电工学第二章劳动第二版.ppt

第二章磁场与电磁感应 2 1磁场 2 2磁场的主要物理量 2 3磁场对电流的作用 2 4电磁感应 2 5自感 2 6互感 东汉王充在 论衡 中写道 司南之杓 投之于地 其柢指南 最初发现的磁体是被称为 天然磁石 的矿物 其中含有主要成分为Fe3O4 能吸引其他物体 很像磁铁 历史上的磁现象 现代生活中的磁现象 上海磁悬浮列车专线西起上海地铁龙阳路站 东至上海浦东国际机场 列车加速到平稳运行之后 速度是430公里 小时 这个速度超过了F1赛事的最高时速 2 1磁场 一 磁体及其性质二 磁场与磁感线三 电流的磁场 一 磁体及其性质 磁性 某些物体能够吸引铁 镍 钴等金属或它们的合金的性质 磁体 具有磁性的物体 磁体分为天然磁体 如吸铁石 和人造磁体两大类 常见的磁体有 条形磁体 蹄形磁体 针形磁体 磁极 磁体磁性最强的部分 实验证明 任何磁体都有两个磁极 而且无论怎样把磁体分割总保持两个磁极 通常指北的磁极称北极 N 指南的磁极称南极 S 同名磁极相互排斥 异名磁极相互吸引 磁场 在磁体周围的空间中存在的一种特殊物质 磁极之间的作用力就是通过磁场进行传递的 2 磁感线 磁场可以用磁感线来表示 是为形象描述磁场的强弱和方向而引入的假想线 在磁场中 沿磁场中的一些小磁针的N极画出一些带箭头的曲线 这样的曲线叫做磁感线 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 1 磁感线的切线方向表示磁场方向 其疏密程度表示磁场的强弱 2 磁感线是闭合曲线 在磁体外部 磁感线由N极出来 绕到S极 在磁体内部 磁感线的方向由S极指向N极 3 任意两条磁感线不相交 条形磁铁周围的磁场 蹄形磁铁磁感线分布 条形磁铁磁感线分布 均匀磁场 在磁场的某一区域里 磁感线是一些方向相同分布均匀的平行直线 三 电流的磁场 电流的磁效应 电流产生磁场的现象 1920年丹麦物理学家奥斯特发现 在电流周围存在着磁场 现在人们称为电流的磁效应 是科学史上的重大发现 揭开了物理学史上的一个新纪元 1 直线电流产生的磁场 右手握住导线 让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致 则弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向 2 环形电流产生的磁场 右手握住通电螺线管 让弯曲的四指所指方向跟电流的方向一致 则大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向 也就是通电螺线管的磁场北极的方向 作业 在下图中标出由电流产生的磁极极性或电流的方向 C B A 2 2磁场对电流的作用 一 磁场对通电导体的作用 如图所示 在蹄形磁铁的两级中悬挂一根直导体并使导体与磁力线垂直 当导体中没有电流流过时 导体静止不动 当电流流过导体时 导体就会向磁体外部移动 若改变电流方向 导体向相反方向移动 通电导体在磁场中移动的原因是受到磁场的作用力 通常把通电导体在磁场中受到的作用力叫做电磁力又叫安培力 左手定则 左手定则 伸开左手 使拇指与四指在同一平面内并跟四指垂直 让磁感线垂直穿入手心 四指指向电流的向 这时拇指所指的就是通电导体所受安培力的向 磁感应强度 在磁场中 垂直于磁场方向的通电导体 所受电磁力F与电流I和导线长度l的乘积Il的比值 用B表示 单位为特斯拉 简称特 T 二 磁感应强度 我们重复左图的实验时发现 通电导体在磁场中受到的磁力大小与导体中的电流大小及导体在磁场中的有效长度 垂直磁力线的长度 成正比 而且电磁力还与磁场的强弱有关 磁场越强电磁力越大 磁场越弱电磁力越小 式中 B为均匀磁场的磁感应强度 T F为通电导体受到的电磁力 N I为导体中的电流强度 A l为导体中磁场的有效长度 m 磁感应强度是个矢量 它的方向就是该点的磁场的方向 磁感线的疏密程度可以大致反映磁感应强度的大小 在同一个磁场的磁感线分布图上 磁感线越密的地方 磁感应强度越大 磁场越强 为讨论问题方便 我们规定用符号 