磁場(chǎng)及其基本物理量

1、31 磁場(chǎng)及其基本物理量磁場(chǎng)及其基本物理量 第第3章章 磁與電磁磁與電磁32 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)33 自感與互感自感與互感3 34 4 同名端的意義及其測(cè)定同名端的意義及其測(cè)定 授課日期 班次 授課時(shí)數(shù) 2課題： 第三章磁與電磁 3.1磁場(chǎng)及其基本物理量 3.2電磁感應(yīng) 教學(xué)目的：了解磁場(chǎng)的基本概念；理解磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁通勢(shì)、磁導(dǎo)率和磁場(chǎng)強(qiáng)度的概念；理解電磁感應(yīng)定律及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的公式重點(diǎn)： 磁場(chǎng)中的基本概念；電磁感應(yīng)定律及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的公式 難點(diǎn)：與重點(diǎn)相同教具：多媒體作業(yè)： P74：3.4；3.5 自用參考書：電路丘關(guān)源 著 教學(xué)過程：由案例3.1的分析引入本次課 第三章磁與電磁 3.1磁場(chǎng)

2、及其基本物理量 3.1.1磁場(chǎng) 3.1.2磁場(chǎng)中的基本物理量 3.2電磁感應(yīng) 由案例3.2的分析引入電磁感應(yīng) 1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象 2.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 3.例題分析 課后小計(jì)：31 磁場(chǎng)及其基本物理量磁場(chǎng)及其基本物理量 311 磁場(chǎng)磁場(chǎng) 案例31 在日常學(xué)習(xí)、生活中，我們大家使用較多的電器：收錄兩用機(jī)。收錄機(jī)用于記錄聲音的器件是磁頭和磁帶。磁頭由環(huán)形心、繞在鐵心兩側(cè)的線圈和工作氣隙組成。環(huán)形鐵心由軟磁材料制成。收錄機(jī)中的磁頭包括錄音磁頭和放音磁頭。聲音的錄音原理利用了磁場(chǎng)的特點(diǎn)與性質(zhì)，首先將聲音變成電信號(hào)，然后將電信號(hào)記錄在磁上；放音原理同樣利用磁場(chǎng)的特點(diǎn)與性質(zhì)，再將記錄在磁帶上的電信號(hào)變換成聲音播放

3、出來。1磁體與磁感線磁體與磁感線 將一根磁鐵放在另一根磁鐵的附近，兩根磁鐵的磁極之間會(huì)產(chǎn)生互相作用的磁力，同名磁極互相排斥，異名磁極互相吸引。磁極之間相互作用的磁力，是通過磁極周圍的磁場(chǎng)傳遞的。磁極在自己周圍空間里產(chǎn)生的磁場(chǎng)，對(duì)處在它里面的磁極均產(chǎn)生磁場(chǎng)力的作用 。 磁場(chǎng)可以用磁感線來表示，磁感線存在于磁極之間的空間中。磁感線的方向從北極出來，進(jìn)入南極，磁感線在磁極處密集，并在該處產(chǎn)生最大磁場(chǎng)強(qiáng)度，離磁極越遠(yuǎn)，磁感線越疏。2磁場(chǎng)與磁場(chǎng)方向判定磁場(chǎng)與磁場(chǎng)方向判定 磁鐵在自己周圍的空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，通電導(dǎo)體在其周圍的空間也產(chǎn)生磁場(chǎng)。 條形磁鐵周圍的磁場(chǎng)方向如圖32所示。 通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖33所

4、示，磁感線（磁場(chǎng)）方向可用安培定則（也叫右手螺旋法則）來判定。 通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖34所示，磁感線是一些圍繞線圈的閉合曲線，其方向也可用安培定則來判定。311 磁場(chǎng)磁場(chǎng)圖32 條形磁鐵的磁感線 磁通量的單位為韋伯(Wb)，工程上有時(shí)用麥克斯韋(Mx)。1Wb10Mx。 3磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 2 2磁通量磁通量 3 31 12 2磁場(chǎng)中的基本物理量磁場(chǎng)中的基本物理量BAAB 或圖33通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng) 圖34通電線圈的磁場(chǎng)3 31 12 2磁場(chǎng)中的基本物理量磁場(chǎng)中的基本物理量1磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B 磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表征磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。可用磁感線的疏密程度來表示，磁感線的密集度稱為

