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A. B. ω. dr. r. R. σ. A ’. 例 8-1 : 如图所示,一平面塑料圆盘,半径为 R ,表面带有面密度为 σ 的剩余电荷。假定圆盘绕其轴线 AA′ 以角速度 ω 转动,磁场 B 的方向垂直于转轴 AA′ ,试求磁场作用于圆盘的力矩大小和方向。. 解:将圆盘分成许多同心 圆环,取一半径为 r 宽度 为 dr 的圆环,环上电荷: dq =σ2πrdr 环以 ω 角速度转动的电流: dI = dqω/2π=ωσrdr 相应磁矩大小: dp m =πr 2 dI =πσωr 3 dr. d p m. A. d M. B.
E N D
A B ω dr r R σ A’ 例8-1: 如图所示,一平面塑料圆盘,半径为R,表面带有面密度为σ的剩余电荷。假定圆盘绕其轴线AA′以角速度ω转动,磁场B 的方向垂直于转轴AA′,试求磁场作用于圆盘的力矩大小和方向。 解:将圆盘分成许多同心 圆环,取一半径为 r 宽度 为 dr 的圆环,环上电荷: dq =σ2πrdr 环以ω角速度转动的电流: dI = dqω/2π=ωσrdr 相应磁矩大小:dpm =πr2 dI =πσωr3 dr
dpm A dM B ω dpm方向垂直圆盘向上 (σ>0),相应环上受 的磁力矩为: dM=Bdpm=πσωr3 Bdr ( ∵dpm⊥B ) 由于所有环的磁力矩dM方向垂直B 向里(σ>0),所以圆盘所受的磁力矩大小为: M = dM = 0Rπσωr3 Bdr =1 /4πσωR4 B dr r R σ A’
pm A M B ω dpm方向垂直圆盘向上 (σ>0),相应环上受 的磁力矩为: dM=Bdpm=πσωr3 Bdr ( ∵dpm⊥B ) 由于所有环的磁力矩dM方向垂直B 向里(σ>0),所以圆盘所受的磁力矩大小为: M = dM = 0Rπσωr3 Bdr =1 /4πσωR4 B 磁力矩 M 的方向垂直 B 向里。 R σ A’
例:有一流过强度 I = 10 A 电流的圆线圈,放在等于 0.015 T ( 特斯拉 )的匀强磁场中,处于平衡位置,线圈直径 d = 12 cm。使线圈以它的直径为轴转过 = / 2时,求外力所必需作的功 A;如果转角 = 2,必需作的功又为多少? 解:初态,平衡位置,M = pm B= 0; pm B S1 B 1 = 0 m1 = B · dS = B · S1 = B S 末态, = / 2 2 = 1+ = / 2 m2 = B · S2 = 0
m1 = BS,m2 = 0。 磁力作功:A = I ( m2 - m1 ) = - I m1 外力作功: A外= - A = I m1 = 10 0.015 3.14 (0.12)2 4 = 1.7 10 -3 J 当 = 2 时,2’ = 2, m2’ = B · S2 = B S. 磁力作功:A’ = I ( m2’- m1 ) = I ( BS - BS ) = 0 外力作功: A外’= - A’ = 0
例:均匀磁场 B沿水平方向,有一竖直平面内的圆形线圈可绕通过其圆心的轴 OO’ 以角速度 转动。已知线圈内产生的感应电流为 i = Io sin t ( 忽略自感,且 t = 0 时,线圈平面法向沿着 B ),若线圈半径为 R ,试求: ( 不计轴上摩擦 )(1) 在转动过程中,该 线圈所受的磁力矩 (2) 为维持匀速转动, 外界需供给的平均 功率 o B i o’
解:(1) 已知 i = Io sin t t 时刻,线圈绕轴 OO’ 转动角度 t 。 磁矩:pm(t) = i S =IoR2 sin t 磁力矩:M(t) = pm(t) B sin t = Io B R2 sin2t M方向:垂直画面向里 o pm M t B B i o,o’ o’
