上海交大版 大学物理 答案7稳恒磁场习题思考题
- 格式:doc
- 大小:848.50 KB
- 文档页数:8
第七章稳恒电流1、在磁感强度为B的均匀磁场中作一半径为r 的半球面S ,S 边线所在平面的法线方向单位矢量n与B 的夹角为α ,则通过半球面S 的磁通量(取弯面向外为正)为 (A) πr 2B . . (B) 2 πr 2B . (C) -πr 2B sin α. (D) -πr 2B cos α.2、磁场由沿空心长圆筒形导体的均匀分布的电流产生,圆筒半径为R ,x 坐标轴垂直圆筒轴线,原点在中心轴线上.图(A)~(E)哪一条曲线表示B -x 的关系?[ ]3、如图,两根直导线ab 和cd 沿半径方向被接到一个截面处处相等的铁环上,稳恒电流I 从a 端流入而从d 端流出,则磁感强度B沿图中闭合路径L 的积分⎰⋅LlB d 等于(A) I 0μ. (B)I 031μ. (C) 4/0I μ. (D) 3/20I μ.4、如图,在一固定的载流大平板附近有一载流小线框能自由转动或平动.线框平面与大平板垂直.大平板的电流与线框中电流方向如图所示,则通电线框的运动情况对着从大平板看是: (A) 靠近大平板. (B) 顺时针转动. (C) 逆时针转动. (D) 离开大平板向外运动.5、在一根通有电流I 的长直导线旁,与之共面地放着一个长、宽各为a 和b 的矩形线框,线框的长边与载流长直导线平行,且二者相距为b ,如图所示.在此情形中,线框内的磁通量Φ =______________.n B α SOB x O R (A) BxO R (B)Bx O R (D) Bx O R (C)BxO R (E)x 电流 圆筒II ab c d 120°I 1I 2b baI6、如图所示,在真空中有一半圆形闭合线圈,半径为a ,流过稳恒电流I ,则圆心O 处的电流元l I d 所受的安培力Fd 的大小为____,方向________.7、有一根质量为m ,长为l 的直导线,放在磁感强度为 B的均匀磁场中B 的方向在水平面内,导线中电流方向如图所示,当导线所受磁力与重力平衡时,导线中电流I =___________________.8、如图所示,一无限长载流平板宽度为a ,线电流密度(即沿x 方向单位长度上的电流)为δ ,求与平板共面且距平板一边为b 的任意点P 的磁感强度.9、一根同轴线由半径为R 1的长导线和套在它外面的内半径为R 2、外半径为R 3的同轴导体圆筒组成.中间充满磁导率为μ的各向同性均匀非铁磁绝缘材料,如图.传导电流I 沿导线向上流去,由圆筒向下流回,在它们的截面上电流都是均匀分布的.求同轴线内外的磁感强度大小B 的分布.答案: 一 选择题1、D2、A3、D4、B5、2ln 20πIaμ6、a l I 4/d 20μ 垂直电流元背向半圆弧(即向左)7、)/(lB mgIlI dIBI8、解:利用无限长载流直导线的公式求解. (1) 取离P 点为x 宽度为d x 的无限长载流细条,它的电流x i d d δ=(2) 这载流长条在P 点产生的磁感应强度 x i B π=2d d 0μxxπ=2d 0δμ 方向垂直纸面向里. (3) 所有载流长条在P 点产生的磁感强度的方向都相同,所以载流平板在P 点产生的磁感强度==⎰B B d ⎰+πba bxdx x20δμb b a x +π=ln 20δμ 方向垂直纸面向里.9、解:由安培环路定理: ∑⎰⋅=i I l Hd 0< r <R 1区域: 212/2R Ir rH =π 212R Ir H π=, 2102R Ir B π=μR 1< r <R 2区域: I rH =π2r I H π=2, rIB π=2μR 2< r <R 3区域: )()(22223222R R R r I I rH ---=π )1(22223222R R R r r IH ---π= )1(2222322200R R R r r IH B ---π==μμ r >R 3区域: H = 0,B = 0x d x PO x党的十九届四中全会精神解读1.《中共中央关于坚持和完善中国特色社会主义制度、推进国家治理体系和治理能力现代化若干重大问题的决定》提出,到(),各方面制度更加完善,基本实现国家治理体系和治理能力现代化。
第7章 稳恒磁场一、思考讨论题1、如图4.1所示的电流元Idl 是否在空间所有点的磁感应强度均不为零?请你指出Idl在a 、b 、c 、d 四点产生的磁感应强度的方向。
解:不是,电流元Idl在自身产生的磁感应强度为零。
a 、垂直纸面向外b 、垂直纸面向外c 、垂直纸面向内d 、垂直纸面向内2、分别求图4.2中的三种情况下,通有电流I 的直线电流在图中点产生磁感应强度B 的大小和方向。
