5第五章 磁场和磁路.docx

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5第五章磁场和磁路

课题电流的磁效应磁场的主要物理量

教学目标1、熟悉电流周围磁场的分布情况。

2、理解磁场中几个基本物理量的意义。

教学重点安培定则及磁场中基本物理量

教学难点H=B/u的关系

教学程序

引入新课

两块磁铁和铁钉

第一节电流的磁效应

（一）磁场

1．磁场：

磁体周围存在的一种特殊的物质叫磁场。

磁体间的相互作用力是通过磁场传送的。

磁体间的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．磁场的性质：

磁场具有力的性质和能量性质。

（二）磁场的方向和磁力线

1.磁场的方向：

我们规定在磁场中任意点小磁针Ｎ极受力的方向即小磁针静止时Ｎ极所指的方向即该点磁场方向。

2.磁力线：

磁场中画出一些曲线，在这些曲线上，每一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同。

图5-2条形磁铁的磁感线

图5-2条形磁铁的磁感线

图5-1磁感线

3.特点

（1）磁感线的切线方向表示磁场方向，其疏密程度表示磁场的强弱。

（2）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。

（3）任意两条磁感线不相交。

说明：

磁感线是为研究问题方便人为引入的假想曲线，实际上并不存在。

图5-2所示为条形磁铁的磁感线的形状。

4．匀强磁场

在磁场中某一区域，若磁场的大小方向都相同，这部分磁场称为匀强磁场。

匀强磁场的磁感线是一系列疏密均匀、相互平行的直线。

（三）电流的磁场

实验说明不仅磁铁周围有磁场，电流周围也有磁场。

１、直线电流周围的磁场

直线电流方向跟它周围磁场关系：

安培定则（右手螺旋法则）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。

２、环行电流磁场

也用安培定则来判定。

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。

３、通电螺线管的磁场

可用安培定则来判定。

方法是：

用右手握住螺线管，四指指向电流的方向，拇指所指的就是螺线管内部的磁感线方向。

第二节　磁场的主要物理量

（一）磁感应强度

定义：

在磁场中垂直与磁场方向的通电导线所受的磁场力Ｆ与电流Ｉ和导线的乘积ＩＬ的比值，叫做通电导线所在处的磁感应强度。

公式表示为：

Ｂ＝Ｆ／ＩＬ

单位：

牛／安米――特斯拉（Ｔ）

磁感应强度是矢量，它的方向就是该点的磁场方向。

（二）磁通

定义：

在均匀磁场中有一个与磁场方向垂直的平面磁感应强度Ｂ与面积Ｓ的乘积叫做穿过这个面的磁通量。

φ＝ＢＳ　　单位：

韦伯（Ｗb）

也可写为Ｂ＝φ／Ｓ

用磁感线可形象的描述磁感应强度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。

匀强磁场中各点的磁感应强度大小和方向均相同。

（三）磁导率

磁场中各点的磁感应强度的大小不仅与电流的大小和导体的形状有关，而且和磁场内媒介质的性质有关。

磁导率就是用来表示媒介质导磁性能的物理量。

真空的导磁率：

u０＝４π×１０－７Ｈ／Ｍ

相对磁导率――任一媒介质的磁导率与真空的磁导率的比值。

即：

ur＝u／u０　　或　u＝ur×u０

根据物质导磁性能分为：

　　　　反磁性物质：

ur＜１的物质

　　　　顺磁性物质：

ur＞１

　　　　铁磁性物质：

