电磁力

通有电流的导体周围存在着磁场，如果把这个导体放在一个U形永久磁铁的两个磁极之间，电流的磁场和永久磁铁的磁场就会发生相互作用。我们可以按图1做一个实验。用两根细铜线把一根直导体悬挂起来，给导体通上电流，将会发现导体向一定的方向运动；改变导体中电流的方向，导体运动方向也随之改变。这个实验说明，载流导体在磁场中会受到力的作用，这种力叫电磁力。

让我们具体地看一看电流在恒定磁场中受力的情况。先看受力的方向，如图2a所示，假如电流的方向与N、S两个磁极的磁力线方向相垂直，用右手螺旋定则可以确定电流周围磁力线的方向如图2b。电流的磁场与永久磁铁的磁场叠加在一起：导线右侧，两种磁力线方向一致，加强了原磁场；导线左侧，两种磁力线方向相反，削弱了原磁场。合成磁场磁力线的分布如图2c所示。这时，在载流导体两侧，磁力线密度不再是均衡的了，导体就受到一个横向力的作用向左方运动。读者可以用同样的方法证明，当电流方向改变后，导体将向右方运动。显然，电磁力的方向与磁力线和电流的方向有关，三个方向是相互垂直的，可以用左手三个手指来模拟。如图3所示：左手的拇指、食指和中指互相垂直，令食指指向磁力线的方向，中指指向导体中电流的方向，则拇指所指就是电磁力的方向。这个简单的方法叫“左手定则”。

再看电磁力的大小。既然电磁力是由两种磁场相互作用产生的，所以永久磁铁的磁感应强度B越大，导体中的电流I越大，电磁力F也就越大。图4的实验证明，在一个磁感应强度为B（韦伯／米\(^{2}\)）的均匀磁场中，如果垂直安放一直导体，它的有效长度为1（米），流过的电流为I（安培），则导体所受的电磁力为

通电直导体在磁场中的放置位置有三种情况：第一种情况如图5a，电流方向和磁力线的方向相互垂直，用“左手定则”可以判定电磁力是沿着从里向外垂直于纸面的方向作用的；第二种情况（图5b）是电流的方向与磁力线的方向平行，这时按左手定则沿中指所指方向的电流分量为零，所以导体不受力；第三种情况介乎这两种极端情况之间，导体与磁力线成一夹角θ（图5c），这时受力的导体的有效长度为lsinθ，所以导体所受的电磁力为

式（2）是计算电磁力的一般公式。在图5a的情况下，θ=90°，得到公式（1）。在图5b的情况下，θ=0°，所以F=0。

我们再来分析一种更有实际意义的情况。如图6所示，把一个矩形线圈放在均匀磁场中，通上电流后，线圈的①、③两边（长度为l1）将受到电磁力的作用，每边的受力为

而②、④两边与磁力线平行，不受电磁力的作用。若把矩形线圈绕在框架上，并把框架支架在转轴上，就会产生回转力矩，沿转轴向一定的方向偏转，线圈所受到的力矩为

如果采用米作为长度的单位，A是线圈的面积（A=l\(_{1}\)×l2），则

常用的磁电式电流表就是利用电磁力的原理制作的（图7）。为了提高测量的灵敏度，采用多圈的矩形线圈，这个线圈通过上下两个游丝与被测电路相通。线圈放在磁场中，一经通电，就受电磁力的作用发生偏转，直到电磁力矩与游丝的反抗力矩相平衡时，线圈才静止下来，指针就指示出与偏转角度成正比的电流数值。为了使动框线圈平面无论在磁场中的哪个位置，磁感应强度都相同，把磁极做成了圆弧形。为了获得尽可能强的磁场，在磁极中间放一个圆柱形铁芯。这样，就使线圈在一个很窄的气隙中受力产生偏转，偏转角度只随线圈中电流强度而改变（图8）。

利用通电线圈在磁场中受力的原理，也可以制成常见的耳机或扬声器等电声转换器件。图9示出了电动式扬声器的原理。当位于永久磁铁磁极气隙中的线圈有交变的信号电流通过时，线圈的磁场与永久磁铁的磁场发生相互作用，使线圈随信号电流产生相应的振动，并牵动和它粘在一起的纸盆，发出相应的声波。

利用电磁力的原理，制作出了把电能转换成机械能的设备——电动机。电动机分直流和交流两种，让我们来看看简单直流电动机的原理。

如果我们简单地在一对永久磁铁的磁极中间，安放一个能绕轴旋转的电磁铁（称为转子）。当它处在图10a所示的位置上，它能转动；但是如果处在图10b所示的位置上，转子就停止不动了。这里有两个问题需要解决：怎样才能机电流引入旋转的转子线圈中去呢？如何使转子连续不停地旋转呢？人们想出了这样一个办法，如图11所示，在转子的回转轴上装一个绝缘物做成的圆筒，圆筒的外面镶上两个半圆形的铜环，叫换向器。再用两个富于弹性的电刷紧密接触随转子旋转的换向器片。这样，不仅解决了通电的问题，而且当转子旋转半圈之后，能够通过换向器自动改变线圈中电流的方向，从而使转子能连续地向同一方向旋转（图12）。

不但通电线圈在永久磁铁之间会受到电磁力的作用，相邻的两个通电线圈之间也有电磁力的作用（图13）。根据这个道理，为了增强磁场以便得到更大的电磁力矩，也常常采用电磁铁来代替永久磁铁，如图14所示，在软铁心上绕上线圈，通电后铁心就产生了N、S两个磁极，与永久磁铁的作用一样，但磁场却大大增强了。

运动电荷在磁场中也会受到力的作用，磁场对运动电荷的作用力叫洛伦兹力。如图15所示，假定有一个速度为 V〔米／秒〕的电子飞入一对磁极之间，其间各点的磁感应强度均为B〔韦伯／米\(^{2}\)〕，一个电子所具有的电量e＝1.602×10－19〔库伦〕，这个运动电子在磁场中所受的作用力为

力的方向也可以用“左手定则”确定，但此时中指所指的方向应与电子运动的方向相反。由于磁场对电荷的作用力F永远与电荷运动方向垂直，因此洛伦兹力不能改变运动电荷速度的大小，只能改变电荷运动的方向，使电子沿一个圆弧运动。

根据外加磁场能使电子的运动发生偏转的原理，做成了电视机的显象管，图16是简单示意图。在电子枪中灯丝把阴极加热发射出电子来，其强弱由栅极相对于阴极的电压来控制，再经过加正电压的阳极，使汇聚成很细的电子束。在管壁上还有一个加有一万多伏高压的阳极，使电子束以高速冲射到荧光屏幕上。

对电子束扫描运动的控制，是利用套在管颈外面的水平和垂直偏转线圈来实现的（图17）。在这两个线圈中分别通以锯齿波扫描电流，产生偏转磁场，使电子束在显象管屏幕上做均匀的扫描运动，就可以得到屏幕上的扫描线条。再通过栅极控制各瞬时电子束的强度，使扫描线条上各点亮暗程度不等，屏幕上就显示出相应的图象来了。（编者注：“电学漫话”到此告一段落。）(张学志 颜超 宋东生编译)