§4-1磁场及电磁感应

§4-1磁场与电磁感应一、电流的磁场用铁屑模拟磁场分布

当两个磁极靠近时,它们之间会产生相互作用的力:同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引。在磁体周围的空间中存在着一种特殊的物质——磁场,磁极之间的作用力就是通过磁场进行传递的。根据铁屑的分布和磁场中各点的小磁针N极的指向,我们可以画出一些曲线来描述磁场。这样的曲线称为磁感线。

1．磁场与磁感线

在磁体外部由N极指向S极,在磁体内部由S极指向N极。磁感线是闭合曲线。蹄形磁铁的磁感线磁感线方向与磁场方向

在磁场的某一区域里,如果磁感线是一些方向相同、分布均匀的平行直线,这一区域称为均匀磁场。距离很近的两个异名磁极之间的磁场,除边缘部分外,就可以认为是均匀磁场。把小磁针放在通电导线下方,小磁针转动接通电源,绕上漆包线的铁钉也就成了磁铁2．电流的磁场

不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场，这种现象称为电流的磁效应。右手螺旋定则用右手握住通电螺线管,让弯曲的四指所指的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N极的方向用右手握住导线,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二、磁场对电流的作用1．磁场对通电直导体的作用通常把通电导体在磁场中受到的力称为电磁力。

平伸左手,使大拇指与其余四个手指垂直,并且都跟手掌在同一个平面内,让磁感线垂直穿入掌心,并使四指指向电流的方向,则大拇指所指的方向就是通电导体所受电磁力的方向。左手定则在磁场中,垂直于磁场方向的通电导线,所受电磁力F与电流I和导线长度L的乘积IL的比值称为该处的磁感应强度,用B表示,即B=F/IL磁感应强度的单位是特斯拉(T),简称特。磁感应强度是个矢量,它的方向就是该点的磁场的方向。

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Φ表示,则有Φ=BS

磁通的单位是韦伯(Wb),简称韦。a)通入同方向电流的平行导线相互吸引b)通入反方向电流的平行导线相互排斥2．通电平行直导线间的作用3．磁场对通电线圈的作用磁场对通电矩形线圈的作用是电动机旋转的基本原理。许多利用永久磁铁来使通电线圈偏转的磁电式仪表，也利用这一原理制成的。直流电动机原理磁电式仪表三、电磁感应变压器

一台大型发电机的转子1.电磁感应现象电流能产生磁场，那么磁场能否产生电流呢？

磁铁插入线圈

磁铁拔出线圈将一条形磁铁放置在线圈中，当其静止时，检流计的指针不偏转，但将它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。这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应现象，产生的电流称为感应电流，产生感应电流的电动势称为感应电动势。2.电磁感应定律在线圈回路中产生感应电动势和感应电流的原因是由于磁铁的插入和拔出导致线圈中的磁通发生了变化。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场总要阻碍引起感应电流的磁通的变化。（1）楞次定律（2）法拉第电磁感应定律如果改变磁铁插入或拔出的速度，就会发现，磁铁运动速度越快，指针偏转角度越大，反之越小。而磁铁插入或拔出的速度，反映的是线圈中磁通变化的速度。即：线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正比。这就是法拉第电磁感应定律。用ΔΦ表示时间间隔Δt内一个单匝线圈中的磁通变化量，则一个单匝线圈产生的感应电动势的大小为如果线圈有N匝，则感应电动势的大小为3．感应电动势的产生直导体切割磁感线产生感应电动势感应电动势的方向可用右手定则判断。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。右手定则

当导体、导体运动方向和磁感线方向三者互相垂直时，导体中的感应电动势为：e=Blv如果导体运动方向与磁感线方向有一夹角α，则导体中的感应电动势为e=Blvsinα导体运动方向与磁感线方向示意图发电机就是应用导线切割磁感线产生感应电动势的原理发电的，实际应用中，将导线做成线圈，使其在磁场中转动，从而得到连续的电流。发动机原理示意图

在磁感应强度为B的均匀磁场中,有一直导体AB沿平行导电轨道滑动。当导体以速度v向左匀速运动时,导体切割磁感线的有效长度为L,试确定导体中感应电动势的方向和大小。解:（1）导体向左运动时，导电回路中磁通将增加，根据楞次定律判断，导体中感应电动势的方向是B端为正，A端为负。用右手定则判断，结果相同。（2）设导体在Δt时间内左移距离为d，则导电回路中磁通的变化量为ΔΦ=BΔS=BLd=BLvΔt所以感应电动势如果导体和磁感线之间有相对运动时，用右手定则判断感应电流方向较为方便。如果导线与磁感线之间无相对运动，只是穿过闭合回路的磁通发生了变化，则用楞次定律来判断感应电流的方向。合上开关，VD1亮，VD2不亮；再断开开关，VD1熄灭，VD2闪亮一下然后熄灭。当线圈中的电流发生变化时，线圈中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。4．自感（1）自感现象