解:a 图,()a I cos cos a I B πμπμ823145304--=-=方向垂直纸面向内 b 图,()aIcos cos a I B πμπμ82345604--=-= 方向垂直纸面向内 c 图() 30041cos cos a I B -=πμ () 1806030402cos cos tan c a I B -=πμ aIB B B πμ41312-=-= 方向垂直纸面向内3、电流分布如图4.3所示,分别求出各图中O 点的磁感应强度O B的大小和方向。
图4.1图4.2a图4.2ba图4.2c1 R 3解:a 图, 321B B B B ++=()30060431cos cos cos R IB B -==πμ23601202a I B μ=方向垂直纸面向内b 图, 01=B ,RIR I B 126122μμ==,()2322180150243-=-⋅=R I cos cos R I B πμπμ所以,⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+=R R I B πμ432121 方向垂直纸面向内 c 图,RIR I B 834321μμ==,052==B B R I B B πμ16243==,所以,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=πμ238R I B 方向垂直纸面向外 4、若空间中存在两根无限长直载流导线,则磁场的分布就不存在简单的对称性,因此:(A )安培环路定理已不成立,故不能直接用此定理计算磁场分布。
(B )安培环路定理仍然成立,故仍可直接用此定理计算磁场分布。
第七章 恒定磁场7 -1 两根长度相同的细导线分别多层密绕在半径为R 和r 的两个长直圆筒上形成两个螺线管,两个螺线管的长度相同,R =2r ,螺线管通过的电流相同为I ,螺线管中的磁感强度大小B R 、B r 满足( ) (A ) (B ) (C ) (D )分析与解 在两根通过电流相同的螺线管中,磁感强度大小与螺线管线圈单位长度的匝数成正比.根据题意,用两根长度相同的细导线绕成的线圈单位长度的匝数之比因而正确答案为(C )。
7 -2 一个半径为r 的半球面如图放在均匀磁场中,通过半球面的磁通量 为( )(A ) (B ) (C ) (D )分析与解 作半径为r 的圆S ′与半球面构成一闭合曲面,根据磁场的高斯定理,磁感线是闭合曲线,闭合曲面的磁通量为零,即穿进半球面S 的磁通量等于穿出圆面S ′的磁通量;.因而正确答案为(D ). 7 -3 下列说法正确的是( )(A ) 闭合回路上各点磁感强度都为零时,回路内一定没有电流穿过 (B ) 闭合回路上各点磁感强度都为零时,回路内穿过电流的代数和必定为零 (C ) 磁感强度沿闭合回路的积分为零时,回路上各点的磁感强度必定为零(D ) 磁感强度沿闭合回路的积分不为零时,回路上任意一点的磁感强度都不可能为零分析与解 由磁场中的安培环路定律,磁感强度沿闭合回路的积分为零时,回路上各点的磁感强度不一定为零;闭合回路上各点磁感强度为零时,穿过回路的电流代数和必定为零。
因而正确答案为(B ).7 -4 在图(a)和(b)中各有一半径相同的圆形回路L1 、L2 ,圆周内有电流I1 、I2 ,其分布相同,且均在真空中,但在(b)图中L2 回路外有电流I3 ,P 1 、P 2 为两圆形回路上的对应点,则( )r R B B 2=r R B B =r R B B =2r R B B 4=21==R r n n r R B r 2π2B r 2παB r cos π22αB r cos π2S B ⋅=m Φ(A ) ,(B ) ,(C ) ,(D ) ,分析与解 由磁场中的安培环路定律,积分回路外的电流不会影响磁感强度沿回路的积分;但同样会改变回路上各点的磁场分布.因而正确答案为(C ).*7 -5 半径为R 的圆柱形无限长载流直导体置于均匀无限大磁介质之中,若导体中流过的恒定电流为I ,磁介质的相对磁导率为μr (μr<1),则磁介质内的磁化强度为( ) (A )(B ) (C ) (D )分析与解 利用安培环路定理可先求出磁介质中的磁场强度,再由M =(μr-1)H 求得磁介质内的磁化强度,因而正确答案为(B ).7 -6 北京正负电子对撞机的储存环是周长为240 m 的近似圆形轨道,当环中电子流强度为8 mA 时,在整个环中有多少电子在运行? 已知电子的速率接近光速。
第7章 稳恒磁场7-1 如图,一个处在真空中的弓形平面载流线圈acba ,acb 为半径cm 2=R 的圆弧,ab 为圆弧对应的弦,圆心角090aob ∠=,A 40=I ,试求圆心O 点的磁感应强度的大小和方向。
