《电工技术基础》项目3认识磁场与电磁感应

电工技术基础项目一分析简单直流电路项目二分析复杂直流电路项目三认识磁场与电磁感应项目四分析单相正弦交流电路项目五分析三相正弦交流电路项目六认识变压器项目七认识异步电动机项目八认识低压电器与用电保护项目三认识磁场与电磁感应3.1磁场3.2电磁感应项目导读磁与电是电工学的两个重要研究对象，它们之间具有密切的联系，电磁感应是反映磁与电相互转换关系的基本物理现象。点击跳过案例项目导读很多电气设备如发电机、电动机和变压器等，都应用到了电磁感应的基本原理。点击跳过案例项目导读要全面分析电气设备的原理与特性，就必须掌握磁场与电磁感应的基本知识。点击跳过案例目标知识目标了解磁体、磁极和磁场的定义。熟悉通电直导线和通电螺线管的磁场方向。掌握磁场的基本物理量和电磁力的计算方法。了解电磁感应现象。掌握楞次定律和法拉第电磁感应定律。了解自感现象和互感现象，以及互感线圈的同名端。目标技能目标能用安培定则判断通电导体产生的磁场方向。能用左手定则判断通电导体在磁场中受到的电磁力的方向。能用右手定则和楞次定律判断感应电动势或感应电流的方向。素质目标养成专注技艺、追求卓越的职业作风。弘扬勇于探索、知难而进的创新精神。磁场无处不在，它是许多物理实验及电工实验的基础。请学习磁场的定义及基本特性，并对通电导体的磁场进行探究。1．项目描述项目工单——探究通电导体的磁场2．项目准备项目工单——探究通电导体的磁场1）知识准备在探究通电导体的磁场时，需要明确电磁学的定义，如磁场、电流等，熟悉它们之间的关系及相互作用的方式，了解磁场的基本性质及测量方法，掌握安培定则的具体内容。同时，还需要熟悉实验室安全规范，了解实验过程中可能存在的风险，并掌握相应的防护措施。将实施过程中所需的工具和器材填入表中。2．项目准备项目工单——探究通电导体的磁场2）工具和器材准备实施过程中所需的工具和器材名称规格与型号单位数量备注干电池1.5V，五号

