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电磁力

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  电荷、电流在电磁场中所受力的总称。也有称静止电荷在电场中所受力为静电力,而称载流导体在磁场中所受力为电磁力。电工中所关注的电介质在电磁场中受到的电磁有质动力也是电磁力。
  库仑定律和安培实验表明:电荷在电场中受到库仑力;电流在磁场中受到安培力。电荷量为q的点电荷在电场强度E的电场中受到的作用力即库仑力是

FeqE     (1)

电流元Idl磁通密度B的磁场中受到的磁力即安培力由安培分式表示

dFIdl×B        (2)

        
一个载电流的导体回路l所受的力便可由上式沿回路l的积分得到

电磁力          (3)

       
电荷量为q的点电荷以速度v在磁场中运动受到的磁力称为洛伦兹力,为

Fqv×B        (4)

运动电荷所受洛伦兹力的方向总是与运动速度垂直,所以洛伦兹力对运动电荷所做的功恒为零。当电场、磁场同时存在时,运动电荷受到的洛伦兹力即为

Fq(Ev×B)      (5)

当电荷以体密度ρ分布时, 电磁力的体密度即为

fρ(Ev×B)       (6)

由式(5)或式(6)所表示的洛伦兹力的公式和麦克斯韦方程组是经典电动力学的基础。
  电介质在电场中因极化出现束缚电荷而受到电场力;磁介质在磁场中因磁化出现分子电流而受到磁力。这些力又称介质力(本质上也都是洛伦兹力)。其中一部分为介质本身所承受的为内应力;另一部分为材料总体上净余的力,称为电磁有质动力。电工中所关注的是有质动力。在电机中通常起主要作用的力是磁场作用在铁质电枢上的有质动力,而不是载电流的导体上受的力。因为导体常置于槽内,槽中的磁通密度很小,载流导体受力很小。电枢上受的有质动力可以运用虚位移方法由外源供能、场能、机械功的平衡式导出。在静电场中,假定不存在电滞那样的现象,则一带电体受到的电场力在广义坐标g方向的分量fg与静电场的能量We,有以下关系

电磁力     (7)

由上式可见, 保持电场中的各电荷不变的条件下,带电体的受力有某一方向的分量时,则沿该方向的移动必导致电场能量减少。由此可以判断物体的受力方向。当保持电场中各导体电位不变,在电场中的介质都是线性的情形下,还有

电磁力      (8)

可见带电体受力有某一方向的分量时,则沿该方向的移动将导致电场能量增加。
  对于磁场中的载流回路所受的力,有与式(7)、(8)相似的公式。假定不存在磁滞那样的现象,载流回路所受的力在广义坐标g方向的分量可表示为

电磁力     (9)

式中Wm是磁场的能量。在磁介质为线性的情形下,还有

电磁力    (10)

在运用场能对广义坐标的偏导数计算物体的受力时,需要有以各广义坐标g表示的场能的函数式,而这就需要知道场的分布。
  在现今工程技术能够实现的条件下,可以产生强磁场和大电流,从而获得强大的磁力,但却难以获得大量的静电荷和强电场以产生强大的静电力。几乎所有的电动机都是靠磁力驱动的。而一些静电仪器、电子管器件、静电除尘装置等,则是以静电力来实现其功能的。

 

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