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第13回 洛伦兹力

 当以读书通世事 2023-10-20 发布于甘肃

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一个带电的粒子在直线运动,不小心闯入一个有磁场的范围,磁场方向刚好与粒子运动方向垂直,带电粒子受到了一个力的作用,运动方向发生偏转做起了圆形轨迹运动,无法保持直线运动。

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这个力的方向是如何的呢?小时候我们玩过用一根绳子拴住一个小球在空中转动,我们很容易知道小球只受到沿绳子方向的力,而绳子始终与小球运动方向垂直。显然小球受到的力始终与小球速度方向垂直。

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同理,我们将电荷看作是绳子上的小球,电荷既然做圆周运动,那么电荷必然也受到与速度方向垂直的力。我们给这个力取了个名字叫洛伦兹力。为什么取这个名字呢,因为这个力是一位叫洛伦兹的荷兰人发现的。

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洛伦之力就这么回事,洛伦之力与电机力有什么关系呢?

我们知道电机内有大量的铜线圈,通电的铜导线内有电流流过,而电流是电子定向运动形成的,电子本身就是带电粒子,必然会受到洛伦兹力的作用。大量电子受到的洛伦之力表现出来的宏观力就是导线受到的力。

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我们将一根通电铜导线置于磁场中(与磁场垂直),按住导体不运动。如图所示,此时我们单独看导线内的电子受力,在导线内电子受洛伦兹力与运动方向(电流反方向)垂直,可根据左手定则判断,导体内电子受到向左的洛伦兹力,体现在导体上,导体必然受到向左的力。这个力也就是安培力(可用安培左手定则判断)。

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如果我们松开手,导体在安培力的作用下向左运动,导体内的电子此时有两个方向的速度,一个BA方向速度,一个向左的速度,所以有两个方向上的洛伦磁力,向上的速度产生向左的洛伦磁力,向左的速度产生向下的洛伦磁力。

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向下的洛伦兹力阻碍电流向上运动,于是要产生反电动势(原来反电动势也和洛伦兹力有关)也就是电动机求功率不能用P=(U²)/(R)的原因,但是合洛伦磁力与合速度始终垂直,洛伦磁力还是不做功。此时的安培力为洛伦磁力向左的分力。

电机内的原始力就这么产生了。说到底都是洛伦兹力的功能。

另外,如果给导体棒向右的速度,导体棒里面的电子有向右的速度,受到洛伦磁力向下,则电子向下运动,于是就形成了向上的电流。电子向下运动,于是就有一个向左的洛伦磁力,向左的洛伦磁力的合力表现为安培力,向左的洛伦磁力与向下的洛伦磁力的合洛伦磁力与合速度垂直,合洛伦磁力不做功。向左的洛伦磁力表现为安培力做负功,向下的洛伦磁力做正功表现为非静电力做功转化为电能,由于合的洛伦磁力不做功,所以安培力做功的大小等于转化为电能的大小。

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