14章磁场例题习题

第十四章 稳恒磁场
例题
例14-1 在真空中，电流由长直导线1沿垂直于底边bc 方向经a 点流入一由电阻均匀的导线构成的正三角形金属线框，再由b 点从三角形框流出，经长直导线2沿cb 延长线方向返回电源(如图)．已知长直导线上的电流强度为I ，三角框的每一边长为l ，求正三角形的中心点O 处的磁感强度B
．
解：令1B 、2B 、acb B 和ab B
分别代表长直导线1、2和三角形框ac 、cb 边和ab 边中的电流在O
点产生的磁感强度．则 ab acb B B B B B
21 1B ：由于O 点在导线1的延长线上，所以1B
= 0．
2B ：由毕－萨定律)60sin 90(sin 402 d I B 式中 6/330tan 2
1
l l Oe d
)23
1(34602 l
I B )332(40 l I 方向：垂直纸面向里．
acb B 和ab B
：由于ab 和acb 并联，有 acb acb ab ab R I R I
又由于电阻在三角框上均匀分布，有
2
1
cb ac ab R R acb ab ∴ acb ab I I 2 由毕奥－萨伐尔定律，有ab acb B B 且方向相反． ∴ )332(402
l
I
B B ，B
的方向垂直纸面向里．
例14-2 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 ，求与平板共面并且距离平板一边为b 的任意点 P 的磁感强度． 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
(2) 这载流长条在P 点产生的磁感应强度 x
i
B
2d d 0 x
x
2d 0
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
b
a b
x
dx x
20
b b a x ln 20 方向垂直纸面向里．
a
b
I
I
O
1 2 e
例14-1图
O
b
x
a
P
例14-2图
例14-3 如图所示，半径为R ，线电荷密度为 (>0)的均匀带电的圆线圈，绕过圆心与圆平面垂直的轴以角速度 转动，求轴线上任一点的B
的大小及其方向．
解： R I 2
/322
30)
(2y R R B B y
B
的方向与y 轴正向一致．
例14-4 平面闭合回路由半径为R 1及R 2 (R 1 > R 2 )的两个同心半圆弧和两个直导线段组成(如图)．已知两个直导线段在两半圆弧中心O 处的磁感强度为零，且闭合载流回路在O 处产生的总的磁感强度B 与半径 为R 2的半圆弧在O 点产生的磁感强度B 2的关系为B = 2 B 2/3，求R 1与R 2的关系．
解：由毕奥－萨伐尔定律可得，设半径为R 1的载流半圆弧在O 点产生的磁感强度为B 1，
则 1
014R I
B
同理, 2024R I
B
∵ 21R R ∴ 21B B 故磁感强度 12B B B 2
04R I
1
04R I
2
06R I
∴ 213R R
例14-5 在图(a)和(b)中各有一半径相同的圆形回路L 1、L 2，圆周内有电流I 1、I 2，其分布相同，且均在真空中，但在(b)图中L 2回路外有电流I 3，P 1、P 2为两圆形回路上的对应点，则：[ ] (A)
1d L l B
2
d L l B
，21P P B B
(B)
1
d L l B 2
d L l B ，21P P B B ．
(C)
1
d L l B
2
d L l B
，21P P B B ．(D)
1
d L l B 2
d L l B
，21P P B B ．
例14-6 在安培环路定理 i L
I l B 0d 中， i I 是指 ；B
是指 ．
例14-3图
例14-4图
1 2
I 3
(a) (b)
⊙
例14-5图
例14-7 如图，一条任意形状的载流导线位于均匀磁场中，试证明导线a 到b 之间的一段上所受的安培力等于载同一电流的直导线ab 所受的安培力．