解 由例7-1 线段ba 的磁感应强度 o o 40140(cos45-cos135) =410T4π0.02cos45B μ-=⨯⨯︒方向垂直纸面向外。
由例7-2 圆弧acb 的磁感应强度4002π1402 3.1410T 2π2420.02I μB R μ-==⨯=⨯方向垂直纸面向内。
4120.8610TB B B -=-=⨯方向垂直纸面向外。
7-2 将载流长直导线弯成如图所示的形状,求圆心O 点处磁感应强度。
解 如图,将导线分成1(左侧导线)、2(半圆导线)、3(右侧导线)三部分,设各部分在O 点处产生的磁感应强度分别为1B 、2B 、3B 。
根据叠加原理可知,O 点处磁感应强度321B B B B++=。
01=B024I B Rμ=,方向垂直于纸面向里034πI B Rμ=,方向垂直于纸面向里O 点处磁感应强度大小为习题7-1图0O 23(1π)4πIB B B Rμ=+=+ ,方向垂直于纸面向里。
7-3 一圆形载流导线圆心处的磁感应强度为1B ,若保持导线中的电流强度不变,而将导线变成正方形,此时回路中心处的磁感应强度为2B ,试求21:B B解 设导线长度为l ,为圆环时, 2πl R = 001π2I I B R l μμ==为正方形时,边长为4l,由例7-100024(cos 45cos135)4π8IB lμ=⨯-=⨯212 :πB B =7-4 如图所示,一宽为a 的薄长金属板,均匀地分布电流I ,试求在薄板所在平面、距板的一边为a 的点P 处的磁感应强度。
解 取解用图示电流元,其宽度为d r ,距板下边缘距离为r ,其在P 点处激发的磁感应强度大小为00d d d 2π22π(2)II r B (a r)a r aμμ==--,方向垂直于纸面向外。
方向垂直纸面向外方向垂直纸面向里14-2.两根长直导线沿半径方向引到铁环上/、B 两点,并与很远处的 电源相连,如图所示.求环屮心O 点的磁感应强度3 .解:设两段圆弧电流对O 的磁感应强度大小分别为B 「B 2,导线长度分别为L]和L-横截面积为S,电阻电流和【2的关系L 2Mb R| L- s E _ "oh [ d]二"o 1人11 4兀儿r2 4兀 rg _ "(J 2 f ^1 _ "o —L22 4TT 打 r 2 4花 r由于两段圆弧电流对O 的磁感应强度方向相反,所以 B=014-3.无限长细导线弯成如图所示的形状,其屮c 部分是在“y 平面内 半径为7?的半圆,试求通以电流/时o 点的磁感应强度。
解:a 段B 严出4/rRb 段 B 2=O 习题 14・1.如图所示的弓形线框屮通有电流/,求圆心0处的磁感应强度B. 解:圆弧在O 点的磁感应强度 B , “° 10 47T R “ol6R肓导线在O 点的磁感应强度 B 2 融歸斷60Jin")] =器总场强B 嘤半4) 方向垂直纸面向里J I _R 2 【2 即 I]L] =I 2L 214-4.无限长直圆柱形导体内有一无限长直圆柱形空腔(如图所示),空腔与导体的两轴I I线平行,间距为4,若导体内的电流密度均匀为八/的方向平行于轴线。
求腔内任意点的磁感应强度B 0解:采用补偿法,以导体的轴线为圆心,过空腔屮任一点作闭合冋路押‘ •dL = //O j7rr 2 B]=弓-同理还绘过这一点以空腔导体的轴线为I 员1心作闭合冋路^B 2*dL = //0>(a -r)214・5.在半径R = \c m 的无限长半圆柱形金属片屮,有电流 /=5A 白下而上通过,如图所示。
试求圆柱轴线上一点P 处的磁 感应强度的大小。
o 点的总场强 B = 一倍/ +络R 方向如图 在P 点处的磁感应强度 2TT R 2TZ -2RdB s =d B S in, = ^L S in^B x = \dB x = f T - sin 0d0 = -^- = 6.37 x 10~5 TJ Jo 2兀-R 71-R14-6.如图所示的空心柱形导体,柱的半径分别为Q 和b,导体内载有电流/,设电流/均匀分布在导体横截血上。
上海交通高校版高校物理学习题答案之7机械振动习题思索题习题77-1.原长为m 5.0的弹簧,上端固定,下端挂一质量为kg 1.0的物体,当物体静止时,弹簧长为m 6.0.现将物体上推,使弹簧缩回到原长,然后放手,以放手时开头计时,取竖直向下为正向,写出振动式。
(g 取9.8)解:振动方程:cos()x A t ω?=+,在本题中,kx mg =,所以9.8k =;ω===振幅是物体离开平衡位置的最大距离,当弹簧升长为0.1m 时为物体的平衡位置,以向下为正方向。