5、磁通密度。在磁感線密的地方磁感應(yīng)強(qiáng)度大，在磁感線疏的地方磁感應(yīng)強(qiáng)度小。其大小定義為IlFB 式中，為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為特斯拉(T)，工程上常采用高(Gs)。1Gs =10T。 311 磁場(chǎng)磁場(chǎng) 其他任一媒質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率的比值稱為相對(duì)磁導(dǎo)率，用 表示，即 r0r0r或 真空中的磁導(dǎo)率是一個(gè)常數(shù)，用0表示，即 0410-7H/m 3 31 12 2磁場(chǎng)中的基本物理量磁場(chǎng)中的基本物理量5磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度HHB此式H的單位為安米(Am)。 在磁場(chǎng)中，各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小只與電流的大小和導(dǎo)體的形狀有關(guān)，而與媒質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。H的方向與B相同，在數(shù)值上32 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng) 案例案例32 現(xiàn)代社會(huì)，

6、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，我們都離不開電能，而我們使用的電能是如何產(chǎn)生的？交流發(fā)電機(jī)是電能生產(chǎn)的關(guān)鍵部件，而交流發(fā)電機(jī)就是利用電磁感應(yīng)原理來發(fā)出交流電的。 1電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)現(xiàn)象 在如圖35（a）所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，放置一根導(dǎo)線AB，導(dǎo)線AB的兩端分別與靈敏電流計(jì)的兩個(gè)接線柱相連接，形成閉合回路。當(dāng)導(dǎo)線AB在磁場(chǎng)中垂直磁感線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，表明由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生了電流。如圖35（b）所示，將磁鐵插入線圈，或從線圈抽出時(shí)，同樣也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。 32 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng) 也就是說，只要與導(dǎo)線或線圈交鏈的磁通發(fā)生變化（包括方向、大小的變化），就會(huì)在導(dǎo)線或線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與

7、外電路相接，形成閉合回路時(shí)，回路中就有電流通過。這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。2 2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 如果導(dǎo)線在磁場(chǎng)中，做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)線中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其大小為 BlvE 當(dāng)導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向與與導(dǎo)線本身垂直，而與磁感線方向成角時(shí)，導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為： sinBlvE 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可用右手定則判定：伸開右手，讓拇指與其余四指垂直，讓磁感線垂直穿過手心，拇指指向?qū)w的運(yùn)動(dòng)方向，四指所指的就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。如圖36（a）所示。 32 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)圖35 電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)32 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng) 將磁鐵插入線圈，或從線圈抽出時(shí)，導(dǎo)致磁通的大小發(fā)生變化，根據(jù)法拉第定律：當(dāng)與

8、線圈交鏈的磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈交鏈的磁通變化率成正比。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為 tee是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位為伏（V）。 如果線圈有N匝，而且磁通全部穿過N匝線圈，則與線圈相交鏈的總磁通為 ，稱為磁鏈，用“ ”表示，單位還是 。則線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與其產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向相同。tNtNteNWb3感應(yīng)電流感應(yīng)電流 當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果導(dǎo)體與外電路形成閉合回路，就會(huì)在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的方向與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向相同，也可用右手定則來判定：感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通總是阻礙原磁通的變化。32 電磁感應(yīng)電磁感

9、應(yīng)圖36 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流方向的判斷32 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng) 例32 在一個(gè) 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)里，放一個(gè)面積為 的線圈，其匝數(shù)為500匝。在0.1s內(nèi)，把線圈從平行于磁感線的方向轉(zhuǎn)過 ，變成與磁感線方向垂直。求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值。 T01. 0B2m001.090 解：在時(shí)間0.1s里，線圈轉(zhuǎn)過 ，穿過它的磁通是從0變成： 在這段時(shí)間內(nèi)，磁通量的平均變化率：90Wb101Wb001. 001. 05 BS 圖37 如圖36所示，將磁鐵插入線圈，或從線圈抽出時(shí)，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通總是阻礙線圈中原磁通的變化。32 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng) 例例31 在圖37中，設(shè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

10、01 T，切割磁感線的導(dǎo)線長(zhǎng)度為40cm，向右勻速運(yùn)動(dòng)的速度為5 m/s，整個(gè)線框的電阻為05，求： （1）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小 （2）感應(yīng)電流的大小和方向解：（1）線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為（2）線圈中的感應(yīng)電流為利用楞次定律或右手定則，可以確定出線圈中感應(yīng)電流的方向是沿abcd方向。 0.2VV54 . 01 . 0 BlvE0.4AA5 . 02 . 0REI根據(jù)電磁感應(yīng)定律：32 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)Wb/s101Wb/s1 . 00101045tt0.05VV1015004tNe例例33 3 如果將一個(gè)線圈按圖38所示，放置在磁鐵中，讓其在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，試判斷線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向

