【高考真题2026】-大题40(直流驱动)

3．为了对高压直流输电线路进行自动安全检测，某技术团队研发出一种由安培力驱动的沿输电线行走的检测机器人。其动力装置简化结构如图甲所示，在行走轮（图中未画出）上安装有由匝正方形线圈组成的螺绕环，其内、外半径分别为和，环内的一半空间（图中深色区域）填充有均匀磁性材料（线圈绝缘嵌入其中）；线圈以输电线中心轴（轴）对称绕制，每匝线圈电阻为匝线圈串联后与恒流源相连接，其输出电流为、且大小可调。已知：，沿轴正方向载有电流的长直输电导线，在线圈所在区域产生的磁场，等效于磁感应强度大小的均匀磁场；若空间存在磁性材料，则该处的磁感应强度增强至。

(1)在答题纸虚线框内，画出输电线电流产生磁场的磁感线分布（沿轴方向看），并标明方向；

(2)当恒流源输出电流时

①判断线圈所受安培力的方向（轴正方向或负方向），写出其表达式，并求出其值；

②求线圈电路消耗的热功率；

(3)另一技术团队对甲方案进行改进，如图乙所示，同轴安装半径分别为和、不计电阻的两金属圆筒，让螺绕环每匝线圈的四个顶点分别与内外圆筒短接，再将两圆筒接入恒流源。若该装置产生的安培力与甲方案相同，求

①恒流源输出的电流；

②甲、乙方案中线圈电路消耗的热功率之比。