所以假如使弹簧的初状态为原长,那么:A=0.1,当t=0时,x=-A,那么就可以知道物体的初相位为π。
所以:0.1cos x π=+)即)x =?7-2.有一单摆,摆长m 0.1=l ,小球质量g 10=m .0=t 时,小球正好经过 rad 06.0?=θ处,并以角速度rad/s 2.0=?θ向平衡位置运动。
设小球的运动可看作简谐振动,试求:(g 取9.8)(1)角频率、频率、周期;(2)用余弦函数形式写出小球的振动式。
解:振动方程:cos()x A t ω?=+我们只要依据题意找到对应的各项就行了。
(1)角频率: 3.13/rad s ω===,频率:0.5Hz ν===,周期:22T s ===(2)依据初始条件:Aθ?=0cos 象限)象限)4,3(02,1(0{sin 0?=ωθ?A ?可解得: 32.2088.0?==?,A 所以得到振动方程:0.088cos 3.13 2.32t θ=?7-3.一竖直悬挂的弹簧下端挂一物体,最初用手将物体在弹簧原特长托住,然后放手,此系统便上下振动起来,已知物体最低位置是初始位置下方cm 0.10处,求:(1)振动频率;(2)物体在初始位置下方cm 0.8处的速度大小。
解:(1)由题知2A=10cm,所以A=5cm; 1961058.92=×=?=?x g m K 又ω=14196==mk,即ππν721==m k (2)物体在初始位置下方cm 0.8处,对应着是x=3cm 的位置,所以:03cos 5x A ?==那么此时的04sin 5v A ?ω=?=±那么速度的大小为40.565vA ω==7-4.一质点沿x 轴作简谐振动,振幅为cm 12,周期为s 2。
第14章 稳恒电流的磁场 参考答案一、选择题1(B),2(A),3(D),4(C),5(B),6(D),7(B),8(C),9(D),10(A) 二、填空题(1). 最大磁力矩,磁矩 ; (2). πR 2c ; (3). )4/(0a I μ; (4).RIπ40μ ;(5). μ0i ,沿轴线方向朝右. ; (6). )2/(210R rI πμ, 0 ; (7). 4 ; (8).B I R2,沿y 轴正向; (9). ωλB R 3π,在图面中向上; (10). 正,负.三 计算题1. 将通有电流I 的导线在同一平面内弯成如图所示的形状,求D 点的磁感强度B的大小.解:其中3/4圆环在D 处的场 )8/(301a I B μ=AB 段在D 处的磁感强度 )221()]4/([02⋅π=b I B μBC 段在D 处的磁感强度)221()]4/([03⋅π=b I B μ1B、2B 、3B 方向相同,可知D 处总的B 为)223(40baI B +ππ=μ2. 半径为R 的导体球壳表面流有沿同一绕向均匀分布的面电流,通过垂直于电流方向的每单位长度的电流为K .求球心处的磁感强度大小.解:如图θd d d KR s K I ==2/32220])cos ()sin [(2)sin (d d θθθμR R R I B +=32302d sin R KR θθμ=θθμd sin 2120K =⎰π=020d sin 21θθμK B ⎰π-=00d )2cos 1(41θθμK π=K 041μ3. 如图两共轴线圈,半径分别为R 1、R 2,电流为I 1、I 2.电流的方向相反,求轴线上相距中点O 为x 处的P 点的磁感强度. 解:取x 轴向右,那么有2/322112101])([2x b R I R B ++=μ 沿x 轴正方向 2/322222202])([2x b R I R B -+=μ 沿x 轴负方向21B B B -=[2μ=2/32211210])([x b R I R ++μ]])([2/32222220x b R I R -+-μ若B > 0,则B方向为沿x 轴正方向.若B < 0,则B的方向为沿x 轴负方向.4.一无限长圆柱形铜导体(磁导率μ0),半径为R ,通有均匀分布的电流I .今取一矩形平面S (长为1 m ,宽为2 R ),位置如右图中画斜线部分所示,求通过该矩形平面的磁通量.解:在圆柱体内部与导体中心轴线相距为r 处的磁感强度的大小,由安培环路定 律可得: )(220R r rRIB ≤π=μ因而,穿过导体内画斜线部分平面的磁通Φ1为⎰⎰⋅==S B S B d d 1 Φr r RI Rd 2020⎰π=μπ=40Iμ在圆形导体外,与导体中心轴线相距r 处的磁感强度大小为)(20R r rIB >π=μ因而,穿过导体外画斜线部分平面的磁通Φ2为⎰⋅=S Bd 2Φr r I R Rd 220⎰π=μ2ln 20π=I μ穿过整个矩形平面的磁通量 21ΦΦΦ+=π=40I μ2ln 20π+I μ5. 