个1

电池盒

个1

导线

条2

磁针

个1

螺线管

个1

导线条若干学生以4～5人为一组，各小组成员合作对通电导体的磁场进行探究，并做好记录。（详情请见教材）3．项目实施项目工单——探究通电导体的磁场拓展视频探究通电直导线周围的磁场通电直导线是怎样判断磁场方向的?3.1磁场3.1.1磁场概述1．磁体、磁极和磁场1）磁体自然界中的某些物体具有吸引铁、钴、镍等物质的性质，这种性质称为磁性。带有磁性的物体称为磁体。3.1.1磁场概述1．磁体、磁极和磁场2）磁极磁体上磁性最强的两个部位称为磁极。实验证明，任何磁体都有两个磁极。一个可在水平面内自由转动的磁体，它在静止时总是一个磁极指向南方，另一个磁极指向北方。指向南方的磁极称为南极，用S表示；指向北方的磁极称为北极，用N表示。常见磁体的磁极指向如图所示。（a）磁针（b）条形磁铁（c）马蹄形磁铁课堂互动磁体的磁极有什么特性？点拨磁体的磁极总是成对出现的，即使把一个磁体截成两段，每段磁体也有各自的南极和北极。此外，磁极之间具有同性磁极相互排斥、异性磁极相互吸引的特性。3.1.1磁场概述1．磁体、磁极和磁场3）磁场磁性之间的同性磁极相互排斥、异性磁极相互吸引的特性都是通过某种特殊物质来实现的，这种特殊物质称为磁场。磁场是一个在空间区域内连续分布的向量场，也是有方向的。通常规定：在磁场中某点放置一个能自由转动的磁针，磁针静止时N极所指的方向就是该点磁场的方向。3.1.1磁场概述1．磁体、磁极和磁场3）磁场磁感线（又称磁力线）是人们为了形象地描述各点磁场的方向而假想的曲线。可利用磁感线形象地描绘磁场，即在磁场中画出一系列有方向的曲线，曲线上任意一点的切线方向就是该点的磁场方向（磁针在该点静止时N极所指的方向），如图所示。（a）条形磁铁（b）马蹄形磁铁课堂互动如何划分磁感线？知识库磁感线可形象、直观地反映磁场的性质。磁感线的疏密反映了磁场的强弱，即磁感线密的地方磁场强，磁感线疏的地方磁场弱。此外，磁感线在磁体内部、外部的指向不同。磁感线在磁体内部的指向是由S极指向N极，在磁体外部的指向则是由N极指向S极，从而形成不相交的闭合曲线。3.1.1磁场概述2．电流的磁效应1820年，丹麦物理学家H.C.奥斯特（H.C.Oersted）发现：在静止的磁针上方放置一根与磁针平行的直导线，当给直导线通电时，磁针立刻偏转一个角度，如图所示。这一现象说明通电直导线周围存在磁场，即电流的磁场，由电流产生磁场的现象称为电流的磁效应。通电直导线周围的磁场方向（即磁感线方向）与电流的关系可用安培定则来判断。奥斯特的电流磁效应实验课堂互动安倍定则是怎样的？知识库安培定则又称右手螺旋定则，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。3.1.1磁场概述2．电流的磁效应1）通电直导线的磁场方向通电直导线磁场方向的判断方法：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，则弯曲的四指所指的方向就是磁场方向，如图所示。通电直导线的磁场方向头脑风暴判断并画出如图所示两根通电直导线周围的磁场方向。通过判断，你能发现什么规律？（a）通入同向电流（b）通入反向电流3.1.1磁场概述2．电流的磁效应2）通电螺线管的磁场方向通电螺线管与条形磁铁具有相似的特性，即通电螺线管一端相当于N极，另一端相当于S极，它产生的磁场方向与通电电流的流向有关。在通电螺线管的外部，磁感线的指向是由N极指向S极，而在通电螺线管的内部，磁感线的指向是由S极指向N极，如图所示。通电螺线管磁感线的方向3.1.1磁场概述2．电流的磁效应2）通电螺线管的磁场方向通电螺线管磁场方向的判断方法：用右手握住通电螺线管，让四指弯曲的方向与电流的方向一致，则大拇指所指的方向即通电螺线管的磁场方向，如图所示。通电螺线管磁场方向的判断方法3.1.2磁场的基本物理量磁场不仅有方向，还有强弱。磁感线的疏密只能定性地描述磁场的强弱，而磁场的基本物理量可以用来定量地描述磁场的强弱。磁场的基本物理量磁通磁感应强度磁导率磁场强度3.1.2磁场的基本物理量1．磁通通过垂直于磁场方向上某一截面面积S的磁感线总数，称为该截面的磁通量，简称磁通，用字母表示。磁通的单位为韦伯，简称韦，符号为Wb。3.1.2磁场的基本物理量2．磁感应强度与磁场方向垂直的单位面积上的磁通称为磁感应强度（又称磁通密度），用字母B表示。磁感应强度的单位为特斯拉，简称特，符号为T。在均匀磁场中，磁感应强度的计算表达式为（3-1）式中：

——与磁场方向垂直的截面面积，单位为。磁感应强度是个矢量，它是描述磁场强弱和方向的物理量，磁场中某点磁感线的切线方向就是该点磁感应强度的方向。课堂互动均匀磁场是怎样判断的？知识库若磁场中各点的磁感应强度大小相等且方向相同，则该磁场称为均匀磁场。距离较近的两个异名磁极之间中心处的磁场、通电螺线管内中心处的磁场等通常都被视为均匀磁场。均匀磁场的磁感线用一些间隔相等的平行直线来表示，如图所示。（a）方向向下（b）垂直纸面向里（c）垂直纸面向外3.1.2磁场的基本物理量3．磁导率磁导率是指用来表征不同介质材料导磁性能强弱的物理量，用字母表示。单位为亨利每米，简称亨每米，符号为H/m。不同的物质具有不同的磁导率。实验测定，真空磁导率是一个常数，用表示，即3.1.2磁场的基本物理量3．磁导率任意物质的磁导率

