《电工电子技术与技能》教学课件-第6章

第六章 磁场及电磁感应,任务一 磁场,活动一 电流的磁场,一、磁场物体吸引铁、镍、钴等物质的性质叫做磁性，具有磁性的物体叫做磁体。任何一个磁体都有北（N）极和南（S）极两极；磁极之间存在相互作用的磁力，同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引；磁极之间的相互作用和电荷间的相互作用有类似的规律。,电荷之间的相互作用是通过电场来实现的。同样，磁极之间的相互作用也是通过一种特殊物质传递的，这种物质由磁极产生并存在于磁极周围，叫做磁场。磁场的基本特性是对其中的磁体和运动电荷有力的作用。磁场的方向是这样规定的：在磁场中的任一点，小磁针静止时N极所指的方向就是该点的磁场方向。,二、磁感线所谓磁感线，就是在磁场中画出一些带有箭头的曲线，并使曲线上任一点与箭头方向一致的切线方向都跟该点磁场方向相同，使曲线的疏密程度与所在区域的磁场强弱成正比，如图6-1所示。,几种常见磁铁的磁感线分布情况如图6-2所示。,磁感线存在如下特点：(1)磁体外部的磁感线由N极指向S极，磁体内部的磁感线由S极回到N极，形成闭合曲线（这一点与电场线的分布不同，电场线是不闭合曲线）。(2)磁感线的疏密程度表示磁场的强弱。磁感线密的地方磁场强，磁感线疏的地方磁场弱。(3)任意两条磁感线都不相交。,三、电流的磁场所有磁场都是由电流产生的，任何电流都会产生磁场。磁场的方向和产生它的电流方向之间有着确定的关系，这个关系可由安培定则（又称右手螺旋定则）确定。,1.直线电流的磁场方向如图6-4（a）所示，用右手握住导线，拇指指向电流方向，则弯曲的四指所指的方向就是通电直导线的磁感线的环绕方向。,2.通电螺线管的磁场方向如图6-4（b）所示，用右手握住螺线管，弯曲的四指指向电流方向，则大拇指所指的方向就是螺线管中心轴线上的磁场方向，即螺线管极的方向。继电器也是利用电流产生的磁场来控制开关的接通和断开的，如图6-5所示即为继电器中应用电磁铁控制电动机电路的断开和闭合的原理图。,活动二 磁场对电流的作用,磁场对通电导线的作用力叫做安培力。电动机的转子就是在安培力的作用下转动起来的。安培力的发现，使电能转化为机械能成为可能。在现代社会中，工业、农业、科学研究领域及人们的日常生活的方方面面，几乎离不开和安培力有关知识的应用，本活动将研究这种作用力的大小和方向。,一、安培力的大小在匀强磁场中，垂直于磁场的通电导线受到的安培力的大小等于磁感应强度B、电流I和导线的长度L三者的乘积。这个规律是由安培首先发现的，所以把它称为安培定律。,当导线与磁场成任意夹角（90）时，如图6-6所示，将导线长度折算成垂直于磁场的部分Ly和平行于磁场的部分Lx，其中Ly是受力的有效边，Lx不受力。,二、安培力的方向使用左手定则。具体方法是：平伸左手，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，则拇指所指的方向就是导线受到的安培力的方向，如图6-7所示。,三、磁场对通电线圈的作用 如图6-8 (a)所示，当通电线圈平面与磁场方向垂直时，利用左手定则可以判断出线圈四个边受到的安培力互相抵消。该平面叫做中性面。如图6-8 (b) 所示，当线圈平面与磁场方向平行时（线圈平面与中性面垂直时）， bc、ad两边由于和磁场方向平行而不受安培力的作用；ab、cd两边由于和磁场方向垂直受到安培力的作用，其中ab边受到安培力的方向为垂直纸面向里，cd边为垂直纸面向外，从而形成对转轴的转动力矩。