一半径为 4.0 cm 的圆环放在磁场中,磁场的方向对环而言是对称发散的,如图所示.圆环所在处的磁感强度的大小为0.10 T ,磁场的方向与环面法向成60°角.求当圆环中通有电流I =15.8 A 时,圆环所受磁力的大小和方向.1 m解:将电流元I d l 处的B分解为平行线圈平面的B 1和垂直线圈平面的B 2两分量,则 ︒=60sin 1B B ; ︒=60cos 2B B分别讨论线圈在B 1磁场和B 2磁场中所受的合力F 1与F 2.电流元受B 1的作用力l IB lB I F d 60sin 90sin d d 11︒=︒=方向平行圆环轴线.因为线圈上每一电流元受力方向相同,所以合力⎰=11d F F ⎰π︒=Rl IB 20d 60sin R IB π⋅︒=260sin = 0.34 N ,方向垂直环面向上.电流元受B 2的作用力l IB lB I F d 60cos 90sin d d 22︒=︒= 方向指向线圈平面中心. 由于轴对称,d F 2对整个线圈的合力为零,即02=F . 所以圆环所受合力 34.01==F FN , 方向垂直环面向上.6. 如图所示线框,铜线横截面积S = 2.0 mm 2,其中OA 和DO '两段保持水平不动,ABCD 段是边长为a 的正方形的三边,它可绕OO '轴无摩擦转动.整个导线放在匀强磁场B中,B 的方向竖直向上.已知铜的密度ρ = 8.9×103 kg/m 3,当铜线中的电流I =10 A 时,导线处于平衡状态,AB段和CD 段与竖直方向的夹角α =15°.求磁感强度B的大小.解:在平衡的情况下,必须满足线框的重力矩与线框所受的磁力矩平衡(对OO '轴而言). 重力矩 αραρs i n s i n 2121gSa a a gS a M +⋅=αρsin 22g Sa =B 2d l磁力矩ααcos )21sin(222B Ia BIa M =-π=平衡时 21M M = 所以 αρsin 22g Sa αcos 2B Ia = 31035.9/tg 2-⨯≈=I g S B αρT7. 半径为R 的半圆线圈ACD 通有电流I 2,置于电流为I 1的无限长直线电流的磁场中,直线电流I 1恰过半圆的直径,两导线相互绝缘.求半圆线圈受到长直线电流I 1的磁力.解:长直导线在周围空间产生的磁场分布为 )2/(10r I B π=μ取xOy 坐标系如图,则在半圆线圈所在处各点产生的磁感强度大小为:θμsin 210R I B π=, 方向垂直纸面向里,式中θ 为场点至圆心的联线与y 轴的夹角.半圆线圈上d l 段线电流所受的力为:l B I B l I F d d d 22=⨯= θθμd sin 2210R R I I π=θsin d d F F y =. 根据对称性知: F y =0d =⎰y F θcos d d F F x = ,⎰π=0x x dF F ππ=2210I I μ2210I I μ=∴半圆线圈受I 1的磁力的大小为: 2210I I F μ=,方向:垂直I 1向右.I 2I 1A DC8. 如图所示.一块半导体样品的体积为a ×b ×c .沿c 方向有电流I ,沿厚度a 边方向加有均匀外磁场B (B的方向和样品中电流密度方向垂直).实验得出的数据为 a =0.10 cm 、b =0.35 cm 、c =1.0 cm 、I =1.0 mA 、B =3.0×10-1 T ,沿b 边两侧的电势差U =6.65 mV ,上表面电势高.(1) 问这半导体是p 型(正电荷导电)还是n 型(负电荷导电)?(2) 求载流子浓度n 0 (即单位体积内参加导电的带电粒子数).解:(1) 根椐洛伦兹力公式:若为正电荷导电,则正电荷堆积在上表面,霍耳电场的方向由上指向下,故上表面电势高,可知是p 型半导体。
第七章 稳恒磁场习题7-1 一个半径为r 的半球面如图放在均匀磁场中,通过半球面的磁通量为多少?解:取平面S ’与半球面S 构成闭合曲面,根据高斯定理有 0m mS mS ΦΦΦ'=+=2cos mS mS r E ΦΦπα'=-=-球面外法线方向为其正方向7-2 如图所示,几种载流导线在平面内分布,电流均为I ,它们在点O 的磁感应强度各为多少?08IR μ垂直画面向外0022II RR μμπ-垂直画面向里 00+42I IR Rμμπ垂直画面向外 7-3 如图所示,两根导线沿半径方向引向铁环上的A ,B 两点,并在很远处与电源相连。
已知圆环的粗细均匀,求环中心O 的磁感应强度。
解: 如图所示,圆心O 点磁场由直电流∞A 和∞B 及两段圆弧上电流1I 与2I 所产生,但∞A 和∞B 在O 点产生的磁场为零。
