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1、磁感应强度9-1 如图9-1所示,一条无穷长载流20 A的直导线在P点被折成1200的钝角,设d2cm,求P点的磁感应强度。IPAOBd1200图9-1解:P点在OA延长线上,所以OA上的电流在P的磁感应强度为零。作OB的垂线PQ ,OB上电流在P点的磁感应强度大小,方向垂直于纸面向外。9-2半径为R的圆弧形导线与一直导线组成回路,回路中通有电流I,如图9-2所示,求弧心O点的磁感应强度(图中 j 为已知量)。jIORCBAI图9-2解:圆环电流在圆心处的磁场 圆弧ABC在O处的磁场 方向垂直纸面向里又直线电流的磁场 ,直线AB在O处的磁场 方向垂直纸面向里弧心O处的磁场 9-3 两根长直导线
2、沿半径方向引到铁环上A、B两点,并与很远的电源相连。如图9-3所示,求环中心的磁感应强度。解:设铁环被A、B两点分成两圆弧的弧长分别为、,电阻分别为、,电流分别为、。IIBOA图9-3由图知 与并联, 即 在O点的磁感应强度 方向垂直于纸面向外在O点的磁感应强度 方向垂直于纸面向内即 、大小相等,方向相反。 9-4一半径为R的薄圆盘,其中半径为r的阴影部分均匀带正电,面电荷密度为+,其余部分均匀带负电,面电荷密度为-(见图9-4)。设此盘以角速度为绕其轴线匀速转动时,圆盘中心O处的磁感应强度为零,问R和r有什么关系?并求该系统的磁矩。RwrO图9-4解:(1)取半径为、宽为的圆环面元,所带电量
3、 产生的电流 的部分产生的磁场 方向水平向右的部分产生的磁场 方向水平向左由题意 即 , (2)的磁距大小 部分 方向水平向右部分 方向水平向左 方向水平向左9-5氢原子处在正常态(基态)时,它的电子可看作是在半径为a0.5310-8cm的轨道(称为玻尔轨道)上作匀速圆周运动,若电子在轨道中心处产生的磁感应强度大小为12.5T,求(1)电子运动的速度大小?(2)该系统的磁矩。(电子的电荷电量e1.610-19C)。解:(1)作匀速圆周运动的电子,形成电流的电流强度为 I在轨道中心处产生的磁感应强度 (2)磁通量9-6已知一均匀磁场的磁感应强度B2T,方向沿x轴正方向,如图9-6所示,已知abc
4、d40cm,bcadef30cm,becf30cm。求:(1)通过图中abcd面的磁通量;(2)通过图中befc面的磁通量;(3)通过图中aefd面的磁通量。ayxfeOdcbz图9-6解:(1)垂直穿过平面abcd负号表示线穿入该面(2)平行于平面befc,(3)穿入平面abcd的磁力线数与穿出aefd平面的磁力线数相同9-7两平行长直导线相距d40cm,每根导线载有等量同向电流I,如图9-7所示。求:(1)两导线所在平面内,与左导线相距x(x在两导线之间)的一点P处的磁感应强度。(2)若I20A,通过图中斜线所示面积的磁通量(r1r310cm,l25cm)。图9-7r1lIxPdIr3r2
5、解:建立如图所示的坐标系(1)左导线在P点的磁感应强度 ,方向垂直纸面向下右导线在P点的磁感应强度 ,方向垂直纸面向下,方向垂直纸面向下(2)在x处取宽为dx的面元 dS=ldx 设方向垂直纸面向下,其上磁通量 安培环路定律SI图9-8Iab9-8如图9-8所示的导体圆管,内、外半径分别为a和b,导体内载有电流I,设电流I均匀分布在导体圆管的横截面上,求:(1)磁感应强度的分布;(2)通过每米导体圆管S平面内(阴影部分)的磁感应通量。解:(1)作半径为r、圆心在轴线上的圆为积分回路,由安培环路定律: , :,方向与I满足右手螺旋法则: ,方向与I满足右手螺旋法则(2)取面元 9-9在半径为R的
