第三節 計算平行載電導線之間的磁力

如何計算兩根載電平行導線互相施予對方的磁力呢?


考慮在所示,由導線 \(1\) 所產生、在離開導線外相距 \(r\) 的位置的磁場大小是:

\(\displaystyle{{{B}_{1}}=\frac{{{\mu }_{0}}{{I}_{1}}}{2\pi \ r}}\)

導線 \(2\) 在這個磁場下所受到的磁力大小就是:

\({{F}_{21}}={{B}_{1}}\ {{I}_{2}}\ l\ \sin 90{}^\circ \)

其中 \(l\) 是導線的長度。換言之:

\(\displaystyle{{{F}_{21}}=\frac{{{\mu }_{0}}{{I}_{1}}{{I}_{2}}l}{2\pi \ r}}\)

同樣道理,考慮導線 \(2\) 所產生的磁場就是 \({{B}_{2}}={{\mu }_{0}}{{I}_{2}}/\left( 2\pi r \right)\),而導線 \(1\) 在磁場 \({{B}_{2}}\) 下所受到的磁力就是 \({{F}_{12}}={{B}_{2}}{{I}_{1}}l\)。即 \({{F}_{12}}\) = \({{\mu }_{0}}{{I}_{1}}{{I}_{2}}l/\left( 2\pi r \right)\) = \({{F}_{21}}\)。


由此可知,兩根相距 \(r\) 的平行載電導線之間的磁力大小就是:

\(\displaystyle{F=\frac{{{\mu }_{0}}{{I}_{1}}{{I}_{2}}l}{2\pi \ r}}\)

兩根相距 \(r\) 的載電導線之間所產生的磁場 (\(B\)) 及磁力 (\(F\))
例子

顯示四條處於正方形頂點的長直平行導線 \(P\)、\(Q\)、\(R\) 和 \(S\)。若 \(P\)、\(Q\) 和 \(S\) 每條導線有等值的電流 \(I\) 通過,方向皆為指出屏幕,而通過 \(R\) 的電流則指入屏幕。考慮導線 \(P\) 所受淨力為零,試求在導線 \(R\) 上的電流。


【題解】

設導線 \(R\) 上的電流為 \({{I}_{R}}\)、正方形 \(PQRS\) 的邊長為 \(a\)。

導線 \(Q\) 作用在導線 \(P\) 的每單位長度的力(電流同向,力指向上):

\(\displaystyle{{{F}_{PQ}}=\frac{{{\mu }_{0}}{{I}^{2}}}{2\pi a}}\)

導線 \(S\) 作用在導線 \(P\) 的每單位長度的力(電流同向,力指向右):

\(\displaystyle{{{F}_{PS}}=\frac{{{\mu }_{0}}{{I}^{2}}}{2\pi a}}\)

導線 \(R\) 作用在導線 \(P\) 的每單位長度的力(電流反向,力指向左下):

\(\begin{align} {{F}_{PR}} &= \frac{{{\mu }_{0}}I\ {{I}_{R}}}{2\pi \sqrt{{{a}^{2}}+{{a}^{2}}}} \\ &= \frac{{{\mu }_{0}}I\ {{I}_{R}}}{2\pi \sqrt{2}a}\end{align}\)

換言之,

\(\begin{align} \text{導線} \ P \ \text{所受淨力} &= \sqrt{{{F}_{PQ}}^{2}+{{F}_{PS}}^{2}}-{{F}_{PR}} \\ &= 0\end{align}\)

代入算式並化簡後,得:

      \({{I}_{R}}\) =
  • \(2\)
  • \(1/2\)
  • \(2^{1/2}\)
  • \(2^{-1/2}\)
\(I\)

【參考資料】
由於導線 \(P\) 所受淨力等於零,所以:

\(\begin{align}\sqrt{{{F}_{PQ}}^{2}+{{F}_{PS}}^{2}}-{{F}_{PR}} &= 0 \\ \sqrt{{{\left( \frac{{{\mu }_{0}}{{I}^{2}}}{2\pi a} \right)}^{2}}+{{\left( \frac{{{\mu }_{0}}{{I}^{2}}}{2\pi a} \right)}^{2}}}-\frac{{{\mu }_{0}}I\ {{I}_{R}}}{2\pi \sqrt{2}a} &= 0 \\ \sqrt{2}\frac{{{\mu }_{0}}{{I}^{2}}}{2\pi a}-\frac{{{\mu }_{0}}I\ {{I}_{R}}}{2\pi \sqrt{2}a} &= 0 \\ \sqrt{2}I-\frac{{{I}_{R}}}{\sqrt{2}} &= 0 \\ {{I}_{R}} &= 2\ I \end{align}\)

四條垂直於屏幕的長直載流導線 \(P\)、\(Q\)、\(R\) 和 \(S\) 的電流方向
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