电工基础第四章磁场与电磁感应教案

1、第四章磁场与电磁感应第一节电流得磁效应磁场1 .磁场:磁体周围存在得一种特殊得物质叫磁场。磁体间得相互作用力就是通过磁场传送得。磁体间得相互作用力称为磁场力，同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。2 .磁场得性质：磁场具有力得性质与能量性质。3 .磁场方向：在磁场中某点放一个可自由转动得小磁针，它N极所指得方向即为该点得磁场方向。二、磁感线1 .磁感线在磁场中画一系列曲线，使曲线上每一点得切线方向都与该点得磁场方向相同，这些曲线称为磁感线。如图所示。得方向由S极指向N极。条形磁铁得磁感线(3)任意两条磁感线不相交。说明：磁感线就是为研究问题方便人为引入得假想曲线，实际上并不存在。图5-2所示为条

2、形磁铁得磁感线得形状。3.匀强磁场在磁场中某一区域，若磁场得大小方向都相同，这部分磁场称为匀强磁场。匀强磁场得磁感线就是一系列疏密均匀、相互平行得直线。三、电流得磁场1 .电流得磁场直线电流所产生得磁场方向可用安培定则来判定，方法就是：用右手握住导线，让拇指指向电流方向，四指所指得方向就就是磁感线得环绕方向。环形电流得磁场方向也可用安培定则来判定，方法就是：让右手弯曲得四指与环形电流方向一致,伸直得拇指所指得方向就就是导线环中心轴线上得磁感线方向。螺线管通电后,磁场方向仍可用安培定则来判定:用右手握住螺线管,四指指向电流得方向,拇指所指得就就是螺线管内部得磁感线方向。2 .电流得磁效应电流得周

3、围存在磁场得现象称为电流得磁效应。电流得磁效应揭示了磁现象得电本质。第二节磁场得主要物理量一、磁感应强度磁场中垂直于磁场方向得通电直导线,所受得磁场力F与电流I与导线长度l得乘积Il得比值叫做通电直导线所在处得磁感应强度B。即磁感应强度就是描述磁场强弱与方向得物理量。磁感应强度就是一个矢量,它得方向即为该点得磁场方向。在国际单位制中,磁感应强度得单位就是:特斯拉(T)。用磁感线可形象得描述磁感应强度B得大小,B较大得地方,磁场较强,磁感线较密;B较小得地方,磁场较弱,磁感线较稀;磁感线得切线方向即为该点磁感应强度B得方向。匀强磁场中各点得磁感应强度大小与方向均相同。二、磁通在磁感应强度为B得匀

4、强磁场中取一个与磁场方向垂直，面积为S得平面，则B与S得乘积,叫做穿过这个平面得磁通量,简称磁通。即=BS磁通得国际单位就是韦伯(Wb)。由磁通得定义式,可得即磁感应强度B可瞧作就是通过单位面积得磁通,因此磁感应强度B也常叫做磁通密度,并用Wb/m2作单位。三、磁导率1 .磁导率磁场中各点得磁感应强度B得大小不仅与产生磁场得电流与导体有关,还与磁场内媒介质(又叫做磁介质)得导磁性质有关。在磁场中放入磁介质时,介质得磁感应强度B将发生变化,磁介质对磁场得影响程度取决于它本身得导磁性能。物质导磁性能得强弱用磁导率来表示。得单位就是：亨利/米(H/m)。不同得物质磁导率不同。在相同得条件下,值越大,

5、磁感应强度B越大,磁场越强;值越小,磁感应强度B越小,磁场越弱。真空中得磁导率就是一个常数,用0表示0=4107H/m2 .相对磁导率r为便于对各种物质得导磁性能进行比较，以真空磁导率0为基准，将其她物质得磁导率与0比较淇比值叫相对磁导率，用表示，即根据相对磁导率r得大小，可将物质分为三类：(1)顺磁性物质：r略大于1,如空气、氧、锡、铝、铅等物质都就是顺磁性物质。在磁场中放置顺磁性物质，磁感应强度B略有增加。(2)反磁性物质：略小于1,如氢、铜、石墨、银、锌等物质都就是反磁性物质，又叫做抗磁性物质。在磁场中放置反磁性物质，磁感应强度B略有减小。(3)铁磁性物质：r>>1,且不就是

