《电工技术基础与技能》课件-模块6磁场及电磁感应

《电工技术基础与技能》模块六磁场及电磁感应模块知识目标理解磁场的基本概念及基本物理量。0102了解直线电流、通电螺线管电流的磁场。掌握磁场对电流的作用力公式。0403掌握右手螺旋定则的判定方法。模块知识目标掌握左手定则的使用方法。0506理解电磁感应现象。了解自感和互感现象及其在实际中的应用。0907掌握产生感应电流的条件。掌握楞次定律和右手定则。08模块技能目标03010402能够用楞次定律判定感应电流的方向。能够用右手定则判定感应电流的方向。能够用左手定则判定磁场力的方向。能够用右手螺旋定则判定电流所产生磁场的方向。单元一、磁场磁场磁铁矿石指南针

我国是世界上最早发现并且应用磁现象的国家之一。战国时期，随着炼铁业的发展和铁器的应用，人们就已经发现了磁铁矿石能够吸引铁片的现象。

北宋时期，我国科学家沈括已经制造出了航海用的指南针，并且发现了地磁偏角。一、磁场的基本概念1.磁场

我们把具有吸引铁、镍、钴等物质的性质叫做磁性，把具有磁性的物体称为磁体。磁体两端磁性最强的区域叫做磁极。每个磁体都有两个磁极，即南极(用S表示)，和北极(用N表示)。

两个磁体之间具有同极性相排斥，异极性相吸引的特性。磁体间的这种相互作用的力，称为磁场力。磁极在自己周围的空间里产生磁场，磁场对处在它里面的磁极有磁场力的作用。磁场及磁场力一、磁场的基本概念2.磁场的性质磁场同电场一样，都具有力和能的性质。3.磁感线

人们为了形象的描述磁场，就把铁屑在磁场中的排列情况用一些带箭头的曲线表示，这样的线，叫做磁感线，如图所示。条形磁铁的磁感线一、磁场的基本概念4.磁场的方向磁感线上任意一点的切线方向，表示的是该点的磁场方向。曲线分布的密疏程度，表示磁场的强弱。

人们规定，小磁针在磁场中某一点静止时，N级所指的方向，就是该点的磁场方向。如果在磁场中某一区域磁力线的疏密程度一致，而且方向相同，则称该区域的磁场为匀强磁场。磁场方向一、磁场的基本概念5.磁感线的特点磁感线是假想的曲线，并非实际存在；01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；02任意两条磁感线不相交。03二、磁场的基本物理量——1.磁感应强度式中B

——磁感应强度(T)；I

——导体中的电流(A)；l——导体在磁场中的有效长度(m)；F

——导体受到的安培力(N)。在磁场中的一个固定点上，磁场力与电流、导体长度的比值是一个常数，这个比值就是磁感应强度，用字母B表示。

（2）磁感应强度是一个矢量，它的方向即为该点的磁场方向。（3）用磁感线可形象地描述磁感应强度B的大小，B较大的地方，磁场较强，磁感线较密，B较小的地方，磁场较弱，磁感线较稀，磁感线的切线方向即为该点磁感应强度B的方向。（4）匀强磁场中各点的磁感应强度大小和方向均相同。（5）一些电动机、电器上常见的磁感应强度大小为：①永久磁铁0.2～0.7T；②电磁铁0.2～1.5T；③电动机0.5～1.8T；④继电器0.6～1.5T；⑤变压器0.9～1.7T；⑥地球的磁场0.5X10-4T左右。（1）磁感应强度是表示磁场强弱的物理量（条件：导线垂直于磁场方向）二、磁场的基本物理量——2.磁通磁感应强度是表示磁场中某点磁场性质的物理量，为了描述磁场中某一个面上的磁场情况，我们引入了磁通这个物理量。磁通是指磁场中垂直穿过某一截面磁力线的数目，用字母Φ表示，单位为韦伯（Wb)。工程上还曾用麦克斯韦（Mx)作单位，简称"麦"，它们之间关系为：1MX=10-8Wb在匀强磁场中，当磁力线与截面垂直时，磁感应强度和磁通的关系为：式中S=磁力线垂穿过的截面面积(㎡)；Φ=穿过面积s的磁通(Wb)；B=磁场中的磁感应强度(T)。

磁感应强度在数值上可以看成是与磁场方向垂直的单位面积上通过的磁通，所以又称为磁通密度，显然1T=1Wb/m2二、磁场的基本物理量——3.磁导率用来表示介质对磁场影响的物理量是磁导率，用字母μ表示。不同的介质，磁导率也不同。磁导率的单位为亨/米（H/m）。相对磁导率没有单位，它表明在其他条件相同的情况下，介质中的磁感应强度

