.-4. 试探电流元Idl在磁场中某处沿直角坐标系的x轴方向放置时-|||-不受力,把这电流元转到 +y 轴方向时受到的力沿 -2 轴方向,此处的磁感应-|||-场强度B指向何方?

题目解答
答案

解析
本题主要考察磁感应强度的定义及洛伦兹力公式的应用。解题关键在于利用磁场对电流元的作用力公式 $\text{d}\vec{F} = I\text{d}\vec{l} \times \vec{B}$,结合题目给出的两种受力情况反推磁感应强度 $\vec{B}$ 的方向。
步骤1:分析电流元沿x轴放置时的受力
当电流元 $I\text{d}\vec{l}$ 沿x轴方向时,$\text{d}\vec{l} = \text{d}l\vec{i}$($\vec{i}$为x轴单位矢量)。此时电流元不受力,即 $\text{d}\vec{F} = 0$。
根据洛伦兹力公式:
$\text{d}\vec{F} = I\text{d}l\vec{i} \times \vec{B} = 0$
矢量叉乘为零的条件是两矢量平行,因此 $\vec{B}$ 必沿x轴方向($\vec{B} = B\vec{i}$或$\vec{B} = -B\vec{i}$,$B>0$)。
步骤2:分析电流元沿+y轴放置时的受力
当电流元转到+y轴方向时,$\text{d}\vec{l} = \text{d}l\vec{j}$($\vec{j}$为y轴单位矢量),此时受力沿$-z$轴方向(题目中“$-2$轴”应为$-z$轴笔误),即 $\text{d}\vec{F} \propto -\vec{k}$($\vec{k}$为z轴单位矢量)。
代入洛伦兹力公式:
$\text{d}\vec{F} = I\text{d}l\vec{j} \times \vec{B}$
若 $\vec{B} = B\vec{i}$,则:
$\vec{j} \times \vec{i} = -\vec{k}$
恰好得到受力方向为$-\vec{k}$($-z$轴),符合题意。
若 $\vec{B} = -B\vec{i}$,则:
$\vec{j} \times (-\vec{i}) = \vec{k}$
受力方向为$+z$轴,与题目矛盾。
结论
磁感应强度 $\vec{B}$ 指向$+x$轴方向。