且θ-πθ==21221R R I I 电阻电阻 1I 产生1B 方向⊥纸面向外πθπμ2)2(2101-=R I B2I 产生2B 方向⊥纸面向里πθμ22202R I B =∴1)2(2121=-=θθπI I B B 有0210=+=B B B7-4 如图所示,已知地球北极地磁场磁感强度B 的大小为6.0×10-5T 。
如设想此地磁场是由地球赤道上一圆电流所激发的,此电流有多大?流向如何?(已知圆电流轴线上北极点的磁感强度()R IRR IR B 24202/32220μμ=+=)解:9042 1.7310A RBI μ==⨯方向如图所示7-5 有一同轴电缆,其尺寸如题图所示.两导体中的电流均为I ,但电流的流向相反,导体的磁性可不考虑。
试计算以下各处的磁感应强度:(1)r<R 1;(2)R 1<r<R 2;(3)R 2<r<R 3;(4)r>R 3。
解:同轴电缆的电流分布具有轴对称性在电缆各区域中磁感应线是以电缆轴线为对称轴的同心圆。
x2 27-3 图中三棱柱面高 h =1.0m ,底面各边长分别为 ab=0.6m ,bc=0.4m ,ac=0.3m ,沿 ad第七章 稳 恒 磁 场7-1 两根无限长直导线相互垂直地放置在两正交平面内, 分别通有电流 I 1=2A ,I 2=3A , 如图所示。
求点 M 1和 M 2处的磁感应强度。
图中 AM 1=AM 2=lcm ,AB=2cm. 。
解: 无限长电流的磁感应强度为 B 0I ,两无限长2d 电流在点 M 1 和 M 2 处的磁感应强度相互垂直,合磁感 应强度为I I 25T B M 1 2 0I 102 ( I 12 I 23 ) 2 33 10 54 1=4.47 10 B M 20I ( I 12 I 22 ) 2 10 54 9=7.21 10 5T 2 10 2习题 7- 1 图7- 2一无限长的载流导线中部被弯成圆弧形,圆弧半径 R=3cm ,导线中的电流 I=2A , 如图所示,求圆弧中心 O 点的磁感应强度。
解:两半无限长电流在 O 点产生的磁感应强度 方向相同,叠加为 B O1 2 0方向 ? O14 R 3/4圆电流在 O 点产生的磁感应强度为 B O23 0I4 2R 方向 O 点的合磁感应强度为B OBO1BO2-74 10-722 3 10 20.43 1.8 10-5 T 方向x2 2习题 7-3 图边有直长导线,导线申通有电流 I=4A 。
求通过 cbef 面的磁通量。
解 :通过 cbef 面的磁通量应与通过 gbje 面的磁通量相当ag=ac=0.3m ,有=B SdS0.6 0I0.32xhdx 0Ih ln 0.60.34 10 1ln2 5.54 10-7 Wbd j e7-4 两根平行直长导线载有电流 I 1=I 2=20A 。
试求( 1)两导线所在平面内与两导线等 A 处的磁感应强度; ( 2)通过图中矩形面积的磁通量。
图中 r 1=r 3=10cm ,r2=20cm ,1)两半无限长电流在中点 A 点产生的磁感应强度方向相同,叠加为B A 2 2)= BS 0Il22.2 20 1 0220 1dS 300I 102 1 1 (1 x40x 30410-740-x-610)ldx x 0I220 25 10 224 10 204 10-5T方向?2 ln37- 5 两个半径为 R 示, o 点是两环心 o1、o 2 的中点,求在两环心 o 1、o 2连线上离 强度。
习题77-1.如图所示的弓形线框中通有电流I ,求圆心O 处的磁感应强度B。
解:圆弧在O 点的磁感应强度:00146I IB R Rμθμπ==,方向: ; 直导线在O点的磁感应强度:000020[sin 60sin(60)]4cos602II B R Rμππ=--=,方向:⊗;∴总场强:01)23IB Rμ=-,方向⊗。
7-2.如图所示,两个半径均为R 的线圈平行共轴放置,其圆心O 1、O 2相距为a ,在两线圈中通以电流强度均为I 的同方向电流。
(1)以O 1O 2连线的中点O 为原点,求轴线上坐标为x 的任意点的磁感应强度大小;(2)试证明:当a R =时,O 点处的磁场最为均匀。
解:见书中载流圆线圈轴线上的磁场,有公式:2032222()I R B R z μ=+。