表示电流或磁力线流出纸面 表示电流或磁力线流入纸面 安培力的大小 由式可知 当测得F I和l时 就可方便求出某点的磁感应强度 反之当已知B I和l时 就可求得电磁力 F ILB B L 安培力的大小 1 当电流与磁场方向垂直时 2 当电流与磁场方向夹 角时 F ILBsin 为B与L的夹角 课堂练习 例1 画出图中第三者的方向 注 安培力的方向总与导线垂直 与磁感应强度垂直 例2 把30cm长的通电直导体放入匀强磁场中 导线中的电流是2A 磁场的磁感应强度是1 2T 求电流与磁场方向垂直时导线所受的磁场力 解 F ILB 2 30 0 01 1 2 0 72N 两通电导线的相互作用 请问 同向平行电流之间的力是引力还是是斥力 I1 I2 受力物 施力物 I1 I2 受力物 施力物 I1 I2 受力物 施力物 通入同方向电流的平行导线相互吸引 通入反方向电流的平行导线相互排斥 三 磁通 描述磁场在某一范围内分布情况的物理量叫磁通 磁通 设在磁感应强度为B的均匀磁场中 有一个与磁场方向垂直的平面 面积为S 我们把B与S的乘积定义为穿过这个面积的磁通量 简称磁通 用 表示 BS磁通的单位是韦伯 Wb 简称韦 这表示磁感应强度等于穿过单位面积的磁通 所以磁感应强度又称磁通密度 并且用Wb m2作单位 四 磁场对通电线圈的作用 由于磁场对通电导体有作用力 因此磁场对通电线圈也应有作用力 通电线圈在磁场中会发生转动 如果在线圈靠惯性越过平衡位置的瞬间 立刻改变其中的电流方向 线圈就会继续转动下去 能够完成这一任务的装置叫做换向器 彼此绝缘的两个半圆环 一对与电源连接的电刷 直流电动机的工作原理 1 如图所示 直线电流与通电矩形线圈在同一纸面内 线框所受磁场力的方向为 A 垂直向上B 垂直向下C 水平向左B 水平向右2 在匀强磁场中 原来载流导体所受的的磁场力为F 若电流增加到原来的两倍 而导线的长度减少一半 这时载流导体所受的磁场力为 A FB F 2C 2FD 4F3 如图所示 处在磁场中的载流导体 受到的磁场力的方向应为 A 垂直向上B 垂直向下C 水平向左D 水平向右 作业 2 4电磁感应 一 电磁感应现象二 楞次定律三 法拉第电磁感应定律四 直导线切割磁感线产生感应电动势 一 电磁感应现象 将一条形磁铁放置在线圈中 当条形磁铁静止时 检流计的指针不偏转 但将条形磁铁迅速地插入或拔出时 检流计的指针都会发生偏转 说明线圈中有电流 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 我们把变动磁场在导体中引起电动势的现象称为电磁感应 也称 动磁生电 由电磁感应引起的电动势叫做感生电动势 由感生电动势引起的电流叫做感生电流 二 直导体中产生的感生电动势 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 右手定则 平伸右手 大拇指与其余四指垂直 让磁感线穿入掌心 大拇指指向导体运动方向 则其余四指所指的方向就是感应电动势的方向 感应电动势的方向 I B 例1在磁感应强度为B的匀强磁场中 有一长度为l的直导体AB 可沿平行导电轨道滑动 当导体以速度v向左匀速运动时 试确定导体中感应电动势的方向和大小 例2在图中 设匀强磁场的磁感应强度为0 1T 切割磁感线的导线长度为40cm 向右匀速运动的速度为5m 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 三 楞次定律 通过大量实验可得出以下两个结论 一 导体中产生干生电动势和感生电流的条件是 导体中相对于磁场作切割磁力线或线圈中磁通发生变化时 导体或线圈中就产生感生电动势 若导体或线圈是闭合电路的一部分 就会产生感生电流 二 感生电流产生的磁场总是阻碍原磁通的变化 也就是说 当线圈中的磁通要增加时 感生电流就要产生一个磁场去阻碍它增加 当线圈中的磁通要减少时 感生电流所产生的磁场将阻碍它减少 楞次定律指出了磁通的变化与感应电动势在方向上的关系 即 感应电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化 