与真空磁导率

的比值称为相对磁导率，用表示。相对磁导率的计算表达式为（3-2）相对磁导率只是一个比值，没有单位。3.1.2磁场的基本物理量4．磁场强度磁场强度是指磁场中某点的磁感应强度

B与磁导率

的比值，用字母H表示。磁场强度的单位为安培每米，符号为A/m。磁场强度的计算表达式为（3-3）磁场强度是一个矢量，它的方向和磁感应强度的方向一致。3.1.3磁场对通电导体的作用力电磁力通电导体在磁场中受到的作用力又称为安培力3.1.3磁场对通电导体的作用力1．电磁力的大小在均匀磁场中，当通电导体与磁场方向垂直时，电磁力的大小与磁感应强度、导体中电流的大小、导体在磁场中的有效长度成正比，即（3-4）式中：

——导体受到的电磁力，单位为牛顿（简称牛，符号为N）；

——导体中的电流强度，单位为A；

——导体在磁场中的有效长度，单位为m。3.1.3磁场对通电导体的作用力1．电磁力的大小实验表明，通电导体在垂直于磁场方向时所受的电磁力最大，即；在平行于磁场方向时所受的电磁力最小，即；在与磁场方向的夹角为时，通电导体所受的电磁力与的大小有关，即。通电导体与磁感线的夹角为3.1.3磁场对通电导体的作用力2．电磁力的方向从本质上说，电磁力是磁场和通电导体周围形成的磁场相互作用的结果，其方向既与磁场方向有关，又与电流方向有关。通电导体在磁场中所受电磁力的方向可用左手定则来判断。课堂互动左手定则是怎样的？知识库左手定则：伸出左手，保持手掌在同一平面内，让大拇指与其余四指垂直，磁感线垂直穿过手心，四指指向电流的方向，则大拇指所指的方向就是电磁力的方向，如图所示。左手定则头脑风暴判断如图所示两根通电直导线所受电磁力的方向。通过判断，你能发现什么规律？（a）通入同向电流（b）通入反向电流3.1.3磁场对通电导体的作用力例3-1某一均匀磁场的磁感应强度，将通有电流的直导线放入该磁场中，若直导线在该磁场中的有效长度，试求：直导线与磁场方向垂直时，直导线所受的电磁力。解：由式