解法 1:(t) = B . dS = B. S = BR2 cos t d = - BR2 sin t dt 磁力矩作功: A(t) = 12 i(t) d = - 0t Iosint BR2sint dt = - 0t IoBR2 sin2t dt 平均功率: <P磁>= A( T ) / T = - 0T IoBR2 sin2t dt / T = - IoBR2 / 2 <P外>= - <P磁>= IoBR2 / 2
解法 2: M(t) = Io B R2 sin2t dA = - M d ( 负号表示 M 顺时针方向与逆时针相反 ) 功率: P磁 (t) = dA /dt = - M d /dt = - M = - IoB R2 sin2t 平均功率:<P磁>= 0T P磁 (t)dt /T = - 0T IoB R2 sin2t dt / T = - IoB R2 / 2 <P外>= - <P磁>= IoBR2 / 2
μ I d l μ I d 解: o dB = = o π π 4 R 4 2 R μ I d B = dB = o I π 4 R 2 μ I Idl o = d π 4 R R O μ I l o = π 4 R 2 例:试求半径为 R 的圆弧中心的磁场。
I R o dS Io r B 例8-4 求圆截面的无限长载流直导线的磁场分布。设导线的半径为 R,电流I均匀通过横截面,导线的磁导为 o,导线外介质磁导率为 。 解:根据对称性, H只与 r 有关, H的方向沿切线方向。 1、r < R ∮H · dl =∮H dl = 2rH ΣIo = r2I/R2 = Ir2/R2 2rH = Ir2/R2 H = Ir/2R2, B = oIr/2R2
I R r B B H μ μ I I I 0 π π 2 2 R R π 2 R r r 0 R 0 R 2、r>R ∮H · dl =∮H dl = 2rH ΣIo = I H = I /2r ,B = oI /2r 上式表明,从导线外部看,磁场分布与全部电流 I 集中在轴线上相同。
12-2 在半径为 R 的长直金属圆柱体内部挖去一个半径为 r 的长直圆柱体,两柱体轴线平行,其间距为 a ,今在此导体上通以电流 I ,电流在截面上均匀分布,则空心部分轴线上 O’点的磁感应强度的大小为 ——— 。 R I O a r o’
12-2 在半径为 R 的长直金属圆柱体内部挖去一个半径为 r 的长直圆柱体,两柱体轴线平行,其间距为 a ,今在此导体上通以电流 I ,电流在截面上均匀分布,则空心部分轴线上 O’点的磁感应强度的大小为 ——— 。 R R I I’ O O a r o’
12-2 在半径为 R 的长直金属圆柱体内部挖去一个半径为 r 的长直圆柱体,两柱体轴线平行,其间距为 a ,今在此导体上通以电流 I ,电流在截面上均匀分布,则空心部分轴线上 O’点的磁感应强度的大小为 ——— 。 R R I O O a r r o’ o’
12-2 在半径为 R 的长直金属圆柱体内部挖去一个半径为 r 的长直圆柱体,两柱体轴线平行,其间距为 a ,今在此导体上通以电流 I ,电流在截面上均匀分布,则空心部分轴线上 O’点的磁感应强度的大小为 ——— 。 R R I I’ O O a r r o’ o’
解:可视为通电大实心圆柱体与反向通电小圆柱体产生磁场的迭加。解:可视为通电大实心圆柱体与反向通电小圆柱体产生磁场的迭加。 R I’ O r o’
解:可视为通电大实心圆柱体与反向通电小圆柱体产生磁场的迭加。解:可视为通电大实心圆柱体与反向通电小圆柱体产生磁场的迭加。 大实心圆柱体通电电流: I’ = I R2/ ( R2- a2 ) 大实心圆柱体产生磁场: B’R(a) = o a I’/2R2 R I’ O a o’