ur＞＞１

（四）磁场强度

定义：

磁场中某点的磁感应强度与媒介质磁导率的比值，叫做该点的磁场强度。

公式：

Ｈ＝Ｂ／u

单位：

安／米（Ａ／Ｍ）

方向：

在均匀媒介质中Ｈ和磁感应线Ｂ的方向一致。

各点的磁场强度的大小只与电流的大小和导体的形状有关，而与媒介质的性质无关。

［例题］一空心线圈为均匀磁场，已知线圈的截面积为１cm２，线圈的截面通过的磁通为0.01Wb。

求：

（１）空心线圈内的磁感应强度和磁场强度；（２）在空心线圈内放入相对磁导率为2000的铁芯，则线圈内的磁感应强度和磁场强度？

解：

（1）B0=φ/S=0.01Wb/1×10-4=100T

H0=B0/u0=100/40×10-7=8×10-3

（2）H不变

B=Huru0=2000×4π×10-7×8×103=20T

三、小结：

1.和磁力线

2．电流的磁场

3．磁场强度

4．磁通

5．磁导率

6．磁场强度

习题：

6、7、8、9、10

材料

相对磁导率

材料

相对磁导率

钴

未经退火的铸铁

已经退火的铸铁

镍

软钢

174

240

620

1120

2180

已经退火的铁

变压器钢片

在真空中熔化的电解铁

镍铁合金

“C”型玻莫合金

7000

7500

12950

60000

115000

几种常用铁磁性物质的相对磁导率

课题磁场对电流的作用力

授课时数1

教学目标1、掌握磁场对电流的作用力的大小几方向。

2、了解电流表的工作原理。

教学重点磁场对电流作用力大小F=BILSinθ

教学难点F=BILSinθ公式应用事项

教学程序

一．复习

1．磁场的方向和磁力线

2．电流的磁场

3．磁场强度

4．磁通

5．磁导率

6．磁场强度

二．新课

第三节磁场对电流的作用力

（一）磁场对电流的作用力

根据磁感应强度定义：

B=F/IL得磁场。

1、对电流的作用力公式F=BIL

活用条件：

（1）适用于一小段通电导线的情形。

（2）电流方向与磁场方向垂直情形，若电流方向与磁场方向成θ角

F=BILSinθ

当θ=π/2时F=BIL最大

当θ=0时F=0θ越小，力F也就越小

单位：

[N]=[T][A][m]

图5-3　磁场对直线电流的作用力

选自周绍敏教材P.67图5-7

2、磁场对电流的作用力方向

图5-5电流表的结构

实验确定：

伸出左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，让磁感线垂直进入手心，并使四指指向电流的方向，这时手掌所在的平面与磁感线和导线所在的平面垂直，大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中受力的方向----左手定则

（二）流表的工作原理

分析均匀磁场中通电线圈的受力情况作用在线圈两侧边上的力Fab和Fcd，形成力偶，产生力矩，使线圈绕竖直轴转动。

磁电使电流表的工作原理构造：

永久的蹄形磁铁圆柱形铁心，线圈框，螺旋弹簧，指针。

原理：

电流表的通电线圈受到的力矩M1=KI，与弹簧产生的力矩M2=K2Q，平衡时M1=M2，即K1I=K2Q则θ=（K2/K1）I=KI，

可见测量时指针偏转的角度与电流成正比。

图5-4　磁场对通电矩形线圈的作用力矩

图5-6磁电式电表的磁场

图5-6磁电式电表的磁场

磁电式仪表的特点

（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的分压电阻，就可改装成量程较大的电压表；并联一个阻值很小的分流电阻，就可改装成量程较大的电流表；欧姆表也是由电流表改装的。