11、。并分析由此可以得出什么結(jié)論？解：根據(jù)右手定則判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，如圖示。若將線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從線圈兩端引出，我們便獲得了一個(gè)交變的電壓，這就是發(fā)電機(jī)的原理。 圖3.8 授課日期 班次 授課時(shí)數(shù) 2課題： 3.3自感與互感 教學(xué)目的：了解自感現(xiàn)象和互感現(xiàn)象及應(yīng)用；了解互感電動(dòng)勢(shì)重點(diǎn)： 互感現(xiàn)象的產(chǎn)生及應(yīng)用 難點(diǎn)：與重點(diǎn)相同教具：多媒體作業(yè)： P74：3.6 自用參考書：電路丘關(guān)源 著 教學(xué)過程：一、復(fù)習(xí)提問 1.通過做教材P74：3.1題來復(fù)習(xí)磁場(chǎng)及其基本概念 2. 電磁感應(yīng)定律及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的公式 二、新授：3.3自感與互感 3.3.1自感 1. 自感現(xiàn)象與自感電動(dòng)勢(shì) 2. 自感現(xiàn)象的應(yīng)用

12、與危害 3.3.2互感由案例3.3引入互感 1. 互感現(xiàn)象 2. 互感系數(shù) 3.互感電動(dòng)勢(shì)課后小計(jì)：33 自感與互感自感與互感331 1自感自感1 1自感現(xiàn)象與自感電動(dòng)勢(shì)自感現(xiàn)象與自感電動(dòng)勢(shì)自感現(xiàn)象是電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的一種特殊情形。這種由于流過線圈本身電流變化引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為自感現(xiàn)象。這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為自感電動(dòng)勢(shì)。 當(dāng)電流流過回路時(shí)，在回路內(nèi)要產(chǎn)生磁通，此磁通稱為自感磁通，用符號(hào) 表示。當(dāng)電流流過匝數(shù)為N的線圈時(shí)，線圈的每一匝都有自感磁通穿過，如果穿過線圈每一匝的磁通都一樣，那么，這個(gè)線圈的自感磁鏈為L(zhǎng)LLN 為了表明各個(gè)線圈產(chǎn)生自感磁鏈的能力，將線圈的自感磁鏈與電流的比值叫做線圈（或

13、回路）的自感系數(shù)（或叫自感量），簡(jiǎn)稱電感，用符號(hào)L表示，即ILL3 33 31 1自感自感根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可以寫出自感電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為teL將 代入，得LILtLILIte121LL2LtILeL即2 2自感現(xiàn)象的應(yīng)用與危害自感現(xiàn)象的應(yīng)用與危害 自感現(xiàn)象在各種電器設(shè)備和無線電技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用，日光燈的鎮(zhèn)流器就是利用線圈自感現(xiàn)象的一個(gè)例子。 自感現(xiàn)象的危害：在大型電動(dòng)機(jī)的定子繞組中，定子繞組的自感系數(shù)很大,而且定子繞組中流過的電流又很強(qiáng)，當(dāng)電路被切斷的瞬間，由于電流在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生很大的變化，會(huì)產(chǎn)生很高的自感電動(dòng)勢(shì)，在斷開處形成電弧,這不僅會(huì)燒壞開關(guān)，甚至危及工作人員的安全。因此，切

14、斷這類電路時(shí)必須采用特制的安全開關(guān)。332 2 互感互感 案例案例33：變壓器是利用互感現(xiàn)象制成的一種電氣設(shè)備,在電力系統(tǒng)和電子線路中廣泛應(yīng)用。大家收錄機(jī)常用的穩(wěn)壓電源，就是變壓器的一種。 1互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象由于一個(gè)線圈流過電流所產(chǎn)生的磁通，穿過另一個(gè)線圈的現(xiàn)象，叫磁合。由于此線圈電流變化引起另一線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象,稱為互感現(xiàn)象。產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫互感電動(dòng)勢(shì)。 2 2互感系數(shù)互感系數(shù)在兩個(gè)有磁耦合的線圈中，互感磁鏈與產(chǎn)生此磁鏈的電流比值，叫做這兩個(gè)線圈的互感系數(shù)（或互感量），簡(jiǎn)稱互感，用符號(hào)M表示，即212121iiM互感系數(shù)的單位和自感系數(shù)一樣，也是H。 互感系數(shù)取決于兩個(gè)耦合線圈的幾

