基本定義
直線電流的安培定則對一小段直線電流也适用。環形電流可看成多段小直線電流組成,對每一小段直線電流用直線電流的安培定則判定出環形電流中心軸線上磁感強度的方向。疊加起來就得到環形電流中心軸線上磁感線的方向。直線電流的安培定則是基本的,環形電流的安培定則可由直線電流的安培定則導出,直線電流的安培定則對電荷作直線運動産生的磁場也适用,這時電流方向與正電荷運動方向相同,與負電荷運動方向相反。
在H.C.奧斯特電流磁效應實驗及其他一系列實驗的啟發下 ,A.-M.安培認識到磁現象的本質是電流 ,把涉及電流、磁體的各種相互作用歸結為電流之間的相互作用,提出了尋找電流元相互作用規律的基本問題。為了克服孤立電流元無法直接測量的困難 ,安培精心設計了4個示零實驗并伴以缜密的理論分析,得出了結果。
但由于安培對電磁作用持超距作用觀念,曾在理論分析中強加了兩電流元之間作用力沿連線的假設,期望遵守牛頓第三定律(兩個物體之間的作用力和反作用力,總是同時在同一條直線上,大小相等,方向相反。),使結論有誤。上述公式是抛棄錯誤的作用力沿連線的假設,經修正後的結果。應按近距作用觀點理解為,電流元産生磁場,磁場對其中的另一電流元施以作用力。 此定則的發現使人類更進一步的掌握了電學原理,為現代社會科技提供了理論基礎。
安培定則與庫侖定律相當,是磁作用的基本實驗定律 ,它決定了磁場的性質,提供了計算電流相互作用的途徑。
右手螺旋定則:1、假設用右手握住通電導線,大拇指指向電流方向,那麼彎曲的四指就表示導線周圍的磁場方向。 2、假設用右手握住通電螺線管,彎曲的四指指向電流方向,那麼大拇指的指向就是通電螺線管内部的磁場方向。
公式
電流元I1dL1對相距r12的另一電流元I2dL2的作用力df12為:
df12= I2dL2× [(μ0 / 4π)(I1dL1 × r12 / r123)]
式中dL1、dL2的方向都是電流的方向;r21是從I2dL2指向I1dL1的徑矢。
電流元之間的安培力公式可分為兩部分。其一是電流元I2dL2在電流元I1dL1(即上述r21)處産生的磁場為
dB = (μ0 / 4π)(I2dL2 × r21 / r213)
這是畢奧-薩伐爾定律。
其二是電流元I1dL1在磁場dB中受到的作用力df21為:
df = IdL × B
後者即電流元在磁場中的安培力公式。
發現過程
在奧斯特通過著名的“奧斯特實驗”發現電流的磁效應後,法國物理學家安培又進一步做了大量實驗,研究了磁場方向與電流方向之間的關系,并總結出安培定則,也叫做右手螺旋定則。
主要應用
右手螺旋定則可以用來找到兩個矢量的叉積的方向。由于這用途,在物理學裡,每當叉積出現時,就可以使用右手螺旋定則。以下列出一些物理量,它們的方向可以用右手螺旋定則找出:
一個正在進行轉動運動的物體,其角速度和此物體内部任何一點的轉動速度。
施加作用力于某位置所造成的力矩。
載流導線在四周所産生的磁場。
随着時間的演進而變化的電通量也會生成磁場。
移動于磁場的帶電粒子所感受到的洛倫茲力。
移動于磁場的導體,因為動生電動勢而産生的感應電流。
流體在任意位置的渦度。
由旋轉設定的方向
對于物體或流體的旋轉、磁場等等,可以使用右手螺旋定則來設定矢量。逆反過來,對于由矢量設定的旋轉的案例,可以用右手定則來了解旋轉的轉動方式。
右手螺旋定則可以用于安培定律的兩種互補應用方法
安培右手螺旋定則:将右手的大拇指指向磁場方向,再将其它四根手指握緊電線,則彎曲的方向決定電流的方向。
螺線管載有的電流,會産生磁場。使用右手螺旋定則,可以判斷磁場方向。将右手握住螺線管,四根手指朝着電流方向指去,然後将大拇指沿着螺線管的中心軸伸直,則磁場的方向即為大拇指所指的方向。
右手螺旋定則也可以用來辨明一條電線四周磁場的方向。對于這用法,右手螺旋定則稱為“安培右手螺旋定則”,或“安培定則”。如圖1所示,假若将右手的大拇指朝着電線的電流方向指去,再将其它四根手指握緊電線, 則四根手指彎曲的方向為磁場的方向。
在矢量微積分裡,右手螺旋定則被用來定義面積矢量和其邊界矢量之間的關系:将四根手指指向邊界矢量的方向,大拇指為面積矢量的方向。
螺旋定則