(1)左线圈在x 处P 点产生的磁感应强度:20132222[()]2P I R B aR x μ=++,右线圈在x 处P 点产生的磁感应强度:20232222[()]2P I R B a R x μ=+-,1P B 和2P B方向一致,均沿轴线水平向右,∴P 点磁感应强度:12P P P B B B =+=2330222222[()][()]222I R a a R x R x μ--⎧⎫++++-⎨⎬⎩⎭;(2)因为P B 随x 变化,变化率为d Bd x,若此变化率在0x =处的变化最缓慢,则O 点处的磁场最为均匀,下面讨论O 点附近磁感应强度随x 变化情况,即对P B 的各阶导数进行讨论。
对B 求一阶导数:d B d x 25502222223()[()]()[()]22222I R a a a a x R x x R x μ--⎧⎫=-++++-+-⎨⎬⎩⎭当0x =时,0d Bd x=,可见在O 点,磁感应强度B 有极值。
对B 求二阶导数:22()d d B d B d x d x d x== 222057572222222222225()5()311222[()][()][()][()]2222a a x x I R a a a a R x R x R x R x μ⎧⎫+-⎪⎪⎪⎪--+-⎨⎬⎪⎪+++++-+-⎪⎪⎩⎭当0x =时,202x d Bd x ==222072223[()]2a R I R a R μ-+, 可见,当a R >时,2020x d Bd x=>,O 点的磁感应强度B 有极小值, 当a R <时,2020x d Bd x =<,O 点的磁感应强度B 有极大值,当a R =时,2020x d Bd x ==,说明磁感应强度B 在O 点附近的磁场是相当均匀的,可看成匀强磁场。
【利用此结论,一般在实验室中,用两个同轴、平行放置的N 匝线圈,相对距离等于线圈半径,通电后会在两线圈之间产生一个近似均匀的磁场,比长直螺线管产生的磁场方便实验,这样的线圈叫亥姆霍兹线圈】7-3.无限长细导线弯成如图所示的形状,其中c 部分是在xoy 平面内半径为R 的半圆,试求通以电流I 时O 点的磁感应强度。
解:∵a 段对O 点的磁感应强度可用0SB d l I μ⋅=∑⎰求得,有:04a I B R μπ=,∴04a I B j Rμπ=-b 段的延长线过O 点,0b B =,c 段产生的磁感应强度为:0044c I IB R R μμππ=⋅=,∴04c I B k R μ=则:O 点的总场强:0044O I I B j k R Rμμπ=-+,方向如图。
7-4.在半径cm 1=R 的无限长半圆柱形金属片中,有电流A 5=I 自下而上通过,如图所示。
试求圆柱轴线上一点P 处的磁感应强度的大小。
解:将半圆柱形无限长载流薄板细分成宽为dl R d θ=的长直电流, 有:dl d d I R θππ==,利用0S B d l I μ⋅=∑⎰ 。
在P 点处的磁感应强度为:00222d I I d dB R Rμμθππ==, ∴02sin sin 2x IdB dB d Rμθθθπ==,而因为对称性,0y B = 那么,005220sin 6.3710x x I IB B dB d T πμμθθππ-=====⨯⎰⎰。
7-5.如图所示,长直电缆由半径为R 1的导体圆柱与同轴的内外半径分别为R 2、R 3的导体圆筒构成,电流沿轴线方向由一导体流入,从另一导体流出,设电流强度I 都均匀地分布在横截面上。
求距轴线为r 处的磁感应强度大小(∞<<r 0)。
解:利用安培环路定理0SB d l I μ⋅=∑⎰分段讨论。
(1)当10r R <≤时,有:210212r IB r R ππμπ⋅= ∴01212I rB R μπ=; (2)当12R r R ≤≤时,有:202B r I πμ⋅=,∴022IB r μπ=; (3)当23R r R ≤≤时,有:2223022322()r R B r I I R R πππμππ-⋅=--, ∴2232032232I B R r R rR μπ--=⋅; (4)当3r R >时,有:402()B r I I πμ⋅=-,∴40B =。
则:021011222323223230(0)()()0()222r R R r R B R r R r R I rR IrR r r I R R μπμπμπ⎧<≤⎪⎪⎪≤≤⎪⎪=⎨⎪-⎪⋅≤≤-⎪⎪>⎪⎩7-6.一边长为l =0.15m 的立方体如图放置在均匀磁场(63 1.5)T =++B i j k 中,计算(1)通过立方体上阴影面积的磁通量;(2)通过立方体六面的总磁通量。
解:(1)通过立方体上(右侧)阴影面积的磁通量为Wb135.015.066)5.136(21=⨯=⨯=⋅++=⋅=Φ⎰⎰⎰SSSm dS i dS k j i S d B(2)由于立方体左右两个面的外法线方向相反,通过这两个面的磁通量相互抵消,同理,上下两面和前后两面各相互抵消,因此通过立方体六面的总磁通量为0。
