电工电子技术基础第三章

第三章 磁场及电磁感应 第一节 磁场 第二节 磁路的物理量 第三节 磁场对通电导体作用力 第四节 铁磁性物质 第五节 电磁感应本章小结第一节 磁场一、磁场二、电流的磁场 第三章 磁场及电磁感应在公元 11世 纪 ，我国 劳动 人民在 实 践中用天然磁铁 做成 细长 的小磁 针 ，它有一 头总 是指向南方，另一 头 指向北方。人 们 利用它制成了可以确定南北方向的 罗盘 ，如 图 所示。 罗盘 中 间悬 挂着一根能自由 转动 的小磁 针 (即指南 针 )。由于 罗盘 的 发 明， 给 航海指明了方向，推 动 了世界航海事 业 的迅猛 发 展。罗盘第一节 磁场一、磁 场 1磁体某些物体具有吸引 铁 、 钴 、 镍等物 质 的性 质 叫磁性。具有磁性的物体叫磁体。磁体分 为 天然磁体和人造磁体。常 见 的条形磁 铁 、 马 蹄形磁 铁 和 针 形磁 铁 等都是人造磁体，如右 图 所示。2磁极磁体两端磁性最 强 ，磁性最 强 的地方叫磁极。任何磁体都有一 对 磁极，一个叫南极，用 S表示；另一个叫北极，用 N表示，如右 图 所示。 N极和 S极 总 是成 对 出 现 并且 强 度相等，不存在独立的 N极和 S极。常见人造磁铁磁 针 的指向 第一节 磁场当用一个条形磁 铁 靠近一个 悬 挂的小磁 针 (或条形磁 铁 )时 ，如 图 所示。我 们发现 ：当条形磁 铁 的 N极靠近小磁 针 的 N极 时 ，小磁 针 N极一端 马 上被排斥；当条形磁 铁 的 N极靠近小磁 针 的 S极 时 ，小磁 针 S极一端立刻被条形磁 铁 吸引。说 明磁极之 间 存在相互作用力，同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。磁极之间相互作用力第一节 磁场3磁场 力是物质之间相互作用的结果。用手推门，门就会转动打开，这是因为力直接作用于门。上述实验中，磁极之间存在的作用力并没有直接作用，到底是什么神密的物质使得它们之间有力的作用呢？这种神密的物质就是磁场。磁极之间相互作用的磁力就是通过磁场传递的。磁场是磁体周围存在的特殊物质。磁极在自己周围的空间里产生磁场，磁场对它里面的磁极有磁场力的作用。4.磁场方向 把小磁针放在磁场中的任一点，可以看到小磁针受磁场力的作用。静止时它的两极不再指向南北方向，而指向一个别的方向。在磁场中的不同点，小磁针静止时指的方向一般并不相同。这个现象说明，磁场是有方向性的。 一般规定，在磁场中某点放一个能自由转动的小磁针，小磁针静止时 N极所指的方向，就是该点磁场的方向。 第一节 磁场在磁 场 中可以利用磁感线 （也称 为 磁力 线 )来形象地表示各点的磁 场 方向。所 谓磁感 线 ，就是在磁 场 中画出的一些曲 线 ，曲 线 的疏密程度表示磁 场 的 强 弱；曲 线 上每一点的切 线 方向，都跟 该点的磁 场 方向相同，如右 图所示。若磁体周 围 磁 场 的 强 弱相等、方向相同，我 们 把它定 义 匀 强 磁 场 ，如右 图 所示。磁感线及磁场方向匀强磁场第一节 磁场二、电流的磁场1电流的磁效应磁铁并不是磁场的唯一来源。 1820年，丹麦物理学家奥斯特做过下面的实验：放在导线旁边的小磁针，当导线通过电流时会受到力的作用而偏转。这说明通电导体周围存在磁场，即电流具有磁效应。