6、常数，如铁、钢、铸铁、馍、钻等物质都就是铁磁性物质。在磁场中放入铁磁性物质，可使磁感应强度B增加几千甚至几万倍。几种常用铁磁性物质得相对磁导率四、材料修场强度相对磁导率174，某点彳240感应强度材料 已经退火得铁 通询方率相对磁导率7000之比称为该点彳盘00场强度，记已经退火得铸铁 银620磁场强1bH也就是矢量11202180应强在真空中熔化得电解铁 馍铁合金12 95060 000度“cb仲单彳就是：安推濡0A/m)必须注意：磁场中各点得磁场强度一H得火小只与产生磁场得电流-I得大小与导体得虺状有关，与磁介质得性质无关。第三节磁场对电流得作用力、磁场对直线电流得作用力1 .安培力得大小

7、磁场对放在其中得通电直导线有力得作用，这个力称为安培力。(1)当电流I得方向与磁感应强度B垂直时，导线受安培力最大，根据磁感应强度可得(2)当电流I得方向与磁感应强度B平行时，导线不受安培力作用。(3)如图,当电流I得方向与磁感应强度B之间有一定夹角时，可将B分解为两个互相垂直得分量：当 =90时,安培力一卡一最,Bi = Bcos ;另一个与电流I垂直."妻劝二1gsi前力就是由B2产生得。因此刀版5型大;求"=0时,安培力F =2.单位磁场对直线电流得作用力公式中各物理量得单位均采用用国际单位制：安培帚n 。 Bi对电流用流得彳乍用力为得单年/牛顿(N);用安培(A);

8、长度l得单位用米(m);磁感应强度B得单位用特斯拉(T)。电流I得单位磁场对通电矩形线圈得作用力矩3.左手定则安培力F得方向可用左手定则判断：伸出左手，使拇指跟其她四指垂直，并都跟手掌在一个平面内，让磁感线穿入手心，四指指向电流方向，大拇指所指得方向即为通电直导线在磁场中所受安培力得方向。由左手定则可知：F1B,F1I,即F垂直于B、I所决定得平面。二、磁场对通电线圈得作用力矩将一矩形线圈abcd放在匀强磁场中，如图5-4所示,线圈得顶边ad与底边bc所受得磁场力Fad、Fbc大小相等，方向相反，在一条直线上彼此平衡；而作用在线圈两个侧边ab与cd上得磁场力Fab、Fcd虽然大小相等，方向相反

9、，但不在一条直线上，产生了力矩，称为磁力矩。这个力矩使线圈绕OO转动，转动过程中，随着线圈平面与磁感线之间夹角得改变，力臂在改变，磁力矩也在改变。当线圈平面与磁感线平行时，力臂最大，线圈受磁力矩最大；当线圈平面与磁感线垂直时，力臂为零，线圈受磁力矩也为零。电流表就就是根据上述原理工作得。三、电流表工作原理1 .结构电流表得结构如图所示。在一个很强得蹄形磁铁得两极间有一个固定得圆柱形铁心铁心外套有一个可以绕轴转动得铝框，铝框上绕有线圈，铝框得转轴上装有两个螺旋弹簧与一个指针，线圈两端分别接在这两个螺旋弹簧上，被测电流就就是经过这两个弹簧流入线圈得。2 .工作原理如图所示，蹄形磁铁与铁心间得磁场就

10、是均匀地辐向分布，这样，不论通电线圈转到什么方向，它得平面都跟磁感线平行。因此，线圈受到得偏转磁力矩Mi就不随偏角而改变。通电线圈所受得得磁力矩Mi得大小与电流I成正比，即Mi=kil式中ki为比例系数。线圈偏转使弹簧扭紧或扭松，于就是弹簧产生一个阻碍线圈偏转得力矩M2,线圈偏转得角度越大，弹簧得力矩也越大，M2与偏转角成正比，即M2=k2式中k2为比例系数。当Mi、M2平衡时，线圈就停在某一偏角上，固定在转轴上得指针也转过同样得偏角，指到刻度盘得某一刻度。电流表得结构磁电式电表得磁场即测量时偏转角度与所测量得电流成正比。这就就是电流表得工作原理。这种利用比较上述两个力矩，因为Mi=M2,所以

