磁场及其基本物理量

3 1 磁场及其基本物理量 第 3章 磁与电磁3 2 电磁感应3 3 自感与互感3 4 同名端的意义及其测定授课日期 班次 授课时数 2 课题： 第三章磁与电磁 3.1磁场及其基本物理量 3.2电磁感应 教学目的：了解磁场的基本概念；理解磁感应强度、磁通、磁通势、磁导率和磁场强度的概念；理解电磁感应定律及感应电动势的公式重点： 磁场中的基本概念；电磁感应定律及感应电动势的公式 难点： 与重点相同教具： 多媒体作业： P74： 3.4； 3.5 自用参考书：电路丘关源 著 教学过程：由案例 3.1的分析引入本次课第三章磁与电磁3.1磁场及其基本物理量3.1.1磁场3.1.2磁场中的基本物理量3.2电磁感应由案例 3.2的分析引入电磁感应1.电磁感应现象 2.感应电动势3.例题分析课后小计：3 1 磁场及其基本物理量 3 1 1 磁场案例 3 1 在日常学习、生活中，我们大家使用较多的电器：收录两用机。收录机用于记录声音的器件是磁头和磁带。磁头由环形心、绕在铁心两侧的线圈和工作气隙组成。环形铁心由软磁材料制成。收录机中的磁头包括录音磁头和放音磁头。声音的录音原理利用了磁场的特点与性质，首先将声音变成电信号，然后将电信号记录在磁上；放音原理同样利用磁场的特点与性质，再将记录在磁带上的电信号变换成声音播放出来。1磁体与磁感线 将一根磁铁放在另一根磁铁的附近，两根磁铁的磁极之间会产生互相作用的磁力，同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。磁极之间相互作用的磁力，是通过磁极周围的磁场传递的。磁极在自己周围空间里产生的磁场，对处在它里面的磁极均产生磁场力的作用 。磁场可以用磁感线来表示，磁感线存在于磁极之间的空间中。磁感线的方向从北极出来，进入南极，磁感线在磁极处密集，并在该处产生最大磁场强度，离磁极越远，磁感线越疏。2磁场与磁场方向判定 磁铁在自己周围的空间产生磁场，通电导体在其周围的空间也产生磁场。 条形磁铁周围的磁场方向如图 32所示。通电直导线产生的磁场如图 3 3所示，磁感线（磁场）方向可用安培定则（也叫右手螺旋法则）来判定。通电线圈产生的磁场如图 3 4所示，磁感线是一些围绕线圈的闭合曲线，其方向也可用安培定则来判定。3 1 1 磁场图 3 2 条形磁铁的磁感线磁通量 的单位为韦伯 (Wb)， 工程上有时用麦克斯韦 (Mx)。 1Wb 10Mx。 3磁导率 磁导率是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量磁导率是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量 ,也就是用来衡量物质导磁也就是用来衡量物质导磁能力的物理量。能力的物理量。2磁通量 磁感应强度磁感应强度 B与垂直于磁场方向的面积与垂直于磁场方向的面积 A的乘积，称为通过该面积的磁的乘积，称为通过该面积的磁 。 即即3 1 2磁场中的基本物理量或图 3 3通电直导线的磁场 图 3 4通电线圈的磁场3 1 2磁场中的基本物理量1磁感应强度 B 磁感应强度 B是表征磁场中某点的磁场强弱和方向的物理量。可用磁感线的疏密程度来表示，磁感线的密集度称为磁通密度。在磁感线密的地方磁感应强度大，在磁感线疏的地方磁感应强度小。其大小定义为式中，为磁感应强度，单位为特斯拉 (T)， 工程上常采用高 (Gs)。 1Gs =10T。 3 1 1 磁场其他任一媒质的磁导率与真空的磁导率的比值称为相对磁导率，用 表示，即或真空中的磁导率是一个常数，用 0表示，即0 410-7H/m 3 1 2磁场中的基本物理量5磁场强度 H此式 H的单位为安米 (A m)。在磁场中，各点磁场强度的大小只与电流的大小和导体的形状有关，而与媒质的性质无关。 H的方向与 B相同，在数值上3 2 电磁感应案例 3 2 现代社会，工农业生产和日常生活中，我们都离不开电能，而我们使用的电能是如何产生的？交流发电机是电能生产的关键部件，而交流发电机就是利用电磁感应原理来发出交流电的。 1 电磁感应现象 在如图 3 5（ a） 所示的匀强磁场中，放置一根导线 AB， 导线 AB的两端分别与灵敏电流计的两个接线柱相连接，形成闭合回路。 当 导线 AB在磁场中垂直磁感线方向运动时，电流计指针发生偏转，表明由感应电动势产生了电流。如图 3 5（ b） 所示， 将磁铁插入线圈，或从线圈抽出时，同样也会产生感应电流。 3 2 电磁感应也就是说，只要与导线或线圈交链的磁通发生变化（包括方向、大小的变化），就会在导线或线圈中感应电动势，当感应电动势与外电路相接，形成闭合回路时，回路中就有电流通过。