可得，当直导线和磁场方向垂直时，直导线所受的电磁力为。课堂训练通电螺线管磁场方向的判断方法？通电导体在磁场中所受电磁力的方向怎样判断的？课堂小结磁场磁场概述磁场的基本物理量磁场对通电导体的作用力3.2电磁感应3.2.1电磁感应现象如图（a）所示，在磁场中放置一根导体AB，将导体AB的两端分别与灵敏检流计的两个接线柱相连接，形成闭合回路。当导体AB在磁场中沿垂直磁感线方向（即切割磁感线）运动时，灵敏检流计的指针发生偏转；当导体AB沿平行磁感线方向运动时，灵敏检流计的指针不发生偏转。由此说明，当闭合回路中的一部分导体做切割磁感线运动时，闭合回路中会有电流通过。（a）导体在磁场中做切割磁感线运动3.2.1电磁感应现象如图（b）所示，将空心线圈两端分别与灵敏检流计的两个接线柱相连接，形成闭合回路。当将条形磁铁快速插入线圈时，灵敏检流计的指针发生偏转，表明闭合回路中有电流通过；当条形磁铁静止不动时，灵敏检流计的指针不发生偏转，表明闭合回路中没有电流通过。（b）条形磁铁在磁场中运动3.2.1电磁感应现象当将条形磁铁快速拔出线圈时，灵敏检流计的指针向相反方向偏转，表明闭合回路中有电流通过，且电流方向也随之发生改变。由此说明，当闭合回路中的磁通发生变化时，闭合回路中会有电流通过。（b）条形磁铁在磁场中运动3.2.1电磁感应现象因此，当闭合回路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，或者闭合回路中的磁通发生变化时，闭合回路中会有电流产生，这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应现象。在电磁感应现象中产生的电动势称为感应电动势，产生的电流称为感应电流。（b）条形磁铁在磁场中运动（a）导体在磁场中做切割磁感线运动导体在磁场中做切割磁感线运动时所产生感应电流的方向，可用右手定则来判断。课堂互动右手定则是怎样的？知识库右手定则：伸出右手，保持手掌在同一平面内，让大拇指与其余四指垂直，磁感线垂直穿过手心，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流的方向，如图所示。右手定则3.2.2楞次定律与法拉第电磁感应定律1834年，俄国物理学家H.F.E.楞次（H.F.E.Lenz）通过大量实验得到了感应电流方向的变化规律，即楞次定律。楞次定律可表述为：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总是阻碍产生此感应电流的磁通的变化。1．楞次定律课堂互动楞次定律的特点有哪几点？点拨（1）楞次定律是普遍规律，适用于一切电磁感应现象。（2）“阻碍”不是“阻止”或“反向”。当原磁场的磁通增大时，感应电流产生的磁场与原磁场方向相反；当原磁场的磁通减小时，感应电流产生的磁场与原磁场方向相同，可简记为“增反减同”。点拨（3）要区分产生感应电流的原磁场与感应电流产生的磁场。（4）在电磁感应现象中产生的电能是由机械能转换而来的，或是由电能转移而来的。在这种转换或转移过程中，总能量保持不变，即能量是守恒的。（5）由右手定则和楞次定律所得出的结论完全一致。3.2.2楞次定律与法拉第电磁感应定律在电磁感应现象中，若闭合回路中有感应电流，则回路中一定有感应电动势。产生感应电动势的这部分导体就相当于电源。2．法拉第电磁感应定律3.2.2楞次定律与法拉第电磁感应定律德国物理学家F.E.纽曼（F.E.Neumann）、W.E.韦伯（W.E.Weber）在对实验资料进行分析后，于1845年和1846年先后指出：闭合电路中感应电动势的大小，与穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。后因英国物理学家迈克尔•法拉第（MichaelFaraday）对电磁感应现象的研究贡献较大，故后人将之称为法拉第电磁感应定律。2．法拉第电磁感应定律3.2.2楞次定律与法拉第电磁感应定律2．法拉第电磁感应定律感应电动势的大小与磁通的变化快慢有关。若把单位时间内磁通量的变化量称为磁通量的变化率，则感应电动势的计算表达式为（3-5）式中：

——线圈在时间内产生的感应电动势，单位为V；

——线圈在时间内磁通的变化量，单位为Wb；

——磁通量的变化时间，单位为s。3.2.2楞次定律与法拉第电磁感应定律2．法拉第电磁感应定律若线圈的匝数为N，则整个线圈的感应电动势的计算表达式为（3-6）式中：

——线圈的匝数，无单位。课堂互动左手定则和右手定则分别适用于哪种情况？点拨左手定则适用于磁场对电流的作用，即电能转换成机械能的情况；右手定则适用于电磁感应现象，即机械能转换成电能的情况。3.2.2楞次定律与法拉第电磁感应定律例3-2如图所示，在的均匀磁场中，有一导体CD，其有效长度，以的速度向右滑动，试求：导体CD中感应电动势的大小和回路中感应电流的方向。例3-2图解：由式