磁场的强弱和通电导体的电流大小、距离远近有关，电流越大，磁场越强；离导体越近，磁场越强。磁场的方向可以用安培定则（也称为右手螺旋法则）来判断。2安培定则通电导体周围的磁场方向，即磁感线方向与电流的关系可以用安培定则来判断。 第一节 磁场(1)直 线电 流的磁 场直 线电 流的磁 场 的磁感 线 是以 导线 上各点 为圆 心的同心 圆， 这 些同心 圆 都在与 导线 垂直的平面上，如 图 (a)所示。磁感 线 方向与 电 流的关系用安培定 则 判断：用右手握住通电 直 导 体， 让 伸直的大拇指指向 电 流方向，那么，弯曲的四指所指的方向就是磁感 线 的 环绕 方向，如 图 (b)所示。(a) (b)直 线电 流的磁 场 第一节 磁场(2)通 电 螺 线 管的磁 场通 电 螺 线 管表 现 出来的磁性 类 似条形磁 铁 ，一端相当于 N极，另一端相当于 S极。通 电 螺 线 管的磁 场 方向判断方法是：用右手握住通 电 螺 线 管， 让 弯曲的四指指向 电 流方向，那么，大拇指所指的方向就是螺 线 管内部磁感 线 的方向，即大拇指指向通 电 螺 线 管的 N极，如 图 所示。通电螺线管的磁场 第一节 磁场（ 3） 环 形 电 流的磁 场如 图 所示是 环 形 电 流的磁 场 。 环 形 电 流磁 场 的磁感 线 是一些 围绕环 形 导线 的 闭 合曲 线 。在 环 形 导线 的中心 轴线 上，磁感 线 和 环 形 导线 的平面垂直。 环 形 电 流的方向跟它的磁感线 方向之 间 的关系也可以用安培定 则 来判定： 让 右手弯曲的四指和 环 形 电 流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环 形 导线 中心 轴线 上的磁感 线 的方向。环形电流的磁场 第一节 磁场第二节 磁路的物理量 一、磁通二、磁感应强度三、磁导率四、磁场强度五、磁路描述电路的物理量有电流、电压、电位、电动势、电能和电功率等。那么描述磁场的物理量又有哪些呢？ 一、磁通 磁感线的疏密定性地描述了磁场在空间的分布情况。磁通是定量地描述磁场在一定面积的分布情况的物理量。通过与磁场方向垂直的某一面积上的磁感线的总数，叫做通过该面积的磁通量，简称磁通，用字母表示。磁通的国际单位制单位 Wb （韦伯）。当面积一定时，通过该面积的磁通越大，磁场就越强。 第二节 磁路的物理量二、磁感应强度磁感应强度是定量地描述磁场中各点的强弱和方向的物理量。与磁场方向垂直的单位面积的磁通，叫做磁感应强度，也称磁通密度，用字母 B表示。磁感应强度的国际单位制单位 T（特斯拉）。在匀强磁场中，磁感应强度与磁通的关系可以用公式表示为式中：B 匀强磁场的磁感应强度，国际单位制单位 T（特） 与 B垂直的某一截面积上的磁通，国际单位制单位 Wb（韦伯）S 与 B垂直的某一截面面积，国际单位制单位（平方米） 第二节 磁路的物理量三、磁导率磁导率就是一个用来表示媒介质导磁性能的物理量，用字母表示，国际单位制单位 H m（亨每米）。不同的媒介质有不同的磁导率。实验测定，真空的磁导率是一个常数，用表示，即为了便于比较各种物质的导磁性能，我们把任一物质的磁导率与真空磁导率比值称为相对磁导率，用表示，即相对磁导率只是一个比值，它表明在其他条件相同的情况下，媒介质的磁感应强度是真空中的多少倍。 