这种现象称为电磁感应。2感应电动势 如果导线在磁场中，做切割磁感线运动时，就会在导线中感应电动势。其大小为 当导线运动方向与与导线本身垂直，而与磁感线方向成角时，导线切割磁感线产生的感应电动势的大小为：感应电动势的方向可用右手定则判定：伸开右手，让拇指与其余四指垂直，让磁感线垂直穿过手心，拇指指向导体的运动方向，四指所指的就是感应电动势的方向。如图 3 6（ a） 所示。 3 2 电磁感应图 3 5 电磁感应实验3 2 电磁感应将磁铁插入线圈，或从线圈抽出时，导致磁通的大小发生变化，根据法拉第定律：当与线圈交链的磁场发生变化时，线圈中将产生感应电动势，感应电动势的大小与线圈交链的磁通变化率成正比。感应电动势的大小为 e是感应电动势，单位为伏（ V）。如果线圈有 N匝，而且磁通全部穿过 N匝线圈，则与线圈相交链的总磁通为 ，称为磁链，用 “ ” 表示，单位还是 。则线圈的感应电动势为感应电动势的方向与其产生的感应电流方向相同。3 感应电流 当导体在磁场中切割磁感线运动时，在导体中产生感应电动势，如果导体与外电路形成闭合回路，就会在闭合回路中产生感应电流，感应电流的方向与感应电动势的方向相同，也可用右手定则来判定： 感应电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。3 2 电磁感应图 3 6 感应电动势、 感 应电流方向的判断3 2 电磁感应例 3 2 在一个 的匀强磁场里，放一个面积为 的线圈，其匝数为 500匝。在 0.1s内，把线圈从平行于磁感线的方向转过 ，变成与磁感线方向 垂直。求感应电动势的平均值。 解：在时间 0.1s里，线圈转过 ，穿过它的磁通是从 0变成：在这段时间内，磁通量的平均变化率：图 3 7如图 3 6所示，将磁铁插入线圈，或从线圈抽出时，线圈中将产生感应电流，而感应电流产生的磁通总是 阻碍线圈中原磁通的变化 。3 2 电磁感应例 3 1 在图 3 7中，设匀强磁场的磁感应强度为 0 1 T， 切割磁感线的导线长度为 40cm， 向右匀速运动的速度为 5 m/s， 整个线框的电阻为 0 5，求：（ 1）感应电动势的大小（ 2）感应电流的大小和方向解：（ 1）线圈中的感应电动势为（ 2）线圈中的感应电流为利用楞次定律或右手定则，可以确定出线圈中感应电流的方向是沿 abcd方向。 根据电磁感应定律：3 2 电磁感应例 3 3 如果将一个线圈按图 3 8所示，放置在磁铁中，让其在磁场中作切割磁力线运动，试判断线圈中产生的感应电动势的方向。并分析由此可以得出什么结论？解：根据右手定则判断感应电动势的方向，如图示。若将线圈中的感应电动势从线圈两端引出，我们便获得了一个交变的电压，这就是发电机的原理。 图 3.8授课日期 班次 授课时数 2 课题： 3.3自感与互感 教学目的：了解自感现象和互感现象及应用；了解互感电动势重点： 互感现象的产生及应用 难点： 与重点相同教具： 多媒体作业： P74： 3.6 自用参考书：电路丘关源 著 教学过程：一、复习提问1.通过做教材 P74： 3.1题来复习磁场及其基本概念2. 电磁感应定律及感应电动势的公式二、新授： 3.3自感与互感3.3.1自感1. 自感现象与自感电动势 2. 自感现象的应用与危害3.3.2互感 由案例 3.3引入互感1. 互感现象 2. 互感系数 3.互感电动势课后小计：3 3 自感与互感3 3 1自感1 自感现象与自感电动势自感现象是电磁感应现象中的一种特殊情形。这种由于流过线圈本身电流变化引起感应电动势的现象，称为自感现象。这个感应电动势称为自感电动势。 当电流流过回路时，在回路内要产生磁通，此磁通称为自感磁通，用符号 表示。当电流流过匝数为 N的线圈时，线圈的每一匝都有自感磁通穿过，如果穿过线圈每一匝的磁通都一样，那么，这个线圈的自感磁链为为了表明各个线圈产生自感磁链的能力，将线圈的自感磁链与电流的比值叫做线圈（或回路）的自感系数（或叫自感量），简称电感，用符号 L表示，即3 3 1自感根据法拉第电磁感应定律，可以写出自感电动势的表达式为将 代入，得即2自感现象的应用与危害 自感现象在各种电器设备和无线电技术中有广泛的应用，日光灯的镇流器就是利用线圈自感现象的一个例子。自感现象的危害：在大型电动机的定子绕组中，定子绕组的自感系数很大,而且定子绕组中流过的电流又很强，当电路被切断的瞬间，由于电流在很短的时间内发生很大的变化，会产生很高的自感电动势，在断开处形成电弧 ,这不仅会烧坏开关，甚至危及工作人员的安全。