证明：由安培定律 B l I f d d ，ab 整曲线所受安培力为 b a
B l I f f
d d
因整条导线中I 是一定的量，磁场又是均匀的，可以把I 和B
提到
积分号之外，
即 b a
B l I f d B l I b
a
)d (B ab I
载流相同、起点与终点一样的曲导线和直导线，处在均匀磁场中，所受安培力一样．
例14-8 判断下列说法是否正确，并说明理由：
（1） 若所取围绕长直载流导线的积分路径是闭合的，但不是圆，安培环路定理也成立．
（2） 若围绕长直载流导线的积分路径是闭合的，但不在一个平面内，则安培环路定理不成立．
例14-9 如图所示，一半径为R 的均匀带电无限长直圆筒，面电荷密度为 ．该筒以角速度 绕其轴线匀速旋转．试求圆筒内部的磁感强度．
解：如图所示，圆筒旋转时相当于圆筒上具有同向的面电流密度i ， R R i )2/(2
作矩形有向闭合环路如右图中所示．从电流分布的对称性分析可知，在ab 上各点B 的大小和方向均相同，而且B
的方向平
行于ab ，在bc 和fa 上各点B 的方向与线元垂直，在de , cd fe ,上各点0 B
．
应用安培环路定理 I l B 0d
可得 ab i ab B 0 R i B 00 圆筒内部为均匀磁场，磁感强度的大小为 R B 0 ，方向平行于轴线朝右． 例14-10 如右图，匀强磁场中有一矩形通电线圈，它的平面与磁场平行，在磁场作用下，线圈发生转动，其方向是 [ ]
(A) ab 边转入纸内，cd 边转出纸外．(B) ab 边转出纸外，cd 边转入纸内．
(C) ad 边转入纸内，bc 边转出纸外．(D) ad 边转出纸外，bc 边转入纸内．
例14-11 如图，长载流导线ab 和cd 相互垂直，它们相距l ，ab 固定不动，
cd 能绕中点O 转动，并能靠近或离开ab ．当电流方向如图所示时，导线cd 将[ ] (A) 顺时针转动同时离开ab ． (B) 顺时针转动同时靠近ab ．
例14-7图
例14-9图
例14-10图
例14-11图
(C) 逆时针转动同时离开ab ． (D) 逆时针转动同时靠近ab ．
例14-12 两个同心圆线圈，大圆半径为R ，通有电流I 1；小圆半径为r ，通有电流I 2，方向如图．若r << R (大线圈在小线圈处产生的磁场近似为均匀磁场)，当它们处在同一平面内时小线圈所受磁力矩的大小为[ ]
(A)
R r I I 22
210 ． (B)
R
r I I 22
210 ．
(C) r
R I I 22
210 ． (D) 0．
例14-13 载流平面线圈在均匀磁场中所受的力矩大小与线圈所围面积 ；在面积一定时，与线圈的形状 ．(填： 有关、无关)
习题
14-1 边长为l 的正方形线圈，分别用图示两种方式通以电流I (其中ab 、cd 与正方形共面)，在这两种情况下，线圈在其中心产
生的磁感强度的大小分别为[ ]
(A) 01 B ，02 B ．
(B) 01 B ，l
I
B 0222
．
(C) l I B
0122 ，02 B ． (D) l I B 0122 ，l
I
B 0222 ． 14-2 在真空中，电流I 由长直导线1沿垂直bc 边方向经a 点流入一由电阻均匀的导线构成的正三角形线框，再由b 点沿平行ac 边方向流出，经长直导线2返回电源(如图)．三角形框每边长为l ，则在该正三角框中心O 点处磁感强度的大小为 ；磁感强度的方向为 。

14-3 无限长直导线在P 处弯成半径为R 的圆，当通以电流I 时，则圆心
O 点的磁感强度大小等于 [ ] (A) R I 20 ． (B) R
I
0 (C) 0． (D)
)1
1(20 R I
．
O
r
R I 1 I 2 例14-12图
a 习题 习题14-2图 习题14-3图
14-4 如图，一半径为R 的带电塑料圆盘，其中半径为r 的阴影部分均匀带正电荷，面电荷密度为+ ，其余部分均匀带负电荷，面电荷密度为- 当圆盘
