题目
已知地球在赤道上的磁感应强度大小为B,一通有电流的东西朝向的水平导线的密度为rho,为了使该导线在赤道上悬浮在地球的磁场中,需要的电流密度J(假定它是均匀的)的大小为()A. (rho g)/(2B)B. (B)/(rho g)C. (B)/(2rho g)D. (2rho g)/(B)E. (rho g)/(B)F. (2B)/(rho g)
已知地球在赤道上的磁感应强度大小为$B$,一通有电流的东西朝向的水平导线的密度为$\rho$,为了使该导线在赤道上悬浮在地球的磁场中,需要的电流密度$J$(假定它是均匀的)的大小为()
A. $\frac{\rho g}{2B}$
B. $\frac{B}{\rho g}$
C. $\frac{B}{2\rho g}$
D. $\frac{2\rho g}{B}$
E. $\frac{\rho g}{B}$
F. $\frac{2B}{\rho g}$
题目解答
答案
E. $\frac{\rho g}{B}$
解析
本题考查安培力与重力平衡的知识点,解题思路是先根据安培力公式求出导线所受安培力,再根据重力公式求出导线所受重力,最后令安培力与重力相等,从而求出电流密度。
- 计算导线所受安培力:
- 设导线的横截面积为$S$,长度为\\(l),根据安培力公式$F = BIL$(其中$F$为安培力,$B$为磁感应强度,$I$为电流,$L$为导线在磁场中的有效长度),可得导线所受安培力$F_{安}=BIL$。
- 又因为电流密度$J=\frac{I}{S}$,即$I = JS$,所以$F_{安}=BJS L$。
- 计算导线所受重力:
- 已知导线的密度为$\rho$,根据密度公式$\rho=\frac{m}{V}$(其中$\rho$为密度,$m$为质量,$V$为体积),可得导线的质量$m = \rhoV$。
- 而导线的体积$V = SL$,所以$m = \rho SL$。
- 根据重力公式$G = mg$(其中$G$为重力,$m$为质量,$g)为重力加速度),可得导线所受重力\(G = \rho SLg$。
- 根据平衡条件求解电流密度
- 要使导线悬浮在地球的磁场中,则导线所受安培力与重力平衡,即$F_{安}=G$。
- 把$F_{安}=BJS L$和$G = \rho SLg$代入$F_{安}=G$中,得到$BJS L = \rho SLg$。
- 等式两边同时约去$SL$,可得$BJ = \rho g$。
- 求解$J$,$J)=\frac{\rho g}{B}$。