所以楞次定律为我们提供了一个判断感生电动势或感生电流方向的方法 具体步骤是 1 首先判定原磁通的方向及其变化趋势 即增加还是减少 2 根据感生电流的磁场 俗称感生磁场 方向永远和原磁通变化趋势相反的原则确定感生电流的磁场方向 三 法拉第电磁感应定律 线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正比 这个规律就叫法拉第电磁感应定律单匝线圈产生的感应电动势的大小 N匝线圈产生感应电动势的大小 例3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90 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90 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 根据电磁感应定律 1 如图 闭合线圈上方有一竖直放置的条形磁铁 磁铁的N极朝下 当磁铁向下运动时 但未插入线圈内部 B A 线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相同 磁铁与线圈相互吸引B 线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相同 磁铁与线圈相互排斥C 线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相反 磁铁与线圈相互吸引D 线圈中感应电流的方向与图中箭头方向相反 磁铁与线圈相互排斥 作业 2 有一个50匝的线圈 如果穿过它的磁通量的变化率为0 5Wb s 求感应电动势 3 一个100匝的线圈 在0 5s内穿过它的磁通量从0 01Wb增加到0 09Wb 求线圈中的感应电动势 4 一个匝数为100 面积为10m2的线圈垂直磁场放置 在0 5s内穿过它的磁场从1T增加到9T 求线圈中的感应电动势 E 25V E 18V E 1800V 2 5自感 一 自感现象二 自感系数三 自感电动势四 线圈L所储存能量 一 自感现象 a合上开关 HL2比HL1亮得慢 b断开开关 灯泡闪亮一下才熄灭 分析 图a由于线圈L自身的磁通量增加 而产生了感应电动势 这个感应电动势的作用是阻碍磁通量的增加 即原来所加电压相反 阻碍线圈中电流的增加 故通过与线圈串联的灯泡的电流不能立即增大到最大值 它的亮度只能慢慢增加 图b 当打开开关时 线圈中电流会突然减小 由它产生的磁通也就突然减小 于是线圈中产生一个感生电动势来阻碍原磁通的减小 由楞次定律可知 感生电流的方向和元电流方向相同 由于感生电动势一般较高 则流过灯泡的感生电流就越大 从而使灯泡突然明亮的闪光 当线圈中的电流发生变化时 就会产生感应电动势 这个电动势总是阻碍线圈中原来电流的变化 自感 这种由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象称为自感现象 简称自感 自感电动势 自感现象中产生的感应电动势 用eL表示 自感电流用iL表示 二 自感系数 自感磁通 自感电流产生的磁通 自感系数 简称电感 衡量不同线圈产生自感磁通的能力 用L表示 单位为亨利 H 三 自感电动势 自感现象是电磁感应现象的一种特殊情况 遵从法拉第电磁感应定律 四 线圈L所储存能量 线圈的电感反映了它所储存磁场能量的能力 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 2 6互感 一 互感现象和互感电动势二 互感线圈的同名端 一 互感现象和互感电动势 在开关SA闭合或断开瞬间以及改变RP的阻值 检流计的指针都会发生偏转 这是因为 当线圈A中的电流发生变化时 通过线圈的磁通也发生变化 该磁通的变化必然又影响线圈B 使线圈B中产生感应电动势和感应电流 互感 由一个线圈中的电流发生变化而在另一线圈中产生电磁感应的现象 互感电动势 由互感产生的感应电动势 用eM表示 线圈B中互感电动势的大小不仅与线圈A中电流变化率的大小有关