是真空中的多少倍。

在真空（空气）中的磁导率μ0是一个常数，为4π×10-7H/m。为了方便，其他介质的磁导率采用与从μ0的比值来表示，这些比值称为相对磁导率μr，即二、磁场的基本物理量——4.磁场强度磁场中某点的磁场强度就是该点的磁感应强度B与介质磁导率μ的比值，用字母H表示，即：磁场强度的方向和所在点的磁感应强度的方向一致，它的单位为安/米（A/m）。磁场中各点的磁场强度H的大小只与产生磁场的电流I的大小和导体的形状有关，与磁介质的性质无关。

三、电流的磁场直线电流所产生的磁场方向可用安培定则来判定，方法是：用右手握住导线，让拇指指向电流方向，四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。磁体并不是磁场的唯一来源，电流也能产生磁场，电和磁是有密切联系的。电流的周围存在磁场的现象称为电流的磁效应。电流的磁效应揭示了磁现象的电本质。三、电流的磁场环形电流的磁场方向也可用安培定则来判定，方法是：让右手弯曲的四指和环形电流方向一致，伸直的拇指所指的方向就是导线环中心轴线上的磁感线方向。三、电流的磁场

通电螺线管的磁场：在实际应用中，我们经常把导线绕成线圈状，称为螺线管。通电螺线管的磁场分布如图所示，和条形磁磁铁一样，通电螺线管也存在着两个磁极。其极性和电流方向之间的关系也可以用右手螺旋定则来判定，即：用右手握住线圈，让弯曲四指和线圈中电流方向一致，那么伸直的大拇指的方向就是线圈中磁场的方向。四、载流导线在磁场中所受的力将一根直导线水平悬挂在一个马蹄形磁铁的两个磁极的中间，直导线的两端分别连接到电源的两个电极上。当直导线中没有电流通过时，直导线在磁场中保持不动，而当直导线中通入电流后，直导线就会向一个方向作运动。如果改变电流的方向，直导线运动的方向也会发生变化。磁场对通电直导线具有力的作用，这种作用力叫做电磁力。电磁力也称为安培力。因为正是安培从实验结果中总结得到了磁场对于通电直导体具有作用力的基本定律，也就是安培定律。四、载流导线在磁场中所受的力（2）当通电直导线与磁场垂直时，直导线所受的安培力最大，其大小为：式中B=导体匀强磁场的磁感应强度(Wb/㎡)；I=中的电流(A)；L=导体在磁场中的有效长度(m)；F=导体受到的安培力(N)。

（1）当通电直导线与磁场平行时，直导线所受到的安培力F=0。（3）当电流方向与磁场方向间有一夹角

时，如图所示，则有：B1=Bcos

；B2=BsinF=B2Il=B

Ilsin

四、载流导线在磁场中所受的力

直导线移动的方向就是电磁力的方向，这个方向可以用左手定则来判断，如图所示。左手定则的内容是：平伸左手，使大拇指和其余四指垂直，使磁力线垂直穿过手心，如果四指指向的是电流方向，那么大姆指所指的方向就是电磁力的方向。

左手定则常用来判断电动机的运动方向，所以又叫做电动机定则。由左手定则可知：F⊥B，F⊥I，即F垂直于B、I所决定的平面。单元二、电磁感应一、电磁感应现象当闭合回路中一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，回路中就有电流产生。当穿过闭合线圈的磁通发生变化时，线圈中有电流产生。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。二、感应电流的方向01.右手定则当闭合回路中一部分导体作切割磁感线运动时，所产生的感应电流方向可用右手定则来判断。右手定则：伸开右手，使大拇指与其余四指垂直，且和手掌在一个平面内，让磁感线垂直穿入手心，大拇指指向导体运动方向，四指所指即为感应电流的方向。二、感应电流的方向2.楞次定律如图所示，当磁铁插入线圈时，原磁通在增加，线圈所产生的感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相反，即感应电流的磁场总是阻碍原磁通的增加。当磁铁拔出线圈时，原磁通在减少，线圈所产生的感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相同，即感应电流的磁场总是阻碍原磁通的减少。由此得出楞次定律的内容：当将磁铁插入或拔出线圈时，线圈中感应电流所产生的磁场，总是阻碍原磁通的变化。根据楞次定律判断出感应电流磁场方向，然后根据安培定则，即可判断出线圈中的感应电流方向