11、kiI=k2，即永久性磁铁来使通电线圈偏转达到测量目得得仪表称为磁电式仪表。3 .磁电式仪表得特点(i)刻度均匀，灵敏度高，准确度高。(2)负载能力差，价格较昂贵。(3)给电流表串联一个阻值很大得分压电阻，就可改装成量程较大得电压表；并联一个阻值很小得分流电阻，就可改装成量程较大得电流表；欧姆表也就是由电流表改装得。第四节铁磁性物质、铁磁性物质得磁化i磁化本来不具备磁性得物质，由于受磁场得作用而具有了磁性得现象称为该物质被磁化。只有铁磁性物质才能被磁化。4 .被磁化得原因(1)内因：铁磁性物质就是由许多被称为磁畴得磁性小区域组成得，每一个磁畴相当于个小磁铁。(2)外因：有外磁场得作用。如图所示

12、，当 排列杂乱无章，磁 磁性；如图所示，当 将沿着磁场方向 磁场，使磁场显著 在撤去磁场后，磁无外磁场作用时，磁畴性相互抵消，对外不显有外磁场作用时，磁畴作取向排列，形成附加加强。有些铁磁性物质畴得一部分或大部分仍然保持取向一致，对外仍显磁性，即成为永久磁铁。5 .不同得铁磁性物质，磁化后得磁性不同。，如变压器、继电器、电6 .铁磁性物质被磁化得性能，被广泛地应用于电子与电气设备中机等。二、磁化曲线1 .磁化曲线得定义铁磁性物质得磁感应强度B随磁场磁化曲线就是用来描述铁磁性物质得磁化特性得。强度H变化得曲线，称为磁化曲线，也叫BH曲线。2 .磁化曲线得测定图(a)就是测量磁化曲线装置得示意图，

13、(b)就是根据测量值做出得磁化曲线。由图5-8(b)可以瞧出，B与H得关系就是非线性得，即不就是常数。3.分析(1) 0 1称为起始磁化段缓慢、这就是由于磁畴得惯性;当H从零开始增加时,B增加缓慢(2) 1 2 段:随得用”出几乎直线上升，这M息由于磁畴在外磁场作用下，大部分都趋向H方向,B增加很，常,很陡，称为直线段。.测谟就是由于大部分磁畴方向已转向H方3 3)23段:随着H得其加,B得上用跳1掰1向，随着H得增加只有少数磁畴继续转向,B增加变慢。4 4)3点以后：到达3点以后，磁畴几乎全部转到了外磁场方向，再增大H值,B也几乎不再增加，曲线变得平坦，称为饱与段，此时得磁感应强度叫饱与磁感

14、应强度。不同得铁磁性物质,B得饱与彳1不同，对同一种材料臼得饱与值就是一定得。电机与变压器，通常工作在曲线得23段,即接近饱与得地方。4.磁化曲线得意义在磁化曲线中，已知H值就可查出对应得B值。因此，在计算介质中得磁场问题时，磁化曲线就是一个很重要得依据。图给出了几种不同铁磁性物质得磁化曲线，从曲线上可瞧出，在相同得磁场强度H下,硅钢片得B值最大,铸铁得B值最小，说明硅钢片得导磁性能比铸铁要好得多。三、磁滞回饯图5-10为通过疫验测定得某种铁磁性物质得磁滞回线。(i)当B命9HI®志怖为箝与值以后，逐渐减/弧5-嚼#裨回德图可瞧出，b并不沿起始磁化曲线减小，而就是沿另一条在它上面得曲