15、何尺寸、匝數(shù)、相對(duì)位置和磁介質(zhì)。當(dāng)磁介質(zhì)為非鐵磁性物質(zhì)時(shí)，M是常數(shù)。332 2 互感互感工程上常用耦合系數(shù)表示兩個(gè)線圈磁耦合的緊密程度，耦合系數(shù)定義為21LLMk 顯然， 。當(dāng)k近似為1時(shí)，為強(qiáng)耦合，當(dāng)k接近于零時(shí)，為弱耦合，當(dāng)k1時(shí)，稱兩個(gè)線圈為全耦合，此時(shí)自感磁通全部為互感磁通。1k3 3互感電動(dòng)勢(shì)互感電動(dòng)勢(shì) 在圖313（a）中，當(dāng)線圈中的電流變化時(shí)，在線圈中產(chǎn)生變化的互感磁鏈21，而21的變化將在線圈中產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)eM2。如果選擇電流i1與21的參考方向以及eM2與21的參考方向都符合右手螺旋定則時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，得tiMte1212M 同理，在圖313（b）中，當(dāng)線圈中的電流i2

16、變化時(shí)，在線圈中也會(huì)產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)eM1,當(dāng)i2與12以及12與eM1的參考方向均符合右手螺旋定則，則有tiMte2121M332 2 互感互感圖313 線圈中的互感電動(dòng)勢(shì) 授課日期 班次 授課時(shí)數(shù) 2課題： 3.4同名端的意義及其測(cè)定 教學(xué)目的：理解同名端的概念；掌握同名端的判別方法及互感線圈的串聯(lián)重點(diǎn)： 同名端的概念及判別方法；互感線圈的串聯(lián) 難點(diǎn)：與重點(diǎn)相同教具：多媒體作業(yè)： P74：3.7 自用參考書：電路丘關(guān)源 著 教學(xué)過程：一、復(fù)習(xí)提問 1.自感與互感的產(chǎn)生 2. 自感與互感的應(yīng)用 二、新授：由案例3.4引入同名端 3.4同名端的意義及其測(cè)定 1.互感線圈的同名端 2.同名端的實(shí)驗(yàn)

17、測(cè)定 3.具有互感的線圈串聯(lián)課后小計(jì)：案例案例3 34 4 某變壓器的一次繞組由兩個(gè)匝數(shù)相等、繞向一致的繞組組成，如圖314（a）中繞組12和34。如每個(gè)繞組額定電壓為110V，則當(dāng)電源電壓為220V時(shí)，應(yīng)把兩個(gè)繞組串聯(lián)起來使用，如（b）圖所示接法；如電源電壓為110V時(shí)，則應(yīng)將它們并聯(lián)起來使用，如（c）圖接法。當(dāng)接法正確時(shí)，則兩個(gè)繞組所產(chǎn)生的磁通方向相同，它們?cè)阼F心中互相疊加。如接法錯(cuò)誤，則兩個(gè)繞組所產(chǎn)生的磁通就沒有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，相當(dāng)于斷路狀態(tài)，會(huì)燒壞變壓器，如圖315所示。實(shí)際中繞組的繞向是看不到的，而接法的正確與否，與同名端（同極性端）標(biāo)記直接相關(guān)，因此同名端的判別相當(dāng)重要。 3 34

18、 4 同名端的意義及其測(cè)定同名端的意義及其測(cè)定圖314 變壓器繞組的正確連接圖315 變壓器繞組的連接錯(cuò)誤3 34 4 同名端的意義及其測(cè)定同名端的意義及其測(cè)定解：根據(jù)同名端的定義，圖317（a）中，從左邊線圈的端點(diǎn)“2”通入電流，由右手螺旋定則判定磁通方向指向左邊；右邊兩個(gè)線圈中通過的電流要產(chǎn)生相同方向的磁通，則電流必須從端點(diǎn)“4”、端點(diǎn)“5”流入，因此判定2，4，5為同名端，1，3，6也為同名端。同理1，4為同名端，2，3也為同名端。圖317 1 1互感線圈的同名端互感線圈的同名端當(dāng)兩個(gè)線圈通入電流，所產(chǎn)生的磁通方向相同時(shí)，兩個(gè)線圈的電流流入端稱為同名端（又稱同極性端），反之為異名端。用符號(hào)“”標(biāo)記。 例例3 34 4 電路如圖317所示，試判斷同名端。2 2同名端的實(shí)驗(yàn)測(cè)定同名端的實(shí)驗(yàn)測(cè)定直流判別法：直流判別法：依據(jù)同名端定義以及互感電動(dòng)勢(shì)參考方向標(biāo)注原則來判定。如圖318所示，兩個(gè)耦合線圈的繞向未知，當(dāng)開關(guān)S合上的瞬間，電流從1端流入，此時(shí)若電壓表指針正偏轉(zhuǎn)，說明3端電壓為正極性，因此1、3端為同名端；若電壓表指針反偏，說明4端電壓正極性，則1，4端為同名端。 交流判別法：交流判別法：如圖3