第二节 磁路的物理量四、磁场强度磁场中各点的磁感应强度 B与磁导率有关，计算比较复杂。为方便计算，引入磁场强度这个新的物理量来表示磁场的性质，用字母 H表示。磁场中某点的磁场强度等于该点的磁感应强度 B与媒介质的磁导率的比值，用公式表示为或 磁场强度的国际单位制单位 A/m（安每米）。 第二节 磁路的物理量五、磁路磁通所经过的路径叫做磁路。为了使磁通集中在一定的路径上来获得较强的磁场，常常把铁磁材料制成一定形状的铁心 (铁磁材料的磁导率高 )，构成各种电器设备所需的磁路。如图所示，其中（ a）图为无分支磁路，（ b）图为分支磁路。磁路第二节 磁路的物理量利用 铁 磁材料可以尽可能地将磁通集中在磁路中，但是与 电路比 较 ，漏磁 现 象比漏 电现 象 严 重得多。全部在磁路内部 闭 合的磁通叫做主磁通。部分 经过 磁路周 围 物 质 的 闭 合磁通叫做漏磁通。如 选 用 电 磁 铁 、 变压 器等 铁 芯材料 时应 尽可能 让 全部磁通通 过铁 芯截面。在下 图 中，当 线 圈中通以 电 流后，大部分磁通沿 铁 心、 衔铁 和工作气隙构成回路， 这 部分磁通就是主磁通。 还 有一小部分磁通，它 们 没有 经过 工作气隙和 衔铁 ，而 经 空气自成回路， 这部分磁通就是漏磁通。第二节 磁路的物理量第三节 磁场对通电导体作用力 我们知道电流可以产生磁场，当我们把通电导体置于磁场中时，会有什么情况发生呢？如图所示，把一根直导线 AB垂直放入蹄形磁铁的磁场中。当导体未通电流时，导体不会运动；如果接通电源，当电流从 B流向A的时候，导线立即向磁铁外侧运动。若改变导体电流方向，则导体会向相反方向运动。我们把通电导体在磁场中所受的作用力称为电磁力，也称安培力。从本质上讲，电磁力是磁场和通电导线周围形成的磁场相互作用的结果。 通电导体在磁场中运动实验证 明：在匀 强 磁 场 中，当通 电导 体与磁 场 方向垂直 时， 电 磁力的大小与 导 体中 电 流大小成正比，与 导 体在磁 场 中的有效 长 度及 载 流 导 体所在的磁感 应 强 度成正比，用公式表示 为F=BIL式中： F 导 体受到的 电 磁力，国 际单 位制 单 位 N (牛 )B 磁 场 中的磁感 应 强 度，国 际单 位制 单 位 T (特 )I 导 体中的 电 流 强 度，国 际单 位制 单 位 A (安 )L 导 体在磁 场 中的有效 长 度，国 际单 位制 单 位 m (米 )实验还证 明：当 导线 和磁感 线 方向成 角时，如下图所示。电磁力的大小为 F BILsin 第三节 磁场对通电导体的作用力通电导体与磁场不垂直通 电导线 在磁 场 中受到的 电 磁力的方向，可以用左手定 则 来判断：伸出左手，让 大拇指与四指在同一平面内，大拇指与四指垂直， 让 磁感 线 垂直穿 过 手心，四指指向 电 流方向，那么，大拇指所指的方向就是磁 场对 通 电导线 的作用力方向，如右图 所示。左手定则第三节 磁场对通电导体的作用力 第四节 铁磁性物质一、铁磁物质的磁化二、铁磁材料分类生活中使用螺丝刀拧螺钉时，螺丝刀上的螺钉很容易掉下来。这时只需把螺丝刀放在磁铁（如音箱扬声器）上摩擦几下就可以把螺丝吸起来。但是当拿磁铁去吸铜钥匙时，无论如何铜钥匙根本就吸不起来，你知道产生这些现象的原因吗？一、铁磁物质的磁化1.