15、线ab下降。(2)当H减小到零时，B0,而就是保留一定得值称为剩磁，用Br表示。永久性磁铁就就是利用剩磁很大得铁磁性物质制成得。(3)为消除剩磁，必须加反向磁场，随着反向磁场得增强，铁磁性物质逐渐退磁，当反向磁场增大到一定值时,B值变为0,剩磁完全消失，如图bc段。bc段曲线叫退磁曲线，这时H值就是为克服剩磁所加得磁场强度，称为矫顽磁力，用He表示。矫顽磁力得大小反映了铁磁性物质保存剩磁得能力。(4)当反向磁场继续增大时,B值从0起改变方向，沿曲线cd变化,并能达到反向饱与点do(5)使反向磁场减弱到0,BH曲线沿de变化，在e点H=0,再逐渐增大正向磁场,BH曲线沿efa变化，完成一个循环。

16、(6)从整个过程瞧,B得变化总就是落后于H得变化,这种现象称为磁滞现象。经过多次循环,可得到一个封闭得对称于原点得闭合曲线(abcdefa),图5-11基本磁化曲线称为磁滞回线。(7)改变交变磁场强度H得幅值，可相应得到一系列大小不一得磁滞回线，如图5-11所示。连接各条对称得磁滞回线得顶点，得到一条磁化曲线，叫基本磁化曲线。3.磁滞损耗铁磁性物质在交变磁化时，磁畴要来回翻转，在这个过程中产生了能量损耗，称为磁滞损耗。磁滞回线包围得面积越大，磁滞损耗就越大，所以剩磁与矫顽磁力越大得铁磁性物质，磁滞损耗就越大。因此，磁滞回线得形状常被用来判断铁磁性物质得性质与作为选择材料得依据。第五节磁路得基本

17、概念、磁路1 .主磁通与漏磁通如图5-12所示，当线圈中通以电流后，大部分磁感线沿铁心、衔铁与工作气隙构成回路，这部分磁通称为主磁通；还有一部分磁通，没有经过气隙与衔铁，而就是经空气自成回路，这部分磁通称为漏磁通。、磁路得欧姆定律2 .磁动势通电线圈产生得磁通与线圈得匝数N与线圈中所通过得电流I得乘积成正比。把通过线圈得电流I与线圈匝数N得乘积，称为磁动势，也叫磁通势，即Em=NI磁动势Em得单位就是安培(A)。3 .磁阻磁阻就就是磁通通过磁路日所受到得阻碍作用，用Rm表示。磁路中磁阻得大小与磁路得长度l成正比，与磁路得横截面积S成反比，并与组成磁路得材料性质有关。因此有式中，为磁导率，单位H

18、/m,长度l与截面积S得单位分别为m与m2。因此,磁阻Rm得单位为1/亨(H1)。由于磁导率不就是常数，所以Rm也不就是常数。4 .磁路欧姆定律(1)磁路欧姆定律通过磁路得磁通与磁动势成正比，与磁阻成反比，即上式与电路得欧姆定律相似，磁通对应于电流I,磁动势Em对应于电动势E,磁阻Rm对应于电阻R。因此，这一关系称为磁路欧姆定律。(2)磁路与电路得对应关系磁路中得某些物理量与电路中得某些物理量有对应关系，同时磁路中某些物理量之间与电路中某些物理量之间也有相似得关系。磁路与电路中对应得物理量及其关系式,全甩流矩律电路磁路电流I电阻电阻率电动势E电路欧姆定律磁通磁阻磁导率磁动势磁路欧姆定律根据磁路

19、得欧姆定律，将代入，可得将上式与对照，可得或即磁路中磁场强度H与磁路得平均长度l得乘积，在数值上等于激发磁场得磁动势，这就就是全电流定律。磁场弓II度H与磁路平均长度l得乘积，又称磁位差，用Um表示，即Um=Hl磁位差Um得单位为安培（A）。若所研究得磁路具有不同得截面，并且就是由不同得材料构成得，则可以把磁路分成许多段来考虑，于就是有或2解：HB且510例395809遍解步倚傍m应蟹与9809d.0%财9Ao4质10是空气，与磁场方向平行相线段长10cm,求这一线段上得磁位差。本章小结一、磁场1 .磁场就是磁体周围存在得一种特殊物质,磁体通过磁场发生相互作用。2 .磁场得大小与方向可用磁感线来形象得描述:磁感线得疏密表示磁场得强