,或,【例6-1】 某电动机内的磁感应强度为0.9T，绕在转子上的矩形线圈通有6.0A的电流，若线圈面积为300cm2，匝数为200匝，求线圈对转轴的最大转动力矩。,任务二 磁场的主要物理量,活动一 磁感应强度和磁通,一、磁感应强度实验证明：通电导线垂直于磁场方向时受到的磁场力最大，通电导线平行于磁场方向时受到的磁场力为零。进一步的实验表明：垂直于磁场方向的通电导线，在磁场中某处受到的磁场力跟导线长度与导线中电流乘积的比值是一个常量。,在磁场中垂直于磁场方向的一小段通电导线，所受的磁场力与导线中的电流和导线的长度乘积的比值叫做导线所在处的磁感应强度。磁感应强度是矢量，磁场中某点的磁感应强度方向就是该点的磁场方向。,二、磁通量在磁场中，把穿过某一面积的磁感线条数叫做穿过这一面积的磁通量，简称磁通，用表示。在磁感应强度为B的匀强磁场中，当面积S和磁场方向垂直时，穿过这一面积的磁通量为,活动二 磁导率和磁场强度,根据相对磁导率的不同，可将物质分为三类：（1）r1的物质叫做顺磁物质，如空气、铅、铝等。（2）r1的物质叫做反磁物质，如铜、石墨、银等。（3） r1的物质叫做铁磁物质，如铁、镍、钴及它们的合金等。,铁磁性物质的相对磁导率见表6-1。,二、磁场强度磁场中某点的磁感应强度与介质的磁导率的比值，叫做该点的磁场强度，用H来表示，则磁场强度是矢量，在均匀介质中，它的方向和磁场方向一致。在国际单位制中，磁场强度的单位为A/m，在工程上常用A/cm作单位。,1.通电长直导线的磁场强度实验证明，在通电长直导线产生的磁场中，各点的磁场强度与导线中的电流成正比，与导线的距离成反比。如图6-10所示，导线中的电流为I，与导线距离为r的A点的磁场强度为,2.通电螺线管的磁场强度密绕的通电螺线管内部的磁场可以近似看成匀强磁场。设螺线管的长度为L、电流为I、匝数为N，如图6-11所示，则通电螺线管内部的磁场强度为,【例6-2】一通电螺线管长20cm，匝数为500，通以2A的电流，以空气为介质，求螺线管内部的磁感应强度。若其中插入相对磁导率为2 180的软铁，求螺线管内部的磁场强度和磁感应强度。,任务三 铁磁性物质,活动一 铁磁性材料,一、铁磁性物质的磁化使原来不具有磁性的物体，在外界磁场的作用下产生了磁性的现象叫做磁化。铁磁性物质是由许多磁畴（由分子电流形成）构成的，每个磁畴都是一个小磁体，在没有外界磁场作用时，它们的磁场方向杂乱无章，磁性互相抵消，对外不显磁性。如图6-12（a）所示。有外界磁场作用时，这些磁畴的极性方向大致趋于一致或完全趋于一致。如图6-12(b)所示。,二、磁化曲线和磁滞回线1.磁化曲线如图6-13所示，分别给出了B、随H变化的曲线，其中，B随H变化的曲线叫做磁化曲线。,2.磁滞回线被磁化的物质，当外界磁场强度H逐渐变为零时，磁感应强度B不能随着H的减小而减小到零，它还留有一定的剩磁，这种磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化的性质叫做磁滞。利用图6-14所示的实验装置（变阻器调节电流的大小，双掷开关控制电流的通断和电流的方向）对铁磁材料反复磁化，可以得到如图6-15所示的闭合曲线。,磁滞现象是由磁性材料中磁畴的惯性造成的，在反复磁化过程中，由于磁滞的存在而必然有矫顽磁力，因而带来能量损耗。这种损耗叫做磁滞损耗。,3.铁磁性材料的性质(1) 因为铁磁性物质的磁导率r1，比非铁磁性物质（顺磁物质和反磁物质）大得多，所以铁磁性物质具有高导磁性。