小结：

一、磁场对电流的作用力

二、电流表的工作原理

作业：

习题11、12

课题铁磁性物质的磁化/磁路的基本概念

授课时数1

教学目标理解铁磁性物质的磁化曲线和磁滞回线概念、意义。

教学重点磁化曲线和磁滞回线的概念；

教学难点磁（滞）化曲线和磁滞回线

教学程序

一、复习

1．磁场对电流的作用力

2．电流表的工作原理

二、新课

第四节铁磁性物质的磁化

（一）铁磁性物质的磁化

磁化：

本来不具磁性的物质，由于受磁场的作用而具有磁性的现象称为该物质被磁化。

磁化的原因

（1）内因：

铁磁性物质是由许多被称为磁畴的磁性小区域组成的，每一个磁畴相当于一个小磁铁。

（2）外因：

有外磁场的作用。

图5-7铁磁性物质的磁化

应用：

应用于电子和电气设备中，如变压器、继电器、电机等。

采用相对磁导率高的铁磁性物质作为绕组的铁心。

（二）磁化曲线

铁磁性物质的B随H而变化的曲线称为磁化曲线，又称B-H曲线

图5-8磁化曲线的测定

起始磁化段（0-1段）曲线上升缓慢，当H从零值开始增大时，B增加缓慢，这是由于磁畴的惯性。

直线段（1-2段）随H的增大B几乎直线上升，这是由于磁畴在外磁场作用下大部分趋向H的方向，B增加很快。

曲线的（2-3段）随着H的增加，B的上升又比较缓慢了，这是由于大部分磁畴已转向H方向。

曲线的（3-a段）磁畴几乎全部转到外磁场方向，再增大H值也几乎没有磁畴可以转向了，B达到了饱和值。

电机和变压器通常都工作在曲线的2-3段。

应用：

在相同的磁场下，硅钢片的B值最大，铸铁的B值最小，说明硅钢片比铸铁的导磁性能好的多。

（三）磁滞回线

磁滞回线：

在交变磁场中，B-H曲线经过多次循环，得到一个封闭的对称于原点的闭合曲线，叫做磁滞回线。

图5-9几种铁磁性物质的磁化曲线

图D5-9几种铁磁性物质的磁化曲线

图5-10磁滞回线

图5-10磁滞回线

分析:

图5-10为通过实验测定的某种铁磁性物质的磁滞回线。

（1）当B随H沿起始磁化曲线达到饱和值以后，逐渐减小H的数值，由图可看出，B并不沿起始磁化曲线减小，而是沿另一条在它上面的曲线ab下降。

（2）当H减小到零时，B0，而是保留一定的值称为剩磁，用Br表示。

永久性磁铁就是利用剩磁很大的铁磁性物质制成的。

（3）为消除剩磁，必须加反向磁场，随着反向磁场的增强，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值是为克服剩磁所加的磁场强度，称为矫顽磁力，用HC表示。

矫顽磁力的大小反映了铁磁性物质保存剩磁的能力。

（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，并能达到反向饱和点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）从整个过程看，B的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。

