“探究磁场对电流的作用”实验解读

在我们的日常生活和生产中，有很多用电器，如电风扇、洗衣机、电冰箱等，通电后能够转动起来，其内部的核心部件就是电动机，那么电动机是根据什么原理工作的呢？带着这样的问题，我们先做如下一些探究.

一、磁场对电流的作用

探究活动一 磁场对通电导线的作用

提出问题：通电导体在磁场中是否受力的作用？如果受力的作用，力的方向又与什么因素有关？

猜想与假设：通电导体在磁场中受力的作用，力的方向可能与磁场的方向、导体中电流的方向有关.

设计并进行实验：

（1）按照图1所示组装实验器材.把一个直导线ab放在蹄形磁体的磁场里，闭合开关后，观察直导线ab的运动情况.

（2）不改变磁场方向，只改变通入ab的电流方向（将电源的正负极颠倒），观察直导线ab的运动情况.（运用了控制变量法思想）.

（3）不改变ab中的电流方向，只改变磁场的方向（将磁体的磁极颠倒），观察直导线ab的运动情况.

（4）同时改变导线ab中的电流方向和磁场方向，观察直导线ab的运动情况.

分析论证：

1.将导线ab放入磁场中，通入电流，ab运动起来.

2.不改变磁场方向，只改变通入ab的电流方向，ab的运动情况与（1）中的方向相反.

3.不改变ab中的电流方向，只改变磁场的方向（将磁体的磁极颠倒），ab的运动情况与（1）中的方向相反.

4.同时改变导线ab中的电流方向和磁场方向，ab的运动情况与（1）中的方向相同.

实验结论：

1.通电导线在磁场中会受到力的作用.

2.通电导体在磁场中的受力方向与导体中的电流方向及磁场方向有关.

3.当电流方向和磁感线方向同时改变时，则导体所受磁力方向不变.

拓展延伸：

进一步探究还会发现当导体中的电流方向与磁场方向平行时，磁场对通电导体没有力的作用.

探究活动二 磁场对通电线圈的作用

提出问题：通电线圈在磁场中受力的作用后如何运动？

设计并进行实验：

如图2甲所示，把一个线圈放在磁场中，闭合开关，让电流通过线圈，观察线圈的运动.

实验现象：线圈通电后会转动（如图2甲），但转到一定位置后摆动几下就不动了（如图2乙）.

分析论证：

（1）在图2甲所示位置时线圈ab和cd两条边因电流方向相反，故受力方向相反且并不在同一直线上，线圈转动.

（2）在图2乙所示位置时线圈ab和cd两段受力方向相反且在同一直线上，大小相等，成为一对平衡力，线圈就不转.但由于惯性，不能马上停止，线圈还要往前转.

实验结论：

通电线圈能在磁场中受力转动，但不能持续转动下去.

特别提醒：

（1）平衡位置是指线圈平面与磁感线方向垂直的位置，此时线圈受到磁场的作用力相互平衡.

（2）通电线圈转到平衡位置时，为什么不立即停下来，而是在位置附近摆动几下才停下来？

通电线圈转到平衡位置前具有一定的速度，由于惯性它会继续向前运动，但由于这时受到的磁场力及摩擦力等又会使它返回平衡位置，所以它要摆动几下后再停下来.

观察与思考：

问题：怎样才能使线圈持续转动下去呢？我们可以在线圈的两端安装一种叫“换向器”的装置.

换向器构造：由两个铜制半环（E、F）组成，如图3中的a、b、c所示.

换向器作用：当线圈刚转过平衡位置时，立即改变其中的电流的方向，通电线圈就能在磁场力的作用下继续转动下去.

分析：为什么安装换向器后又会连续转动呢？

如图3a，导体ab受到向上的力，而cd受到向下的力，且不在同一直线上，所以通电线圈开始转动.

如图3b，此时，由于换向器与电刷断开，所以导体ab、cd没有电流通过，导体ab、cd没有受到力的作用，但由于惯性，不能马上停止，线圈还要往前转动.

如图3c，由于惯性，当线圈偏离平衡位置时，导体ab受到向上的力，而cd受到向下的力，且不在同一直线上，因而通电线圈继续往前转动.

由上述探究还会发现：通电线圈在磁场中受力转动时，消耗了电能得到了机械能.

二、直流电动机

1.定义：使用直流电源供电的电动机，叫直流电动机.

2.组成：主要由线圈（转子）、磁极（定子）、电刷、换向器等组成.

3.工作原理：利用通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的（磁场对电流的作用）.

4.能量的转化：电能转化为机械能.

5.关于直流电动机的计算.

由于电动机工作时电能主要用来转化为机械能，但也有一部分转化为内能，因此其电路属于非纯电阻电路，计算时不能直接运用欧姆定律公式.

一般地，电动机消耗的总电能W总=UIt，线圈产生的热量为Q=I2Rt，做的机械功为W机=W总-Q=UIt-I2Rt，电动机的效率η=W机/W总×100%.

三、典型例题

例1 在探究通电导体在磁场中的受力方向与什么有关系时，一位同学做了如图4所示的3个实验，图中AB表示闭合电路的一部分导线，导线上的箭头表示电流的方向，F表示导线受力的方向，S、N表示蹄形磁铁的南北极.

（1）通过实验（a）和（b）说明，通电导体在磁场中的受力方向与 的方向有关.

（2）通过实验（a）和（c）说明，通电导线在磁场中的受力方向与 的方向有关.

点拨 比较（a）和（b）可以看出，磁场方向相同，由于电流方向改变导致受力方向改变；比较（a）和（c）可以看出，电流方向相同，由于磁场方向改变导致受力方向改变.

答案 电流、磁场

例2 用如图5所示的电路研究“磁场对通电导体的作用”时，下列做法可以改变导体受力方向的是（ ）.

A.只改变电流方向

B.增大电流

C.减小电流

D.对调磁极的同时改变电流方向

点拨 B、C只能改变受力的大小，而D受力方向是不变的，故选A.

例3 如图为我们实验室所用电流表的内部结构示意图.当接入电路，有电流通过线圈时，线圈带动指针偏转.该电流表的工作原理是 .

点拨 当电表中有电流通过时，指针会发生偏转，其工作原理是通电线圈在磁场中由于受到磁场力而会发生转动；故答案为：通电导线在磁场中受到力的作用（或磁场对电流有力的作用）.

例4 如图7，a表示垂直于纸面的一根通电导体，图甲已表示出导体a受力的方向，那么在其余各图中，a受到作用力的方向分别是什么？

点拨 比较甲乙，磁场方向相同，而导体中的电流方向相反，所以受力方向应改变，故受力方向应向右；比较甲丙，电流方向相同，而磁场方向相反，所以受力方向应改变，故受力方向应向右；比较甲丁，磁场方向、电流方向同时改变，所以受力方向应不变，故受力方向应向左.