。二、感应电流的方向3.感应电流的判断步骤01明确原磁场B的方向；明确磁通的变化（增加或减少）；判断感应电流的磁场B’的方向；用安培定则判断感应电流的方向。右手定则和楞次定律都可用来判断感应电流的方向，两种方法本质是相同的，所得的结果也是一致的。右手定则适用于判断导体切割磁感线的情况，而楞次定律是判断感应电流方向的普遍规律。040302三、电磁感应定律01020304感应电动势在电磁感应现象中产生的电动势称为感应电动势。产生感应电动势的那部分导体，就相当于电源。感应电动势的方向感应电动势的方向与感应电流的方向一致，仍可用右手定则和楞次定律来判断。感应电动势的大小（1）若导线运动方向与导线本身垂直，与磁感线方向也垂直，则E=Blv（2）若导线运动方向与导线本身垂直，与磁感线方向成

角，则E=Blvsin

电磁感应定律单匝线圈中产生的感应电动势的大小，与穿过线圈的磁通变化率

/

t成正比，即：

对于N匝线圈，有式中N

表示线圈匝数与磁通的乘积，称为磁链，用

表示。即

=N

。于是，三、电磁感应定律上式适用于的情况。如图1所示，设速度v和磁场B之间有一夹角

。将速度v分解为两个互相垂直的分量v1、v2、v1=vcos

与B平行，不切割磁感线；v2=vsin

与B垂直，切割磁感线。如图2所示，abcd

是一个矩形线圈，它处于磁感应强度为B的匀强磁场中，线圈平面和磁场垂直，ab边可以在线圈平面上自由滑动。设ab长为l，匀速滑动的速度为v，在

t时间内，由位置ab

滑动到a

b

，利用电磁感应定律，ab中产生的感应电动势大小即三、电磁感应定律因此，导线中产生的感应电动势E

Blv2

Blvsin

上式表明，在磁场中，运动导线产生的感应电动势的大小与磁感应强度B、导线长度l、导线运动速度v以及导线运动方向与磁感线方向之间夹角的正弦sin

成正比。

用右手定则可判断ab上感应电流的方向。若电路闭合，且电阻为R，则电路中的电流单元三、自感一、自感现象1.通电自感2.断电自感

当线圈中的电流变化时，线圈本身就产生了感应电动势，这个电动势总是阻碍线圈中电流的变化。这种由于线圈本身电流发生变化而产生电磁感应的现象称为自感现象，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。二、自感系数

当电流流过回路时，回路中产生磁通，称为自感磁通，用

L表示。当线圈匝数为N时，线圈的自感磁链：当同一电流流过不同的线圈，产生的磁链不同，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线圈的自感系数，简称电感，用L表示：即L是一个线圈通过单位电流时所产生的磁链。电感的单位是H(亨)以及mH(毫亨)、

H(微亨)，它们之间的关系为1H=103mH=106

H三、线圈电感的计算这里介绍环形螺旋线圈电感的计算方法。假定环形螺旋线圈均匀地绕在某种材料做成的圆环上，线圈的匝数为N，圆环的平均周长为l，对于这样的线圈，可近似认为磁通都集中在线圈的内部，而且磁通在截面S上的分布是均匀的。当线圈通过电流I时，线圈内的磁感应强度B与磁通

分别为由N

=LI可得四、自感电动势自感电动势大小与线圈中电流的变化率成正比。EL的方向用楞次定律判断。由

；

L=LI得：

EL

===单元四、互感现象互感现象据英国《新科学家》杂志报道，英国一家公司发明了一种新型无线充电器，就是不用传统的充电电源线连接到需要充电的终端设备上的充电器。它采用了最新的无线充电技术，通过使用线圈之间产生的交变磁场，传输电能，这种利用靠近线圈传递电能的原理在电工技术中叫“互感”。一、互感现象与互感电动势当一个线圈中通过的电流变化时，在另一个线圈中将要产生感应电动势，这种现象称为互感现象。互感现象中产生的感应电动势，叫做互感电动势。感磁链与产生此磁链的电流比值，称为这两个线圈的互感系数，简称互感，用字母M表示，单位也为亨利（H）。互感系数取决于两个耦合线圈的几何尺寸、匝数、相对位置和磁介质等。二、互感现象与互感电动势01020304两线圈间磁介质：有铁心时，同样的电流产生的磁通多，M远远大于空心线圈。两线圈匝数的乘积：乘积越大互感量越大，反之M就越小。当磁介质为非铁磁性物质时，互感是常数。两线圈的形状和相对位置：在方位确定的条件下，两线圈靠得越近，彼此影响越强，M就越大。当两个线圈相互垂直时，互感电动势最小；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时称为全耦合，互感电动势最大。

互感M的大小，与下列因素有关：三、互感的应用

互感现象已被广泛地应用于无线电技术、电磁测量技术及传感器中。通过互感能够使能量或