经过多次循环，可得到一个封闭的对称于原点的闭合曲线（abcdefa），

称为磁滞回线。

（7）改变交变磁场强度H的幅值，可相应得到一系列

大小不一的磁滞回线，如图5-11所示。

连接各条对称

的磁滞回线的顶点，得到一条磁化曲线，叫基本磁化曲线。

Br—剩磁

Hc—矫顽磁力

磁滞现象：

在整个过程中B的变化总是落后于H的变化。

磁滞损耗：

铁磁性物质的反复交变磁化会损耗一定的能量，这种损耗称作磁滞损耗。

三、小结：

1．铁磁性物质的磁化

2．磁化曲线

3．磁滞回线

四．作业

1．什么是磁化，磁化的原因及应用。

课题磁路的基本概念

授课时数2

教学目标1、理解磁路中磁势磁阻的概念以及磁路的欧姆定律。

2、全电流定律及其应用。

教学重点磁路中的欧姆定律和全电流定律的应用；

教学难点磁势和磁阻的概念

教学程序

一、复习

1．铁磁性物质的磁化

2．磁化曲线

3．磁滞回线

二、新课

第五节磁路的基本概念

（一）磁路

磁路：

磁通经过的闭合路径叫做磁路。

无分支磁路：

经过每一截面的磁通都相等

有分支磁路

（二）磁路的欧姆定律

1、磁动势

实践说明通电线圈的磁通与线圈匝数和通过的电流的乘积成正比。

磁动势：

我们把通过线圈的电流和线圈的匝数乘积称为磁动势。

Em=IN单位：

（安）A

2、磁阻

磁阻：

磁通通过磁路时所受到的阻碍作用。

Rm=L/uS

L—磁路长度

S—磁路截面积

u—介质的磁导率（H/M）

3、磁路的欧姆定律

通过磁路的磁通与磁动势成正比，而与磁阻成反比。

公式表示：

φ=Em/Rm

可与电路的欧姆定律有相似关系：

φ-----I

R=ΡL/S-----Rm=L/uS

E----Em

I=E/R-------φ=Em/Rm

磁路和电路中对应的物理量及其关系式

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

（三）全电流定律

推导：

∵φ=Em/Rm，将φ=BSEm=INRm=L/uS

代入得：

BS=IN/（L/uS）即B=（IN/L）

与公式B=uH对照得：

H=IN/L或HL=IN

上式表明：

磁路中的磁场强度H与磁路的平均长度的乘积在数值上等于激发磁场的磁动势，称为全电流定律。

磁位差：

磁场强度H与磁路中的长度L的乘积，又称为磁位差。

Um=HL

若研究的磁路具有不同的截面，并且是由不同的材料构成的，则磁路分为许多段来考虑，即同一材料，同一截面为一段：

可得：

IN=H1L1+H2L2+H3L3+…….HnLn

或:

：

IN=∑HL=∑Um

[例1]空心环行螺线管如图匝数为5000匝，若通过线圈的电流为1A则线圈的磁感应强度是多少？

线圈中的磁通是多少？

[0.011T3.45×10-6Wb]

【例2】匀强磁场的磁感应强度为5102T，媒介质是空气，与磁场方向平行的线段长10cm，求这一线段上的磁位差。

解：

三、小结

1．磁路

2．磁路的欧姆定律

3．全电流定律

四．作业

P-82

4．（8）、（9）

板书设计第五节磁路的基本概念

4．磁路

5．磁路的欧姆定律

6．全电流定律

本章小结

一、磁场

1．磁场是磁体周围存在的一种特殊物质，磁体通过磁场发生相互作用。

2．磁场的大小和方向可用磁感线来形象的描述：

磁感线的疏密表示磁场的强弱，磁感线的切线方向表示磁场的方向。

二、电流的磁效应

1．通电导线周围存在着磁场，说明电可以产生磁，由电产生磁的现象称为电流的磁效应。

电流具有磁效应说明磁现象具有电本质。

2．电流产生的磁场方向与电流的方向有关，可用安培定则，即右手螺旋定则来判断。

三、描述磁场的物理量

1．磁感应强度B

B是描述磁场强弱和磁场方向的物理量，它描述了磁场的力效应。

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的磁感应强度

2．磁通

匀强磁场中，穿过与磁感线垂直的某一截面的磁感线的条数，叫穿过这个面的磁通，=BS。

3．磁导率

磁导率是描述媒介质导磁性能的物理量。

某一媒介质的磁导率与真空磁导率之比，叫

这种介质的相对磁导率

。

4．磁场强度

磁感应强度B与磁导率之比称为该点的磁场强度

。

四、磁场对电流的作用力

1．磁场对放置于其中的直线电流有力的作用，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的作用。

五、铁磁性物质的磁化

1．铁磁性物质都能够磁化。

铁磁性物质在反复磁化过程中，有饱和、剩磁、磁滞现象，并且有磁滞损耗。

2．铁磁性物质的B随H而变化的曲线称为磁化曲线，它表示了铁磁性物质的磁性能。

磁滞回线常用来判断铁磁性物质的性质和作为选择材料的依据。

六、磁路

1．磁通经过的闭合路径称为磁路。

磁路中的磁通、磁动势和磁阻的关系，可用磁路

欧姆定律来表示，即

，其中

。

2．由于铁磁性物质的磁导率不是常数，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。