物质分类 根据磁导率的大小不同，可将物质分成三类：略大于 1的物质称为顺磁物质，如空气、铝、锡等；略小于 l的物质称为反磁物质，如氢、铜、石墨等；顺磁物质和反磁物质统称为非铁磁物质。远大于 1的物质称为铁磁性物质，如铁、钴、镍、硅钢、铁氧体等。 第四节 铁磁性物质2. 铁 磁物 质 的磁化如果把一 块 磁 铁 从它的中央断开，会得到两 块 新的永久磁铁 。如果再把 这 两 块 磁 铁锯 开，就得到四 块 磁 铁 。如果 继续这样 做，最后会得到极大数量的小磁 铁 ，原先的那 块 磁 铁 就是由它 们 构成的。因此，可以 认为 永久磁 铁 是由大量的微小磁 铁 所组 成。一 块 磁 铁 是由极大数量的小磁 铁组 成的。把 这 些小磁 铁 称为 基本磁 铁 ，又称磁畴。在正常的 铁 中，那些磁畴 杂 乱无章地排列，磁畴 间 的磁性被抵消， 对 外部 (整体 )不呈 现 磁性，如 图(a)所示。如果把一 块铁 放人磁 场 中，那些基本磁 铁 将被迫按相同方向排列，如 图 (b)所示。这时 ，它 们组 合起来的磁性在它 们 周 围 将很 显 著，即 铁 已 经被磁化。（ a） （ b）第四节 铁磁性物质二、铁磁材料分类1.软磁物质 软磁材料的特点是磁导率很大，易被磁化也易去磁。典型的软磁材料有硅钢片、铸铁、坡莫合金等。硅钢片主要用来制作电动机和变压器的铁心，坡莫合金用来制造小型变压器、高精度交流仪表 (灵敏继电器、磁放大器等 )。2.硬磁物质 硬磁材料的特点是需要较强的外磁场的作用，才能使其磁化，而且不易退磁。其典型材料有钴钢、碳钢等。因其剩磁强，不易退磁，常用来制造各种形状的永久磁铁。3.矩磁物质 磁材料的特点是只需很小的磁场就能使它迅速磁化，并达到最大值，去掉外磁场仍能保持原来的强度。矩磁材料主要用于制造计算机中存储元件的环形磁心。 第四节 铁磁性物质 第五节 电 磁感 应一、电磁感应现象二、电磁感应定律1820年奥斯特 发现电 流的磁效 应 以后，人 们 很自然地想到：既然 电 流能 产 生磁 场 ，磁 场 能否 产 生 电 流呢 ?许 多科学家开始不懈地探索。 1831年，法拉第 终 于 发现 了由磁 场产 生 电 流的条件和 规 律，即 电 磁感 应现 象。 导体切割磁感线 一、电磁感应现象如图所示，在匀强磁场中放置一根导体 AB，导体 AB的两端分别与灵敏电流计的接线柱连接形成闭合回路。当导线 AB在磁场中做切割磁感线运动时。电流计指针偏转，表明闭合回路有电流流过；当导线 AB平行于磁感线方向运动时，电流计指针不偏转，表明闭合回路没有电流流过。 第五节 电磁感应线圈磁通量发生变化实验证 明： 闭 合回路中的一部分 导 体相 对 于磁 场 做切割磁感 线 运 动时 ，回路中有 电 流流 过 。如 图 所示，空心 线 圈的两端分 别 与灵敏 电 流 计 的接 线 柱 连接形成 闭 合回路。当用条形磁 铁 快速插入 线 圈 时 ， 电 流 计 指 针偏 转 ，表明 闭 合回路有 电 流流 过 ；当条形磁 铁 静止不 动时 ， 电流 计 指 针 不偏 转 ，表明 闭 合回路没有 电 流流 过 ；当条形磁 铁 快速拔出 线 圈 时 ， 电 流 计 指 针 偏 转 ，表明 闭 合回路有 电 流流 过。 第五节 电磁感应实验证明：闭合回路中的磁通发生变化时，回路中有电流流过。因此，不论是闭合回路的一部分导体做切割磁感线运动，还是闭