以角速度 旋转时，测得圆盘中心O 点的磁感强度为零，问R 与r 满足什么关系？
14-5 两根长直导线通有电流I ，图示有三种环路；在下列情况下，
d B 等于： (对环路b )； (对环路c )．
14-6 有一同轴电缆，其尺寸如图所示，它的内外两导体中的电流均为
I ，且在横截面上均匀分布，但二者电流的流向正相反，则在r < R 1处B= ；在r > R 3处B= ．
14-7 把轻的正方形线圈用细线挂在载流直导线AB 的附近，两者在同一平面内，直导线AB 固定，线圈可以活动．当正方形线圈通以如图所示的电流时线圈将[ ]
(A) 不动． (B) 发生转动，同时靠近导线AB ．
(C) 离开导线AB ． (D) 靠近导线AB ．
14-8 两个带电粒子，以相同的速度垂直磁感线飞入匀强磁场，它们的质量之比是1∶4，电荷之比是1∶2，它们所受的磁场力之比是
；运动轨迹半径之比是 ．
14-9 如图所示，有两根平行放置的长直载流导线．它们的直径为a ，反向流过相同大小的电流I ，电流在导线内均匀分布．试在图示的坐标系中求出x
轴上两导线之间区域]2
5
,21[a a 内磁感强度的分布．
14-10 有一无限长通电流的扁平铜片，宽度为a ，厚度不计，电流I 在铜片
上均匀分布，在铜片外与铜片共面，离铜片右边缘为b 处的P 点(如图)的磁感强
度B
的大小为[ ]
(A)
)
(20b a I
． (B)
b
b
a a
I
ln
20 ．
习题14-4图 习题14-6图
A
B
I
习题14-7图
习题14-9图
习题14-10图
(C)
b
b
a b
I
ln
20 ． (D) )2(0b a I ．
14-11 若空间存在两根无限长直载流导线，空间的磁场分布就不具有简单的对称性，则该磁场分布[ ] (A) 不能用安培环路定理来计算． (B) 可以直接用安培环路定理求出．
(C) 只能用毕奥－萨伐尔定律求出． (D) 可以用安培环路定理和磁感强度的叠加原理求出．
14-12 长直电流I 2与圆形电流I 1共面，并与其一直径相重合如图(但两者
间绝缘)，设长直电流不动，则圆形电流将[ ]
(A) 绕I 2旋转． (B) 向左运动． (C) 向右运动． (D) 向上运动．
14-13 一质量为m 、电荷为q 的粒子，以与均匀磁场B
垂直的速度
v 射入磁场内，则粒子运动轨道所包围范围内的磁通量 m 与磁场磁感强度
B
大小的关系曲线是(A)～(E)中的哪一条？[ ]
14-14 一个动量为p 的电子，沿图示方向入射并能穿过一个宽度为D 、
磁感强度为B
(方向垂直纸面向外)的均匀磁场区域，则该电子出射方向和入射方向间的夹角为[ ] (A) p eBD 1
cos
． (B) p
eBD 1sin ． (C) ep
BD 1
sin
． (D) ep BD 1cos ．
14-15 一载有电流I 的细导线分别均匀密绕在半径为R 和r 的长直圆筒上形成两个螺线管，两螺线管单位长度上的匝数相等．设R = 2r ，则两螺线管中的磁感强度
1
习题14-12图
O B
m
(A)
O B
m
(B)
O B
m
(C)
O B
m
(D)
习题14-13图
习题14-14图
大小B R 和B r 应满足：[ ]
(A) B R = 2 B r ． (B) B R = B r ． (C) 2B R = B r ． (D) B R = 4 B r ．
14-16 电子在磁感强度为B
的均匀磁场中沿半径为R 的圆周运动，电子运动所形成的等效圆电
流强度I = ；等效圆电流的磁矩p m = ．已知电子电荷为e ，电子的质量为m e ．
例题答案：
例14-1：解：令1B 、2B 、acb B 和ab B
分别代表长直导线1、2和三角形框ac 、cb 边和ab 边中的电流
在O 点产生的磁感强度．则 ab acb B B B B B
21
1B ：由于O 点在导线1的延长线上，所以1B
= 0．
2B ：由毕－萨定律)60sin 90(sin 402 d I B 式中 6/330tan 2