解:可视为通电大实心圆柱体与反向通电小圆柱体产生磁场的迭加。解:可视为通电大实心圆柱体与反向通电小圆柱体产生磁场的迭加。 大实心圆柱体通电电流: I’ = I R2/ ( R2- a2 ) 大实心圆柱体产生磁场: B’R(a) = o a I’/2R2 通电小圆柱体产生磁场为: Br(0) = 0 R O r o’
解:可视为通电大实心圆柱体与反向通电小圆柱体产生磁场的迭加。解:可视为通电大实心圆柱体与反向通电小圆柱体产生磁场的迭加。 大实心圆柱体通电电流: I’ = I R2/ ( R2- a2 ) 大实心圆柱体产生磁场: B’R(a) = o a I’/2R2 通电小圆柱体产生磁场为: Br(0) = 0 BO’ = B’R(a) - Br(0) = o a I’/2R2 = o a I /2( R2- a2 ) R I’ O a r o’
12-4 将通有电流 I 的无限长导线折成如图形状,已知半圆环的半径为 R ,求圆心 O 点的磁感应强度。 R o I
12-4 将通有电流 I 的无限长导线折成如图形状,已知半圆环的半径为 R ,求圆心 O 点的磁感应强度。 解:半无限长导线 1 在 O 点的磁场:B1 = o I /4R R o 1 I
12-4 将通有电流 I 的无限长导线折成如图形状,已知半圆环的半径为 R ,求圆心 O 点的磁感应强度。 解:半无限长导线 1 在 O 点的磁场:B1 = o I /4R 半圆环圆心 O 的磁场: B2 = o I /4R =o I /4R 2 R o I
12-4 将通有电流 I 的无限长导线折成如图形状,已知半圆环的半径为 R ,求圆心 O 点的磁感应强度。 解:半无限长导线 1 在 O 点的磁场:B1 = o I /4R 半圆环圆心 O 的磁场: B2 = o I /4R =o I /4R 半无限长导线 3 在延长线 上的磁场:B3 = 0 R 3 o I
12-4 将通有电流 I 的无限长导线折成如图形状,已知半圆环的半径为 R ,求圆心 O 点的磁感应强度。 解:半无限长导线 1 在 O 点的磁场:B1 = o I /4R 半圆环圆心 O 的磁场: B2 = o I /4R =o I /4R 半无限长导线 3 在延长线 上的磁场:B3 = 0 故总磁感应强度:B = o I /4R + o I /4R 2 R 3 o 1 I
12-8 一无限长通电流的扁平铜片,宽度为 a ,厚度不计,电流 I 在铜片上均匀分布。在铜片外与铜片共面,离铜片右边缘为 b 处的 P 点的磁感应强度 B 的大小为 ——————。 I P a b x
12-8 一无限长通电流的扁平铜片,宽度为 a ,厚度不计,电流 I 在铜片上均匀分布。在铜片外与铜片共面,离铜片右边缘为 b 处的 P 点的磁感应强度 B 的大小为 ——————。 解:在 x 处 , dx 宽无限 长通电流: dI =Idx /a 在 P 点的磁感应强度: dB =o dI /2 (a+b-x) =oIdx /2a(a+b-x) B =o aoIdx /2a(a+b-x) =oI ln[(a+b)/b] / 2a I x dx P a b x
13-1 有一无限长载流导线通有电流 I1,在其旁有一长为 a ,通电为 I2 的导体细棒,两者相互垂直,但不共面,棒的一端到长直导线的距离也为 a ,求导体细棒所受磁力。 解:长载流导线 I1的磁场: B = o I1 / 2 r 电流元 I dl 所受磁力: df = I2dl B sin =I2dl sin o I1 / 2 r = o I1 I2 dr / 2 r y B dr dl a r I2 o I1 a
磁力:df = o I1 I2 dr / 2 r 磁力 df方向为垂直纸面向外: f = df = a1.414 a o I1 I2 dr / 2 r = o I1 I2 ln 1.414 / 2 磁力f方向为垂 直纸面向外: y B dr f a r I2 o I1 a