6、无限长圆柱形导体内部挖去一半径为r的无限长圆柱体,两柱体的轴线平行,相距为d,如图9-9所示。该导体中通有电流I,且I均匀分布在横截面上。求:(1)圆柱导体轴线上的磁感应强度;(2)空心部分轴线上的磁感应强度。解:填补法。设在半径为r的空间中通有等量而反向的电流,其电流密度与导体中相同dOOrR图9-9(1)圆柱导体轴线的磁场由半径为r的无限长圆柱体中电流产生,(2)空心部分轴线上的磁场由半径为R的无限长圆柱体中电流产生,9-10如图9-10所示,两无穷大平行平面上都有均匀分布的面电流,面电流密度分别为和,两电流密度方向平行。求:(1)两面之间的磁感应强度;(2)两面之外空间的磁感应强度。图9
7、-10解:无穷大板的磁感应强度大小 ,建立如图所示坐标系(1)两板之间, (2)在右板之外时, , 在左板之外时, ,9-11如图9-11所示,一均匀密绕的环形螺线管,匝数N,通有电流I,横截面为矩形,圆环内、外半径分别为R1和R2。求:(1)环形螺线管内外的磁场分布;(2)环形螺线管横截面的磁通量。解:(1)磁场分布为以环轴为圆心的一圈圈圆。取一线为积分回路,方向与相同。R1R2b图9-11由安培环路定律,环管内磁场满足,得 环管外有 即 (2)在横截面上取一宽度为dr的长条面元,磁通量为,磁场对电流的作用(安培力)9-12半径为R的平面圆形线圈中载有自流I, 若线圈置于一个均匀磁场中,均匀
8、磁场方向与线圈平面垂直,如图9-12,则(1)线圈上单位长度的电流元所受磁场力为多少?(2)左半圆受力如何?(3)整个圆形线圈又如何?IR图9-12解:(1)任取一电流元,所受磁场力 大小 方向指向圆心(2)由对称性可知,左半圆受力方向水平向右(3)右半圆受力水平向左,大小与左半圆相同,所以整个圆形线圈受力为零。IIR图9-139-13半径为R的平面圆形线圈中载有自流I,一载流I的无限长直导线通过圆形线圈的圆心放置,并和圆形线圈共面(相互绝缘),如图9-13所示,则圆形线圈左半圆所受磁力如何?整个圆形线圈所受磁力又如何?解:(1)如图在左半圆上任取一电流元,受力大小由对称性可知,左半圆受磁场力
9、方向水平向左(2)右半圆受磁力方向水平向左,且与相等,9-14一无限长薄金属板,宽为a,通有电流I1,其旁有一矩形线圈ABCD,通有电流I2,线圈与金属板共面,如图9-14所示。求:(1)I1在AB和CD处产生的磁感应强度;(2)薄金属板对AB和CD边的作用力。I1BAI2CDabc图9-14解:建立如图所示坐标系(1)在金属板上x处取一宽为dx的面长条,其中电流dI在AB处的磁感应强度大小 方向垂直纸面向下金属板上所有面长条在AB处产生的磁场方向相同 方向垂直纸面向下同理可得 方向垂直纸面向下(2)同理 磁力矩9-15在垂直于通有电流I1的长直导线平面内有一扇形载流线圈abcd,半径分别为R