我們通常通過以下三種方法辨别地球的南北極:
1.立木棒垂直于地面,白天時陰影的指向即為北極;但這隻限于北回歸線以北北極圈以南的人們,所以此種方法不可行;
2.指南針;但地理北極和地磁北極有區别,故也不可行;
3.借助星體;北極星和南十字星座;這種方法在夜裡可行。
更深層的問題,出現把我們關于北的概念,推廣到宇宙中其他部分的某個星球上時;因為如果“北”這個詞有什麼普遍的含義,那麼任何别的星球也應有北極和南極。那麼它的北極究竟是哪一個呢?因為所有的星球看起來都将完全不同。
天文學家們對此有一個簡單的規則,他們稱之為“右手螺旋定則”。偶爾地,天文學家們也需要解決這樣的問題。聖父基督說不定就是其中之一,至少按照《新科學家》(New Scientist)的一期聖誕特刊的說法是這樣。在一篇文章中,當問到我們的太陽系中的某個其他星球或月亮的北極,是否能為聖誕老人提供比地球更好的居所時,賈斯廷·馬林斯簡潔地描述了這一規則:
"使你的右手握拳成拇指向上的形狀。如果行星的運轉方向與你手指的彎曲方向相符,你大拇指所指的就是北極。試着用它比劃一下地球的旋轉方式(地球的旋轉式自西向東,這也是為什麼太陽看起來是從東到西運行的原因)。"
對于地球來說,金星的北極是位于其底部的,因為在我們的太陽系的行星中,金星是在反方向上旋轉的。
力矩
我們通常通過以下三種方法辨别地球的南北極:
1.立木棒垂直于地面,白天時陰影的指向即為北極;但這隻限于北回歸線以北北極圈以南的人們,所以此種方法不可行;
2.指南針;但地理北極和地磁北極有區别,故也不可行;
3.借助星體;北極星和南十字星座;這種方法在夜裡可行。
更深層的問題,出現把我們關于北的概念,推廣到宇宙中其他部分的某個星球上時;因為如果“北”這個詞有什麼普遍的含義,那麼任何别的星球也應有北極和南極。那麼它的北極究竟是哪一個呢?因為所有的星球看起來都将完全不同。
天文學家們對此有一個簡單的規則,他們稱之為“右手螺旋定則”。偶爾地,天文學家們也需要解決這樣的問題。聖父基督說不定就是其中之一,至少按照《新科學家》(New Scientist)的一期聖誕特刊的說法是這樣。在一篇文章中,當問到我們的太陽系中的某個其他星球或月亮的北極,是否能為聖誕老人提供比地球更好的居所時,賈斯廷·馬林斯簡潔地描述了這一規則:
"使你的右手握拳成拇指向上的形狀。如果行星的運轉方向與你手指的彎曲方向相符,你大拇指所指的就是北極。試着用它比劃一下地球的旋轉方式(地球的旋轉式自西向東,這也是為什麼太陽看起來是從東到西運行的原因)。"
對于地球來說,金星的北極是位于其底部的,因為在我們的太陽系的行星中,金星是在反方向上旋轉的。
簡化方法
根據安培定則,我們知道,當右手除大拇指的手指手指是線圈的電流方向時,大拇指指向的就是N極。簡化過後就是:将螺線管中的電流方向逆時針旋轉90°,就是此螺旋管的N極。
還有另一種方法,是安培定則的一種轉換後的方法,我們暫且将它稱之為pSqN法。
pSqN法定義:從螺線管的螺旋口處看螺線管,如果形狀是字母"p"狀,那麼螺旋管的正極就是S極;如果形狀是"q"狀,那麼螺線管正極就是N極。
為方便記憶,pSqN可以隻記憶p-S的對應關系,PS本身是大家所熟悉的圖形編輯軟件Photoshop的簡稱,在大量使用後,也廣泛成為了一個熟知的動詞。
解釋:
先尋找螺線管的正極,也就是它的電流進入處;
然後将螺線管旋轉過來,看螺線管的旋口處;這時我們可以發現,旋口處的導線纏繞出來的形狀,會很像小寫字母"p"或小寫字母"q";
如果形狀是p,那麼螺線管的正極處就是S極,如果形狀是q,那麼螺線管的正極處就是N極。
這就是一種螺線管的判定方法pSqN法。
逆定理:觀察螺線管的螺旋口,如果是"p"狀,那麼S極處,便是這個螺線管的正極;如果是"q"狀,那麼N極處,便是這個螺線管的正極。
pSqN法适合于學生做題時不靠手在大腦中快速判定螺線管的正負極與N、S極的對應關系。為确保萬一,在做題時使用安培定則則可以更安全、保證無錯誤。
此外,安培定則可以簡化為“上左下右”,即當磁體橫放時,電流方向在正面的方向由下而上,則N極在左,即“上左”,反之電流向下時右側是N極,即“下右”。可通過此法快速判定N極。