(2) 当物质中的磁感应强度B增加到一定数值时，B不能随H的增大而继续增大（如图6-13中c点以后部分的曲线所示），即铁磁性物质具有磁饱和性。(3) 铁磁性物质具有磁滞性。,三、铁磁性物质的分类1.硬磁物质常见的硬磁物质有钨钢、碳钢等。其特点是剩磁大、矫顽磁力大、不易退磁、磁滞损耗大，其磁滞回线如图6-16（a）所示。,2.软磁物质常见的软磁物质有硅钢片、铁镍合金、纯铁、铸铁等。其特点是剩磁小，矫顽磁力小，其磁滞回线如图6-16（b）所示。这类材料易磁化，也易退磁，磁滞损耗小，常用来作电磁铁、变压器、电动机、接触器等电器的铁芯。,3.矩磁物质矩磁物质极易被磁化，这种材料在很小的磁场强度作用下就会被磁化并达到饱和，去掉外磁场后，其剩磁仍能保持其饱和值，它的磁滞回线如图6-16（c）所示。矩磁材料主要用来制作记忆性磁体。,活动二 磁路的欧姆定律,一、磁路磁通经过的路径叫做磁路。磁路分为有分支磁路和无分支磁路（类似于串联电路和并联电路）。图6-17（a）所示为无分支磁路，图6-17（b）所示为有分支磁路。,磁通不像电流那样，几乎全部集中在导体中，磁通的主要部分沿铁芯而闭合，这部分磁通叫做主磁通。还有一小部分磁通通过铁芯外部而闭合，叫做漏磁通。在漏磁通不严重的情况下，为计算方便，常略去漏磁通不计，而把主磁通认为是全部磁通。,二、磁路的欧姆定律。,若磁路由不同材料（不同）、不同长度（L不同）和不同横截面积（S不同）的几部分构成，则磁路的磁阻为各部分磁阻之和，即若在同一闭合磁路上有几部分磁动势，则总的磁动势应为各部分磁路上的磁动势之和，即,【例6-3】同一种材料制成的铁芯如图6-18所示，横截面积处处相等，均为100cm2，磁路的平均长度为250cm，线圈匝数为1 000匝，求通以6.0A的电流（假设此时的相对磁导率r=3 000）时磁路中的磁通。,任务四 电磁感应,活动一 电磁感应现象,如图6-19（a）所示，导体ab垂直于磁场放置，两端通过导体和电流计连接成闭合回路。,如图6-19（b）所示，螺线管和电流计连接成闭合回路，将条形磁铁插入线圈的过程中，穿过闭合回路的磁通量增大，此时指针发生了偏转。利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应现象，在电磁感应现象中产生的电流叫做感应电流。,活动二 楞次定律和右手定则,如图6-20所示，将电池、电流计和电阻用导线连接，点触开关S，观察电流计指针的偏转方向与电流方向的对应关系；再将电池正、负极调换，再点触开关S，观察电流计指针的偏转方向与电流方向的对应关系。从实验中可以发现：电流从哪端流入电流计，电流计指针就向哪端偏转。,一、楞次定律,如图6-22所示，导体AB放置于磁场中，它与电流计组成闭合电路。当AB向右作切割磁感线运动时，穿过闭合回路的磁通量减少，回路中产生感应电流。,感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。这一规律叫做楞次定律。对于磁铁与闭合线圈相对运动而产生的电磁感应，楞次定律又可以这样理解：线圈中感应电流的磁场总是阻碍磁铁的相对运动。对于导体切割磁感线而产生的电磁感应现象，楞次定律还可以这样理解：感应电流总是使导体受到的安培力阻碍导体的切割磁感线的运动。这种“阻碍”说明了电磁感应现象符合能量守恒定律。,【例6-4】如图6-23(a) 所示，磁铁从闭合线圈左端穿入、从线圈右