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。在自感现象中产生的感应电动势称为自感电动势，用eL表示，自感电流用iL表示。（2）自感系数自感电流产生的磁通称为自感磁通。一个线圈中通过单位电流所产生的自感磁通称为自感系数（简称电感），用L表示，即L的单位是亨利，用H表示。常采用较小的单位有毫亨（mH）和微亨（μH）。线圈的电感是由线圈本身的特性决定的。线圈越长，单位长度上的匝数越多，截面积越大，电感就越大。有铁心的线圈，其电感要比空心线圈的电感大得多。电感为常数的线圈称为线性电感。空心线圈当其结构一定时，可近似地看成线性电感。有铁心的线圈，其电感不是一个常数，称为非线性电感。（3）自感电动势由

代入

，可得5．互感

在开关SA闭合或断开的瞬间,以及闭合开关后改变RP的阻值时,检流计的指针都会发生偏转。（1）互感现象和互感电动势两个线圈间的互感我们把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称为互感现象，简称互感。由互感产生的感应电动势称为互感电动势，用eM表示。互感电动势的计算公式为

式中M称为互感系数，简称互感，单位和自感一样，也是亨（H）。当两个线圈互相平行，且第一个线圈的磁通变化全部影响到第二个线圈，这时也称全耦合，互感电动势最大。（2）互感线圈的同名端我们把由于线圈绕向一致而产生感应电动势的极性始终保持一致的端子称为线圈的同名端，用“·”或“*”表示。图中1、4、5就是一组同名端。SA闭合瞬间，A线圈有电流i从1端流进，根据楞次定律，在A线圈两端产生自感电动势，极性为左正右负。利用同名端可确定B线圈的4端和C线圈的5端皆为互感电动势的正端。互感线圈的同名端

当线圈的绕向难以确定时，可用如下方法判别两个线圈的同名端。线圈B(副线圈)接检流计。合上开关的瞬间如果电压表指示为正向电压，则3与1为同名端，否则，3与1为异名端。同名端的判断四、铁磁物质的磁现象和磁路使原来没有磁性的物质具有磁性的过程称为磁化。只有铁磁材料才能被磁化，而非铁磁性材料是不能被磁化的。这是因为铁磁物质可以看作是由许多被称为磁畴的小磁体所组成。1．铁磁物质的磁化当一个线圈的结构、形状、匝数都已确定时，线圈中的磁通Φ随电流I变化的规律可用Φ—I曲线来表示，称为磁化曲线，它反映了铁心的磁化过程。磁化实验与磁化曲线

利用电流产生的磁场磁化铁芯

磁化曲线各种电器的线圈中，一般都装有铁芯以获得较强的磁场。为了尽可能增强线圈中的磁场，还常将铁芯制成闭合的形状，使磁感线沿铁芯构成回路。铁芯构成的磁路当线圈中电流变化到零时，由于磁畴存在的惯性，铁芯中的Φ并不为零，而是仍保留部分剩磁。必须加反向电流，并达到一定数值才能使剩磁消失。上述现象称为磁滞.

图b中的封闭曲线称为磁滞回线。

铁芯在反复磁化的过程中，由于要不断克服磁畴惯性将损耗一定的能量，称为磁滞损耗，这将使铁芯发热。反复磁化和磁滞回线

理想情况

磁滞回线不同的铁磁材料具有不同的磁滞回线，它们的用途也不相同，一般可分为硬磁材料、软磁材料、矩磁材料三大类。2．铁磁材料的分类硬磁材料软磁材料矩磁材料a)磁电系仪表b)变压器c)电动机磁通所通过的路径称为磁路。几种常见的电气设备磁路如下：3．磁路

磁路可分为无分支磁路和有分支磁路。

与电路比较，磁路的漏磁现象要比电路的漏电现象严重得多。全部在磁路内部闭合的磁通称主磁通，部分经过磁路周围物质而自成回路的磁通称为漏磁通。由于制造和结构上的原因，磁路中常有气隙，当气隙很小时，气隙中的磁感线是平行而均匀的，只有极少数磁感线扩散出去形成所谓的边缘效应。主磁通、漏磁通和边缘效应我们