7-7.一根很长的直导线,载有电流10A ,有一边长为1m 的正方形平面与直导线共面,相距为1m ,如图所示,试计算通过正方形平面的磁感应通量。
解:将正方形平面分割成平行于直导线的窄条,对距离直导线为x 宽度为dx 的窄条,通过的磁通量为dx xIdx x I Bldx d m πμπμ21200=⨯⨯==Φ 通过整个正方形平面的磁通量为Wb 104122260210-⨯===Φ⎰.ln Idx x I m πμπμ7-8.如图所示,在长直导线旁有一矩形线圈,导线中通有电流120A =I ,线圈中通有电流210A =I ,已知d =1cm,b =9cm,l =20cm ,求矩形线圈上所受到的合力是多少?解:矩形线圈上下两边所受的磁力相互抵消。
矩形线圈左边所受的磁力为 N 10824102121-⨯===dI lI lB I F πμ 方向向左 矩形线圈右边所受的磁力为 N 108)(25102222-⨯=+==b d I lI lB I F πμ方向向右 矩形线圈上所受到的合力为 N 102.7421-⨯=-=F F F 方向向左7-9.无限长直线电流1I 与直线电流2I 共面,几何位置如图所示, 试求直线电流2I 受到电流1I 磁场的作用力。
解:在直线电流2I 上任意取一个小电流元dl I 2, 此电流元到长直线的距离为x ,无限长直线电流1I 在小电流元处产生的磁感应强度为:012I B xμπ=⊗,再利用d F I Bdl =,考虑到0cos 60d xdl =,有:01202cos60I I d x d F x μπ=⋅, ∴0120120ln 2cos60b a I I I I d xb F x aμμππ=⋅=⎰。
7-10.一半径为R 的无限长半圆柱面导体,载有与轴线上的 长直导线的电流I 等值反向的电流,如图所示,试求轴线上长 直导线单位长度所受的磁力。
解:设半圆柱面导体的线电流分布为1I i Rπ=, 如图,由安培环路定理,i 电流在O 点处产生的磁感应强度为:02id B Rd Rμθπ=⋅, 可求得:00120sin 2O y iR I B d B d R Rπμμθθππ==⋅=⎰⎰; 又∵d F I dl B =⨯,故01222O I I d F B I dl dl Rμπ==, 有:0122I I d F f dl Rμπ==,而21I I =,所以:202πμ==Id F f dl R。
7-11.有一根U 形导线,质量为m ,两端浸没在水银槽中, 导线水平部分的长度为l ,处在磁感应强度大小为B 的均匀 磁场中,如图所示。
当接通电源时,U 导线就会从水银槽中 跳起来。
假定电流脉冲的时间与导线上升时间相比可忽略, 试由导线跳起所达到的高度h 计算电流脉冲的电荷量q 。
解:接通电流时有F BIl =⇒dv mBIl dt =,而d qI dt =, 则:mdv Bl dq =,积分有:0v m mvq dv Bl Bl==⎰; 又由机械能守恒:mgh mv =221,有:gh v 2=,∴mv q Bl ==7-12.截面积为S 、密度为ρ的铜导线被弯成正方形的三边, 可以绕水平轴O O '转动,如图14-53所示。
导线放在方向竖 直向上的匀强磁场中,当导线中的电流为I 时,导线离开原来 的竖直位置偏转一个角度θ而平衡,求磁感应强度。
解:设正方形的边长为a ,质量为m ,aS m ρ=。
平衡时重力矩等于磁力矩:由m M p B =⨯ ,磁力矩的大小:202sin(90)cos M BIa BIa θθ=-=;重力矩为:sin 2sin 2sin 2aM mga mg mga θθθ=+⋅=平衡时:2cos 2sin BI a mga θθ=,∴22tan tan mg gSB I a Iρθθ==。
7-13.在电子显像管的电子束中,电子能量为12000eV ,这个显像管的取向使电子水平地由南向北运动。
该处地球磁场的竖直分量向下,大小为55.510T -⨯。
问: (1)电子束受地磁场的影响将偏向什么方向? (2)电子的加速度是多少?(3)电子束在显像管内在南北方向上通过20cm 时将偏离多远?解:(1)根据f qv B =⨯可判断出电子束将偏向东。
(2)利用221mv E =,有:m E v 2=,而ma qvB f ==,∴1141028.62-⋅⨯===s m m EmqB m qvB a (3)2211()3mm 22Ly at a v===。
7-14.如图所示,一个带有电荷q (0q >)的粒子,以速度v 平行于均匀带电的长直导线运动,该导线的线电荷密度为λ(0λ>),并载有传导电流I 。