电工基础第四章磁场与电磁感应教案.docx

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电工基础第四章磁场与电磁感应教案

第四章　磁场与电磁感应

第一节　电流得磁效应

一、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。

2.特点

（1）磁感线得切线方向表示磁场方向,其疏密程度表示磁场得强弱。

（2）磁感线就是闭合曲线,在磁体外部,磁感线由N极出来,绕到S极;在磁体内部,磁感线得方向由S极指向N极。

（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Φ,简称磁通。

即

Φ=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μ

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μ来表示。

μ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,μ值越大,磁感应强度B越大,磁场越强;μ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μ0表示

μ0=4π⨯10-7H/m

2.相对磁导率μr

为便于对各种物质得导磁性能进行比较,以真空磁导率μ0为基准,将其她物质得磁导率μ与μ0比较,其比值叫相对磁导率,用μr表示,即

根据相对磁导率μr得大小,可将物质分为三类:

（1）顺磁性物质:

μr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:

μr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:

μr>>1,且不就是常数,如铁、钢、铸铁、镍、钴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

材料

相对磁导率

材料

相对磁导率

钴

未经退火得铸铁

已经退火得铸铁

镍

软钢

174

240

620

1120

2180

已经退火得铁

变压器钢片

在真空中熔化得电解铁

镍铁合金

“C”型玻莫合金

7000

7500

12950

60000

115000

四、磁场强度

在各向同性得媒介质中,某点得磁感应强度B与磁导率μ之比称为该点得磁场强度,记做H。

即

磁场强度H也就是矢量,其方向与磁感应强度B同向,国际单位就是:

安培/米（A/m）。

必须注意:

磁场中各点得磁场强度H得大小只与产生磁场得电流I得大小与导体得形状有关,与磁介质得性质无关。

第三节　磁场对电流得作用力

一、磁场对直线电流得作用力

1.安培力得大小

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:

一个与电流I平行得分量,B1=Bcosθ;另一个与电流I垂直得分量,B2=Bsinθ。

B1对电流没有力得作用,磁场对电流得作用力就是由B2产生得。

因此,磁场对直线电流得作用力为

当θ=90︒时,安培力F最大;当θ=0︒时,安培力F=0。

2.单位

公式中各物理量得单位均采用用国际单位制:

安培力F得单位用牛顿（N）;电流I得单位用安培（A）;长度l得单位用米（m）;磁感应强度B得单位用特斯拉（T）。

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:

F⊥B,F⊥I,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,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M1就不随偏角而改变。

通电线圈所受得得磁力矩M1得大小与电流I成正比,即

M1=k1I

式中k1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θ矩也越大,M2与偏转角θ成正比,即

电流表得结构

磁电式电表得磁场

图5-6磁电式电表得磁场

M2=k2θ

式中k2为比例系数。

当M1、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。

比较上述两个力矩,因为M1=M2,所以k1I=k2θ,即

即测量时偏转角度θ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

（1）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

一、铁磁性物质得磁化

1.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。

2.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,每一个磁畴相当于一个小磁铁。

（2）外因:

有外磁场得作用。

铁磁性物质得磁化

如图所示,当无外磁场作用时,磁畴排列杂乱无章,磁性相互抵消,对外不显磁性;如图所示,当有外磁场作用时,磁畴将沿着磁场方向作取向排列,形成附加磁场,使磁场显著加强。

有些铁磁性物质在撤去磁场后,磁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。

3.不同得铁磁性物质,磁化后得磁性不同。

4.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,如变压器、继电器、电机等。

二、磁化曲线

1.磁化曲线得定义

磁化曲线就是用来描述铁磁性物质得磁化特性得。

铁磁性物质得磁感应强度B随磁场强度H变化得曲线,称为磁化曲线,也叫B—H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,（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。

磁化曲线得测定

3.分析

（1）0~1段:

曲线上升缓慢,这就是由于磁畴得惯性,当H从零开始增加时,B增加缓慢,称为起始磁化段。

（2）1~2段:

随着H得增大,B几乎直线上升,这就是由于磁畴在外磁场作用下,大部分都趋向H方向,B增加很快,曲线很陡,称为直线段。

（3）2~3段:

随着H得增加,B得上升又缓慢了,这就是由于大部分磁畴方向已转向H方向,随着H得增加只有少数磁畴继续转向,B增加变慢。

（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应强度。

不同得铁磁性物质,B得饱与值不同,对同一种材料,B得饱与值就是一定得。

电机与变压器,通常工作在曲线得2~3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、磁滞回线

磁化曲线只反映了铁磁性物质在外磁场由零逐渐增强得磁化过程,而很多实际应用中,铁磁性物质就是工作在交变磁场中得。

所以,必须研究铁磁性物质反复交变磁化得问题。

1、磁滞回线得测定

2.分析

图5-10为通过实验测定得某种铁磁性物质得磁滞回线。

（1）当B随H沿起始磁化曲线达到饱与值以后,逐渐减小H得数值,由图可瞧出,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线ab下降。

（2）当H减小到零时,B≠0,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HC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d。

（5）使反向磁场减弱到0,B—H曲线沿de变化,在e点H=0,再逐渐增大正向磁场,B—H曲线沿efa变化,完成一个循环。

图5-11基本磁化曲线

（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）,

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　磁路得基本概念

一、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。

2.磁路

磁通经过得闭合路径叫磁路。

磁路与电路一样,分为有分支磁路与无分支磁路两种类型。

图5-12给出了无分支磁路,图5-13给出了有分支磁路。

在无分支磁路中,通过每一个横截面得磁通都相等。

二、磁路得欧姆定律

1.磁动势

通电线圈产生得磁通Φ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）。

2.磁阻

磁阻就就是磁通通过磁路时所受到得阻碍作用,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,μ为磁导率,单位H/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（H-1）。

由于磁导率μ不就是常数,所以Rm也不就是常数。

3.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Φ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

电路

磁路

电流I

电阻

电阻率ρ

电动势E

电路欧姆定律

磁通Φ

磁阻

磁导率μ

磁动势

磁路欧姆定律

三、全电流定律

根据磁路得欧姆定律,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。

磁场强度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

解:

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弱,磁感线得切线方向表示磁场得方向。

二、电流得磁效应

1.通电导线周围存在着磁场,说明电可以产生磁,由电产生磁得现象称为电流得磁效应。

电流具有磁效应说明磁现象具有电本质。

2.电流产生得磁场方向与电流得方向有关,可用安培定则,即右手螺旋定则来判断。

三、描述磁场得物理量

1.磁感应强度B

B就是描述磁场强弱与磁场方向得物理量,它描述了磁场得力效应。

当通电直导线与磁

场垂直时,通过观察导线受力可知导线所在处得磁感应强度

2.磁通

匀强磁场中,穿过与磁感线垂直得某一截面得磁感线得条数,叫穿过这个面得磁通,Φ=BS。

3.磁导率

磁导率就是描述媒介质导磁性能得物理量。

某一媒介质得磁导率与真空磁导率之比,叫

这种介质得相对磁导率。

4.磁场强度

磁感应强度B与磁导率μ之比称为该点得磁场强度。

四、磁场对电流得作用力

1.磁场对放置于其中得直线电流有力得作用,其大小为,方向可用左手定则判断。

2.通电线圈放在磁场中将受到磁力矩得作用。

五、铁磁性物质得磁化

1.铁磁性物质都能够磁化。

铁磁性物质在反复磁化过程中,有饱与、剩磁、磁滞现象,并且有磁滞损耗。

2.铁磁性物质得B随H而变化得曲线称为磁化曲线,它表示了铁磁性物质得磁性能。

磁滞回线常用来判断铁磁性物质得性质与作为选择材料得依据。

六、磁路

1．磁通经过得闭合路径称为磁路。

磁路中得磁通、磁动势与磁阻得关系,可用磁路

欧姆定律来表示,即,其中。

2.由于铁磁性物质得磁导率μ不就是常数,因此磁路欧姆定律一般不能直接用来进行磁路计算,只用于定性分析。