完成他的推导，直到他实在追不上马车了才停下脚步。安培这个失常的行动，令街上的人笑得前仰后合。

电学中的牛顿

安培将他的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中，它也成为电磁学史上一部经典论著。麦克斯韦称赞安培的工作是“科学上最光辉的成就之一”，还把安培誉为“电学中的牛顿”。安培还是发展测电技术的第一人，他用自动转动的磁针制成测量电流的仪器，以后经过改进成为电流计。

安培对电磁学的发展可说是功不可没。他不但创造了“电流”这个名词，又将正电荷定向移动的方向定为电流的方向。1820年他根据奥斯特发现的“电流的磁力效应”，进行了很多有关电流和磁铁相互作用的实验，得出几个重要的结果：① 两个距离相近、强度相等、方向相反的电流产生的作用力可以相互抵消；② 在弯曲导线上的电流可被看成由许多小段的电流组成，它的作用就等于这些小段电流的矢量和；③ 当载流导线的长度和作用距离同时增加相同的倍数时，作用力将保持不变。

经过一番定量的分析之后，他终于在1822年发现了安培定律，并在1826年推出两电流之间的作用力的公式。

表2.1.1　分层学习要求

机床、水泵，需要电动机带动；电力机车、电梯需要电动机牵引；家庭生活中的电扇、冰箱、洗衣机，甚至各种电动玩具都离不开电动机（见图2.1.1）。为了研究电动机的工作原理，我们先来探究一下通电导体在磁场中运动的规律吧！

图2.1.1　形形色色的电动机

1.你还知道哪些电器上有用到电动机呢？

磁场对通电导线的作用

奥斯特通过著名的“奥斯特实验”发现的电流磁效应，是科学史上的重大突破。法国物理学家安培又进一步做了大量实验，两个月后他发现了通电导体间的相互作用规律。安培认识到磁现象的本质是电流，两通电导体间的相互作用也可以看成其中一根通电导体在它的周围产生磁场，这个磁场再对放入其中的另一通电导体产生力的作用。那么，当通电导体处于磁场中时，它的受力情况有何规律呢？我们可以通过下面的实验来研究通电导体在磁场中的受力。

实验探究：

探究通电导体在磁场中受力的规律

进行实验

2.如果想让导线受到更大的力，你有办法实现吗？

如图2.1.2所示，将一根细长的直导线放在强磁体两极的中间，导体两端通过光滑金属导轨，与电源开关相连，接通电源，电流通过导线。请观察发生的现象，尝试进行各种变化，如改变电流方向，或把磁铁的极性上下对调，探究磁场对电流作用的规律。

图2.1.2　探究通电导体在磁场中受力的规律

收集数据

将实验数据填入表2.1.2。

表2.1.2　实验数据记录表格

分析与论证

实验表明：通电导体在磁场中受力的作用。力的方向与________和________有关。

安培在研究磁场与电流的相互作用方面做出了杰出的贡献，为了纪念他，人们把通电导线在磁场中受到的力称为安培力。

小资料

通电导线在磁场中所受安培力的方向，与导线、磁感应强度的方向都垂直，它的指向可以用以下方法判断；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（Left-hand rule），如图2.1.3所示。

在研究安培力时，电流受力方向，磁场方向和电流方向不在一个平面内，因此，研究安培力的问题要涉及三维空间。

图2.1.3　左手定则

线圈在磁场中转动

制作一个小小电动机

实验步骤：

1.把一段漆包线绕成约3 cm×2 cm的矩形线圈，漆包线在线圈的两端各伸出3 cm；

2.然后用小刀刮两端引线的漆皮，左端全部刮掉，右端只刮上半周或下半周；

3.如果引线的两端全部用小刀刮掉漆皮，会出现什么情况呢？

3.用无绝缘皮的硬金属丝，做两个支架，固定在硬纸板上，两个支架分别与电池的两极相连；

4.把线圈放在支架上，线圈下放一块强磁铁；

5.如图2.1.4，给线圈通电，并用手轻推一下，线圈就会不停地转下去，这就是一台小小电动机。(www.xing528.com)

在图2.1.4中，我们采用刮去引线漆皮的办法来控制电路的通断。即一端的漆皮全部刮掉，另一端的漆皮只刮上半周或下半周，从而保证线圈实时供电或停电。这种设计，线圈每转一周，只有半周获得动力，在另半周，线圈将受到阻碍它转动的力时，恰好没有电流通过，线圈不受力；当线圈靠惯性转过这半周后，又回到原来的状态，线圈又受到向同方向的转动的力，以保证线圈继续向下转动下去。

4.为什么引线的两端中，一段需要全部刮掉，另一端只需要刮掉半周呢？

图2.1.4　小小电动机

如果在线圈转动的后半周，不是停止给线圈供电，而是设法改变后半周中的电流方向，使线圈在后半周也获得动力，线圈将会更平稳、更有力地转动下去。那么如何使线圈在后半周也能获得相同方向转动的力呢？

