对安培力机理的商榷

安培力是普物电磁学中一个重要的概念。在电磁学教材中对安培力机理一般没做深入的讨论,常见的有如下几种比较普遍的说法:(1)导线受的安培力就是作用在各自由电子上洛仑兹力的宏观表现(赵凯华编《电磁学》上册326页);(2)磁场中的载流导体内的每一定向运动的电荷,都要受到洛仑兹力。由于这些电荷受到导体的约束,而将这个力传递给导体,表现为载流导体受到一个磁场力,称为安培力(梁灿彬编《电磁学》329页)。这些说法简洁直观,但在教学中常常容易引起一些模糊的概念。例如:有的学生误认为安培力就是洛仑兹力,是作定向运动的电子受洛仑兹力与晶格碰撞的宏观表现等等。因此,在教学中对安培力机理如何表述,是一个值得商榷的问题。本文从普物知识出发,对安培力的机理进行讨论,以求使学生对安培力的概念,有一个比较完整的理解。     

对安培力机理的分析

安培力是电磁学中一个重要的物理概念。在电磁学教材中对安培力机理只作简单的叙述:(1)导线受的安培力就是作用在各自由电子上洛仑兹力的宏观表现。虽然这个力作用在金属内的自由电子上,但是自由电子总是与金属的晶体点阵不断碰撞的,自由电子获得的动量最终都会传递给金属的晶格骨架,宏观上看起来将是金属导线本身受到这个力。(2)磁场中的载流导体内的每一定向运动的电荷,都要受到洛仑兹力。由于这些电荷受到导体的约束,而将这个力传递给导体,表现为载流导体受到的一个磁场力,称为安培力。     

关于洛仑兹力与安培力

在教授电磁学课时,学生常提出下列的问题:洛仑兹力既然是载流导线在磁场中受到安培力的微观原因,洛仑兹力不做功,为什么载流导线在磁场中的位置改变时,安培力能够做功,并能将电能转换为机械能呢?甚至有的同学提出:洛仑兹力是否真的不做功?本文针对上述问题谈几点认识.     

磁力做功问题的研究

磁场对运动电荷作用的洛仑兹力不做功。载流导体在磁场中移功时.安培力对它作功。安培力的实质是洛仑兹力.当安培力作为洛仑兹力的一个分力做正功时.必然有另一个分力做等值的负功.结论是总洛仑兹力永远不做功。     

关于洛仑兹力不作功，而安培力能作功的佯谬问题

我们知道，载流导体在磁场中要受到安培力的作用，当导线运动时安培力就要作功，但是我们知道，安培力是洛仑兹力的宏观表现，而洛仑兹力的方向是始终与电荷的运动速度垂直的，因此它永远不作功。这样就产生了洛仑兹力不作功，而为什么安培力却能做功的问题。下面通过一个实例来讨论这个问题。如图所示电路，在匀强磁场B中一长为l载有电流I的导线ab在安培力F作用下以速度u向右滑动。由安培力公式dF＝Idl×B可算出导线ab上受到的安培力F＝IIB，其方向与u一致向右。显然F作了功。但这与作用在导线中自由电子上的洛仑兹力不作功并不矛盾。…     

洛仑兹力与安培力关系问题的讨论

文中以金属导电的电子论为基础，详尽讨论了导体相对磁场静止、运动等各种情况下的洛仑兹力与安培力的关系问题，进而从安培力作功与洛仑兹力不作功指出其联系与区别。     

安培力的经典微观机制解释

提出一种安培力产生微观机制的新解释.安培力产生的微观机制是:在稳定电流情况下,磁场中的载流导线内部形成稳定的霍尔电场,稳定霍尔电场区内的电子受力平衡,负电荷层的电子通过反约束将力传给导体;导体晶格受到各部分霍尔电场的力直接作用于导体,所有这些力的合力,即表现为载流导线的宏观安培力,即安培力是霍尔电场对导体内全部晶格的作用力和载流电子通过反约束作用于导体的力的合力的宏观表现.     

安培力的经典微观机制

本文通过时各种类型及各种运动形式的载流体在磁场中所受磁力的定量讨论，给出了一般载流体安培力形成的经典微出机制为：安培力是载流体晶格电荷所受的各种力与载流子对载流体侧面作用力之和的宏观表现。     

安培力和洛仑兹力之间的联系

载流导线中的电流是由大量自由电子作定向漂移运动形成的,其间安培力与洛仑兹力必然存在着一定的联系     

浅谈安培力做功

通过对电荷移动情况及受力情况的分析,得出运动电荷在磁场中受到的洛仑兹力不做功.安培力并非洛仑兹力之和,而是洛仑兹力的总和在垂直导线的方向上的一个分量.     

洛仑兹力——电能与机械能相互转换的桥梁

在电磁学中讲过洛仑兹力对运动电荷不作功,但是作用到带流导体上的安培力却作功,动生电动势也是由洛仑兹力作功引起的,这些说法前后是否矛盾?本文想就洛仑兹力在电能与机械能相互转换中的作用加以论述,借以论证上述说法的含意。     

虚位移法求解电磁场力

根据电磁场的唯一性定理,采用虚位移法[1]举例计算了电流恒定时,导体和电介质受到的电场力f=12ξ0E2n=σ22ξ0n;磁链恒定时,载流回路和磁介质受到的磁场力F=-W.计算结果表明:用虚位移法求解和用库仑定律、洛仑兹力公式求解相同的问题,后者求解的过程相当繁琐,而且计算量大,有些问题牵涉到泛函数,不一定能求解出答案;而用虚位移法求解,过程非常简单,避免了一些繁琐而不必要的过程.所以用虚位移法求解电磁场力比用库仑定律、安培力的公式更简单方便.     

安培力和洛仑兹力的关系

本文比较全面地分析了洛仑兹力和安培力的联系与区别,弥补了通常流行的讲联系多说区别少的缺陷,指出在任何情况下,安培力都是导体中自由电子所受洛仑兹力的一个分力——由电子相对于导线的平均定向移动速度所引起的力——的宏观表现。     

安培力做功的普遍公式及其重要推论

通过安培定律与法拉第电磁感应定律导出安培力做功的一股公式。根据安培力做功公式得到两个用于计算载流线圈在磁场中所受的合力和对某一给定转轴的力矩的重要推论。     

磁场力静电场力的虚位移解法

本文从理论和实例出发,给出了一种载流回路或磁介质受磁场力、电介质和导体受电场力的有效计算方法。     

圆电流在磁场中所受的力与力矩

本文利用安培定律直接导出均匀磁场对圆形载流线圈的作用规律,并结合磁场中的高斯定理,求出圆形载流线圈在非均匀磁场中所受的磁力.     

载流直导线的磁场及作用力的研究

通过有限长载流直导线磁场的计算, 讨论了无限长载流直导线的磁场,载流直导线之间安培力的计算,并同已知结果作了对比,二者形式完全一致.     

利用矢量矢积分配律求解安培力

本文利用矢量矢积分配律公式计算了均匀磁场中载流导线所受安培力.     

磁场中载流导线受力的剖析

本文从电子运动和霍尔电场概念出发,讨论运动电荷所受的洛伦兹力是如何转变成载流导体所受的安培力.     

载流扇形线圈内的导体所受磁力矩的一种近似计算

本文首先给出载流扇形线圈所激发的磁场的磁感应强度一级近似公式,然后利用无限小窄条磁矩在外磁场中的势能,求出每一匝椭圆感应电流在外磁场中的势能,通过此势能求出椭圆感应电流线圈所受到的安培力,最后得出载流扇形线圈内的导体受到的总磁力矩。