10、1和R2,对长直导线张角为a ,线圈中通有电流I2,如图所示。求:(1)线圈各边所受的力;(2)线圈所受的力矩。I1aI2dcbaR2R1图9-15解:(1)bc和da上电流元方向与同向 在ab上距I1为r处取电流元,受力 ,方向垂直于纸面向外同理 ,方向垂直于纸面向内(2)在距I1为r处取一宽为dr的面扇形,由扇形面积 磁矩为 方向垂直于纸面向下磁力矩大小为 方向向右9-16如图9-16所示一矩形载流线圈由20匝相互绝缘的细导线绕成,可绕y轴转动,线圈中载有电流I0.10 A,放在磁感应强度B0.50 T的均匀磁场中,的方向平行于x轴,求维持线圈在图示位置时的力矩。解:矩形截流平面线圈的磁矩
11、大小为 ,所受磁力矩大小为300O zyx10cm5cm图9-16方向沿y负向维持线圈在图示位置所需力矩 9-17一半径为R的带电薄圆盘,电荷面密度为s ,放在均匀磁场中,的方向与盘面平行,如图9-17所示。若圆盘绕其轴线以角速度转动,试求:(1)圆盘的磁矩;(2)场作用于圆盘的磁力矩。图9-17ROs解:(1)取半径为r,宽为dr的圆环,电量 转动形成电流 其磁距 ,方向沿轴线向上(2)所受磁力矩大小 方向垂直纸面向里 方向垂直纸面向里磁场对运动电荷的作用9-18两个正的点电荷q,相距为d,并排平行运动,速度为v。求它们之间的相互作用力,这个力是斥力还是吸引力?解:如图所示,上电荷q在下电荷
12、q处产生的磁感应强度为 ,方向垂直纸面向里下电荷受磁力大小 方向指向上电荷q,即相互吸引下电荷受电场力大小 方向背向上电荷q,即相互排斥,相互排斥。9-19一电子的动能为10eV,在垂直于均匀磁场的平面内作圆周运动。巳知磁场B1.0G,电子电荷为 -e1.610-19C,质量m9.110-31kg。求:(1)电子的轨道半径R;(2)电子的回旋周期T;(3)沿磁场方向观察,电子是顺时针方向还是逆时针方向回旋?解:(1),轨道半径 (2)(3), 顺时针回旋Iabd图9-209-20一块样品如图9-19所示,已知它的横截面积为S,宽为w,厚为d,载有电流I,外磁场垂直于电流(图中垂直于纸面向外)。
13、设单位体积中有n个载流子,每个载流子的电荷为q,平均定向速率为v。(1)证明:样品中存在一个大小为EvB的电场,并指出的方向;(2)上、下两边a、b的电势差U,哪边电势高?(3)霍耳常数定义为,证明:。(注意讨论q为正和负的情况)解:(1)在平衡时,运动电荷受洛仑兹力和霍尔电场的作用洛仑兹力 方向竖直向上即a边积累正电荷,b边积累负电荷所以霍尔电场由a边指向b边,大小(2) a边电势高(3)由霍尔常数定义 即 ,得证。磁力的功9-21题9-15中,若线圈在磁力作用下转到平衡位置,求磁场所做的功。解:开始时磁通量为: ,平衡位置时: IR图9-229-22半径R0.1m的半圆形闭合线圈,载有电流
14、I10A,放在B=0.5T的均匀磁场中,磁场方向与线圈面平行,如图9-22所示。求:(1)线圈所受磁力矩的大小和方向(以直径为转轴);(2)若线圈受磁力矩的作用转到线圈平面与磁场垂直的位置,则磁力矩作功解:(1),大小 方向竖直向上(2)磁介质9-23螺绕环中心周长l10cm,环上均匀密绕N200匝的线圈,线圈中通有电流I100mA。(1)求管内的磁感应强度和磁场强度;(2)若管内充满相对磁导率r4200的磁性物质,则管内的和是多少?解:(1)在螺绕环截面积较小时,可将环内磁场视为均匀的。由安培环路定律, 方向如图(2)由安培环路定律 , 9-24一无限长、半径为R1的直圆柱形铜导线(0)外包一层相对磁导率为r的圆筒形磁介质,其内外半径分别为R1和R2,铜导线内有电流强度I通过,电流在横截面上均匀分布。求磁场强