实际的电动机是通过换向器（见图2.1.5）来实现这一目的的。

图2.1.5　实验用电动机（左）及其换向器（右）

换向器看起来就像一个铜环被切成了两半。如图2.1.6所示，从电池中流出的电流通过电刷流入换向器的前半部分，流经线圈后，经过换向器的后半部分，最终流回电源。

如图2.1.6所示，处于水平位置的线圈在磁体N极处的导线，可用左手定则判断受力方向向上；同理磁体S极处相邻的导线受力方向向下，使得线圈顺时针转动。

图2.1.6　直流电动机内部的换向器

5.请用左手定则描述图2.1.6中一根导线运动一周所受力的方向。

如图2.1.7所示，当线圈转过90°时，此时线圈位于竖直方向的，因为换向器的缝隙断开了电路，则此时线圈中没有电流，然而线圈具有惯性，会继续转动。当电刷再次与换向器接触时，换向器和线圈中电流的方向都调转了。此时，最靠近N极的导线B中的电流是流向我们的，这意味着它受到的力是向上的，靠近S极的导线中电流仍是流向纸内的，受力仍然向下，所以线圈可继续沿顺时针转动。这就是说，换向器确保了图中无论哪一根导线最靠近N极，这根导线的电流总是朝向我们，无论哪一根导线更靠近S极，导线中电流总朝向纸内，因此线圈保持顺时针转动。

图2.1.7　直流电动机中换向器的工作原理

6.为什么直流电动机不选择“自制电动机”那样，半圈通电、半圈断电的方式保持连续转动呢？

利用磁场对电流的作用使线圈转动，同时利用换向器，及时改变线圈中的电流方向，从而保持线圈持续转动，这就是直流电动机的工作原理。

电动机与人类文明

电动机有许多优点：构造简单、控制方便、体积小、效率高、而且对环境污染很小。因此它的应用极其广泛，家庭中的电风扇、洗衣机、空调，生产中的水泵、起重机、机床、电力机车等，都是由电动机驱动的。如图2.1.8，一部现代化的汽车，便应用了几十台小型电动机，随着社会的发展和技术的进步，电动机和人类的关系将越来越密切。

图2.1.8　现代化汽车上的小型电动机

发电机与电动机的比较

1873年在奥地利举行的维也纳世界博览会上（见图2.1.9），比利时人齐纳布·格拉姆在操作环状电枢自激直流发电机时，接错了线，即把别的发电机发的电，接在自己发电机的电流输出端。这时，他惊奇地发现，这台发电机迅速转动起来，发电机变成了电动机（见图2.1.10）。这一事件，直接促进了实用电动机（马达）的问世，更预示着一个崭新的电气化时代的到来。

7.你能说出电动机和发电机有哪些区别吗？

图2.1.9　维也纳世博会主会场

图2.1.10　电动机的发现

发电机与电动机原理基本相反。电动机是利用通入电流的线圈产生磁场而形成电磁铁，以磁铁间的磁力作用推动线圈做功，是运用电流磁效应原理将电能转换机械能的装置。发电机是利用各种动力（如水力、风力）使线圈在磁铁的两极间转动；当线圈转动时，线圈内的磁场改变，因此产生感应电流，是运用电磁感应原理将机械能转换成电能的装置。

电动机的种类很多，以基本结构来说，其组成主要由定子和转子所构成。定子在空间中静止不动，转子则可绕轴转动，由轴承支撑。定子与转子之间会有一定空气间隙（气隙），以确保转子能自由转动。

自我评价

1.要改变通电导线在磁场中的受力方向，可以通过改变____或改变____来实现。

2.电动机主要由哪两部分构成？电动机换向器的构造大体是怎样的？它有什么作用？

3.一台电动机的额定电压是220 V，额定功率是5.5 kW，它正常工作时的电流有多大？连续工作2 h耗电多少？

运动的带电粒子在磁场中受力——洛伦兹力

运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力，即磁场对运动电荷的作用力。

如图2.1.11所示，从阴极发射出来的电子束，在阴极和阳极间的高电压作用下，轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光，可以在示波器上显示出电子束运动的径迹．实验表明，在没有外磁场时，电子束是沿直线前进的。如果把射线管放在蹄形磁铁的两极间，荧光屏上显示的电子束运动的径迹就发生了弯曲，如图2.1.12所示。这表明，运动电荷确实受到了磁场的作用力，这个力通常叫做洛伦兹力，它为荷兰物理学家H.A.洛伦兹首先提出，故得名。

图2.1.11　阴极射线管（电子枪）

图2.1.12　显像管电视机的原理

通电导线在磁场中的受力（即安培力），实际上是导线内部的带电粒子在磁场中受到的所有力的合力，如图2.1.13所示。

图2.1.13　带电粒子在磁场中受到洛仑磁力

一切物质的分子中都含有电子，阴极射线的粒子就是电子。洛伦兹把以太与物质的相互作用归结为以太与电子的相互作用。这一理论成功地解释了塞曼效应，与塞曼一起获1902年诺贝尔物理学奖。

洛伦兹是经典电子论的创立者。他认为电具有“原子性”，电的本身是由微小的实体组成的。后来这些微小实体被称为电子。洛伦兹以电子概念为基础来解释物质的电性质。从电子论推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用，即洛伦兹力。他把物体的发光解释为原子内部电子的振动产生的。这样当光源放在磁场中时，光源的原子内电子的振动将发生改变，使电子的振动频率增大或减小，导致光谱线的增宽或分裂。1896年10月，洛伦兹的学生塞曼发现，在强磁场中钠光谱的D线有明显的增宽，即产生塞曼效应，证实了洛伦兹的预言。

1904年，洛伦兹证明，当把麦克斯韦的电磁场方程组用伽利略变换从一个参考系变换到另一个参考系时，真空中的光速将不是一个不变的量，从而导致对不同惯性参考系的观察者来说，麦克斯韦方程及各种电磁效应可能是不同的。为了解决这个问题，洛伦兹提出了另一种变换公式，即洛伦兹变换。后来，爱因斯坦把洛伦兹变换用于力学关系式，创立了狭义相对论。