因此，切断这类电路时必须采用特制的安全开关。3 3 2 互感 案例 3 3： 变压器是利用互感现象制成的一种电气设备 ,在电力系统和电子线路中广泛应用。大家收录机常用的稳压电源，就是变压器的一种。 1互感现象由于一个线圈流过电流所产生的磁通，穿过另一个线圈的现象，叫磁合。由于此线圈电流变化引起另一线圈产生感应电动势的现象 ,称为互感现象。产生的感应电动势叫互感电动势。 2互感系数在两个有磁耦合的线圈中，互感磁链与产生此磁链的电流比值，叫做这两个线圈的互感系数（或互感量），简称互感，用符号 M表示，即互感系数的单位和自感系数一样，也是 H。 互感系数取决于两个耦合线圈的几何尺寸、匝数、相对位置和磁介质。当磁介质为非铁磁性物质时， M是常数。3 3 2 互感工程上常用耦合系数表示两个线圈磁耦合的紧密程度，耦合系数定义为显然， 。当 k近似为 1时，为强耦合，当 k接近于零时，为弱耦合，当 k 1时，称两个线圈为全耦合，此时自感磁通全部为互感磁通。3互感电动势在图 3 13（ a） 中，当线圈 中的电流变化时，在线圈 中产生变化的互感磁链 21， 而 21的变化将在线圈 中产生互感电动势 eM2。 如果选择电流 i1与 21的参考方向以及 eM2与 21的 参考方向都符合右手螺旋定则时，根据电磁感应定律，得同理，在图 3 13（ b） 中，当线圈 中的电流 i2变化时，在线圈 中也会产生互感电动势 eM1,当 i2与 12以及 12与 eM1的参考方向均符合右手螺旋定则，则有3 3 2 互感图 3 13 线圈中的互感电动势授课日期 班次 授课时数 2 课题： 3.4同名端的意义及其测定 教学目的：理解同名端的概念；掌握同名端的判别方法及互感线圈的串联重点： 同名端的概念及判别方法；互感线圈的串联 难点： 与重点相同教具： 多媒体作业： P74： 3.7 自用参考书：电路丘关源 著 教学过程：一、复习提问1.自感与互感的产生2. 自感与互感的应用二、新授：由案例 3.4引入同名端 3.4同名端的意义及其测定1.互感线圈的同名端2.同名端的实验测定3.具有互感的线圈串联课后小计：案例 3 4 某变压器的一次绕组由两个匝数相等、绕向一致的绕组组成，如图 3 14（ a） 中绕组 1 2和 3 4。如每个绕组额定电压为 110V， 则当电源电压为 220V时，应把两个绕组串联起来使用，如（ b） 图所示接法；如电源电压为 110V时，则应将它们并联起来使用，如（ c） 图接法。当接法正确时，则两个绕组所产生的磁通方向相同，它们在铁心中互相叠加。如接法错误，则两个绕组所产生的磁通就没有感应电动势产生，相当于断路状态，会烧坏变压器，如图 3 15所示。实际中绕组的绕向是看不到的，而接法的正确与否，与同名端（同极性端）标记直接相关，因此同名端的判别相当重要。 3 4 同名端的意义及其测定图 3 14 变压器绕组的正确连接 图 3 15 变压器绕组的连接错误3 4 同名端的意义及其测定解：根据同名端的定义，图 3 17（ a） 中，从左边线圈的端点 “2” 通入电流，由右手螺旋定则判定磁通方向指向左边；右边两个线圈中通过的电流要产生相同方向的磁通，则电流必须从端点 “4” 、端点 “5” 流入，因此判定 2， 4， 5为同名端， 1， 3， 6也为同名端。同理 1， 4为同名端， 2， 3也为同名端。图 3 17 1互感线圈的同名端当两个线圈通入电流，所产生的磁通方向相同时，两个线圈的电流 流入端称为同名端（又称同极性端），反之为异名端。用符号 “” 标记。 例 3 4 电路如图 3 17所示，试判断同名端。2同名端的实验测定直流判别法： 依据同名端定义以及互感电动势参考方向标注原则来判定。如图 3 18所示，两个耦合线圈的绕向未知，当开关 S合上的瞬间，电流从 1端流入，此时若电压表指针正偏转，说明 3端电压为正极性，因此 1、 3端为同名端；若电压表指针反偏，说明 4端电压正极性，则 1， 4端为同名端。 交流判别法： 如图 3 19所示，将两个线圈各取一个接线端联接在一起，如图中的 2和 4。并在一个线圈上（图中为线圈）加一个较低的交流电压 ,再用交流电压表分别测量、各值，如果测量结果为： ,则说明、绕组为反极性串联，故 1和 3为同名端。如果 ,则 1和 4为同名端。3 4 同名端的意义及其测定图 3 18 直流法判定绕组同名端 图 3 19 交流法判定绕组同名端3具有互感的线圈串联将两个有互感的线圈串联起来有两种不同的连接方式。（ 1）顺向串联：将两个线圈的异名端相连接；（ 2）反向串联：将两个线圈的同名端相连接。（ 1）顺向串联