1
l l Oe d
)23
1(34602 l
I B )332(40 l I 方向：垂直纸面向里．
acb B 和ab B
：由于ab 和acb 并联，有 acb acb ab ab R I R I
又由于电阻在三角框上均匀分布，有
2
1
cb ac ab R R acb ab ∴ acb ab I I 2 由毕奥－萨伐尔定律，有ab acb B B 且方向相反． ∴ )332(402
l
I
B B ，B
的方向垂直纸面向里．
例14-2：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
(2) 这载流长条在P 点产生的磁感应强度 x
i
B
2d d 0 x
x
2d 0
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
b
a b
x
dx x
20
b b a x ln 20 方向垂直纸面向里． 例14-3：解： R I 2
/322
30)
(2y R R B B y
B
的方向与y 轴正向一致．
例14-4：解：由毕奥－萨伐尔定律可得，设半径为R 1的载流半圆弧在O 点产生的磁感强度为B 1，
则 1
014R I
B
同理, 2024R I
B
∵ 21R R ∴ 21B B 故磁感强度 12B B B 2
04R I
1
04R I
2
06R I
∴ 213R R
例14-5： C
例14-6： 环路L 所包围的所有稳恒电流的代数和 环路L 上的磁感强度
例14-7：证明：由安培定律 B l I f d d ，ab 整曲线所受安培力为 b a
B l I f f
d d
因整条导线中I 是一定的量，磁场又是均匀的，可以把I 和B
提到积分号之外，
即 b a
B l I f d B l I b
a
)d (B ab I
载流相同、起点与终点一样的曲导线和直导线，处在均匀磁场中，所受安培力一样．
例14-8：答：第一说法对，第二说法不对．
∵ 围绕导线的积分路径只要是闭合的，不管在不在同一平面内，也不管是否是圆，安培环
路定理都成立． 例14-9：解：如图所示，圆筒旋转时相当于圆筒上具有同向的面电流密度i ， R R i )2/(2
作矩形有向闭合环路如右图中所示．从电流分布的对称性分析可
知，在ab 上各点B 的大小和方向均相同，而且B
的方向平
行于ab ，在bc 和fa 上各点B
的方向与线元垂直，在de , cd fe ,上各点0 B ．
应用安培环路定理 I l B 0d
可得 ab i ab B 0 R i B 00 圆筒内部为均匀磁场，磁感强度的大小为 R B 0 ，方向平行于轴线朝右． 例14-10：A 例14-11：D 例14-12：D
例14-13： 有关 无关 习题答案： 14-1：C 14-2： l
I
430 垂直纸面向里 14-3：D
14-4：解：带电圆盘转动时，可看作无数的电流圆环的磁场在O 点的叠加．
某一半径为 的圆环的磁场为 )2/(d d 0 i B 而 d )]2/([d 2d i ∴ d 2
1
)2/(d d 00
B
正电部分产生的磁感强度为 r B r
2
d 2
00
负电部分产生的磁感强度为 )(2
d 2
00r R B R
r
今 B B ∴ r R 2
14-5：0 2I 0
14-6：)2/(2
10R rI 0
14-7：D
14-8：1∶2 1∶2
14-9：解：建立坐标系，应用安培环路定理，左边电流产生的磁感应强度
x
2I
B 01 ； 方向向里 右边电流产生的磁感应强度
)
x a 3(2I
B 02
； 方向向外
应用磁场叠加原理可得磁场分布为，
)
3(2200x a I
x
I
B
)2
5
2(
a x a B
的方向垂直x 轴及图面向里．
14-10：B 14-11：D 14-12：C 14-13：C 14-14：B 14-15：B
14-16：)2/(2e m Be )2/(2
2e m R Be。