和式

可得，导体CD中感应电动势的大小为：由安培定则可得，回路中感应电流的方向为DCBAD。课堂互动想一想电磁感应给我们带来了怎样的科技发展？同时我们应怎样做？思想启迪高速飞车是一种融合了超导电动悬浮与低真空管道技术的新时代交通工具，它以独特的魅力引领着交通领域的革新潮流。它利用电磁感应原理，实现列车与轨道间的稳定悬浮与高速运行，将出行速度与舒适度推向了新高度。思想启迪科技的发展给我们的工作和生活带来了深远的影响，高速飞车只是新时代科技发展的一个缩影。作为新时代青少年，我们应该保持对科技的热情和好奇心，关注前沿技术的发展动态。同时，我们也要努力学习科学文化知识，提升自己的综合素质，为我国的科技发展贡献一份力量。3.2.3自感现象和互感现象1．自感现象由于导体本身的电流变化而产生的电磁感应现象称为自感现象，简称自感。当电流通过线圈时，线圈会产生磁通，即自感磁通，用字母表示，单位为Wb。当电流通过匝数为N的线圈时，通过各线圈的自感磁通之和称为自感磁链，用表示，单位为Wb。若通过每匝线圈的自感磁通都相等，则自感磁链的计算表达式为（3-7）3.2.3自感现象和互感现象1．自感现象1）自感系数当同一电流通过结构不同的线圈时，产生的自感磁链也不同。为表示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称为自感系数（又称电感），用L表示。电感的计算表达式为（3-8）式中：

——电感，单位为亨利（简称亨，符号为H）。课堂互动在国际单位制中，电感单位之间的换算关系是怎样的？知识库在国际单位制中，电感的单位为H。常用的电感单位还有毫亨（mH）、微亨（），它们之间的换算关系为μH3.2.3自感现象和互感现象1．自感现象1）自感系数线圈的电感是由线圈本身的特性决定的有关无关线圈的尺寸匝数制作材料磁导率线圈中电流的大小3.2.3自感现象和互感现象1．自感现象2）自感电动势当通过线圈的电流发生变化时，线圈内部会产生因线圈磁通变化而阻碍电流变化的感应电动势，即自感电动势，用表示。自感电动势的计算表达式为（3-9）式中：

——自感电动势，单位为V；

——线圈中电流的变化速率，单位为安每秒（符号为）。3.2.3自感现象和互感现象1．自感现象2）自感电动势式中的负号表示自感电动势总是阻碍导体中电流的变化，如图所示。若电流增大，则自感电动势阻碍电流增大，自感电动势方向与电流方向相反；若电流减小，则自感电动势阻碍电流减小，自感电动势方向与电流方向相同。自感的阻碍作用3.2.3自感现象和互感现象例3-3一个线圈的电感，当线圈中电流的变化速率为时，试求：线圈中的自感电动势。解：由式可得，线圈中的自感电动势为3.2.3自感现象和互感现象2．互感现象在两个相邻的线圈中，当一个线圈的电流随时间变化时，它所产生的变化磁场会在另一个线圈中产生感应电动势，这种现象称为互感现象。其中，穿过另一线圈的磁通称为互感磁通，由它所产生的磁链，称为互感磁链，用表示。3.2.3自感现象和互感现象2．互感现象1）互感系数两个线圈产生的互感磁链与产生此互感磁链的电流的比值称为互感系数，简称互感，用字母表示。互感的计算表达式为（3-10）式中：

——两个线圈的互感，单位为H；

——两个线圈的互感磁链，单位为Wb。课堂互动互感与线圈的什么有关？点拨互感与两个线圈的几何形状、尺寸、匝数、相对位置及制作材料的磁导率有关，与线圈中电流的大小无关。3.2.3自感现象和互感现象2．互感现象2）互感电动势在互感现象中产生的感应电动势称为互感电动势，用字母表示。互感电动势的计算表达式为（3-11）式中：——互感电动势，单位为V。3.2.3自感现象和互感现象例3-4

线圈A和线圈B的互感，当线圈A中的电流变化速率为时，试求：线圈B中的互感电动势。解：由式可得，线圈B中的互感电动势为3.2.3自感现象和互感现象2．互