電工基礎(chǔ)課件：第四章 磁場(chǎng)與電磁感應(yīng)

第四章磁場(chǎng)與電磁感應(yīng)第一節(jié)磁的基本知識(shí)第二節(jié)磁場(chǎng)對(duì)電流的作用第三節(jié)電磁感應(yīng)

電與磁之間有著密切的聯(lián)系，幾乎所有的電子設(shè)備都應(yīng)用到磁和電磁感應(yīng)的基本原理。本章重點(diǎn)介紹電流的磁效應(yīng)、磁場(chǎng)的基本物理量、磁路及電磁感應(yīng)等內(nèi)容。第四節(jié)鐵磁物質(zhì)的磁化第六節(jié)自感與互感第七節(jié)電磁鐵第五節(jié)磁路與磁路歐姆定律§4-1磁的基本知識(shí)一、磁體與磁極

某些物體具有吸引鐵、鎳、鈷等物質(zhì)的性質(zhì)叫做磁性。具有磁性的物體叫做磁體。常見的人造磁體形式有圖4-1人造磁體磁體兩端磁性最強(qiáng)的區(qū)域稱為磁極。同性磁極相互排斥，異性磁極相互吸引。圖4-2同性磁極相互排斥圖4-3異性磁極相互吸引二、磁場(chǎng)與磁感線

在磁體周圍的空間中存在一種特殊的物質(zhì)，稱為磁場(chǎng)。磁場(chǎng)和電場(chǎng)一樣，是種看不見、摸不著的特殊物質(zhì)。所謂磁感線，就是在磁場(chǎng)中畫出的一些有方向的曲線，在這些曲線上的每一點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。圖4-4磁感線磁感線的特性1.磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可用磁感線的疏密表示，磁感線密的地方磁場(chǎng)強(qiáng)；疏的地方磁場(chǎng)弱。

2.在磁鐵外部，磁感線從N極到S極；在磁鐵內(nèi)部，磁感線從S極到N極。磁感線是閉合曲線。3.磁感線不相交。

圖4-5條形磁鐵磁感線三、電流的磁場(chǎng)

通電導(dǎo)體的周圍存在磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象叫電流的磁效應(yīng)。

磁場(chǎng)方向決定于電流方向，可以用右手螺旋定則來判斷。

1、通電長(zhǎng)直導(dǎo)線的磁場(chǎng)方向

圖4-6通電長(zhǎng)直導(dǎo)線的磁場(chǎng)方向

方法是：用讓右手彎曲的四指和環(huán)形電流方向一致，伸直的拇指所指的方向就是導(dǎo)線環(huán)中心軸線上的磁感線方向。三、電流的磁場(chǎng)－磁場(chǎng)方向判定

磁場(chǎng)方向決定于電流方向，可以用右手螺旋定則來判斷。

2、通電螺線管的磁場(chǎng)方向

圖4-7通電螺線管的磁場(chǎng)方向

螺線管通電后，磁場(chǎng)方向仍可用右手螺旋定則來判定：用右手握住螺線管，四指指向電流的方向，拇指所指的就是螺線管內(nèi)部的磁感線方向。四、磁場(chǎng)的主要物理量1、磁感應(yīng)強(qiáng)度

在磁場(chǎng)中垂直于此磁場(chǎng)方向的通電導(dǎo)線，所受到的磁場(chǎng)力F跟電流強(qiáng)度I和導(dǎo)線長(zhǎng)度L的乘積IL的比值，叫做通電導(dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，用B表示。

磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量：B的方向與磁場(chǎng)方向相同，即與小磁針N極受力方向相同。

單位：特斯拉（T）

勻強(qiáng)磁場(chǎng)中各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和方向均相同。四、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通2、磁通

在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中取一個(gè)與磁場(chǎng)方向垂直，面積為S的平面，則B與S的乘積，叫做穿過這個(gè)平面的磁通量，簡(jiǎn)稱磁通。即

即磁感應(yīng)強(qiáng)度B可看作是通過單位面積的磁通，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度B也常叫做磁通密度，并用Wb/m2作單位。

磁通的國(guó)際單位是韋伯(Wb)

。由磁通的定義式，可得=BS

若在磁場(chǎng)中放置某種物體（例如將軟鐵插入線圈），磁場(chǎng)的強(qiáng)弱會(huì)受到影響。放置不同的物質(zhì)，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)弱的影響不同。放置物質(zhì)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B將發(fā)生變化，磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響程度取決于它本身的導(dǎo)磁性能。

物質(zhì)導(dǎo)磁性能的強(qiáng)弱用磁導(dǎo)率

來表示。的單位是：亨利/米(H/m)。不同的物質(zhì)磁導(dǎo)率不同。在相同的條件下，

值越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度B越大，磁場(chǎng)越強(qiáng)；值越小，磁感應(yīng)強(qiáng)度B越小，磁場(chǎng)越弱。

真空中的磁導(dǎo)率是一個(gè)常數(shù)，用0表示0=4

107H/m四、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通3、磁導(dǎo)率

§4-2磁場(chǎng)對(duì)電流的作用一、磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體的作用

通常把通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的作用力稱為電磁力，又稱安培力，用符號(hào)F表示。如圖4-8所示，將左手平伸，大拇指與其余四個(gè)手指垂直于同一平面上，讓磁感線垂直穿過手掌心，四指指向直流方向，則大拇指所指的方向就是通電導(dǎo)體所受電磁力的方向。圖4-8左手定則若電流方向與磁場(chǎng)方向不垂直，而是有一個(gè)夾角α?xí)r，則通電導(dǎo)體與Ｂ垂直方向的有效長(zhǎng)度為lsinα（有效長(zhǎng)度指的是與磁場(chǎng)方向垂直方向上的投影長(zhǎng)度）。電磁力的計(jì)算公式變?yōu)椋疲紹Ilsinα當(dāng)夾角α＝９０°時(shí)，電磁力Ｆ最大；當(dāng)夾角α＝０°時(shí)，電磁力Ｆ為零；當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)方向斜交時(shí)，電磁力介于最大值與零之間。圖4-9電流方向與磁場(chǎng)方向不垂直二、兩根通電平行直導(dǎo)體間的作用兩根相距比較近且平行的直導(dǎo)體，若通以相同方向的電流時(shí)，它們會(huì)相互吸引，如圖４－２１所示；如果通以相反方向的電流時(shí)，它們會(huì)相互排斥，如圖４－２２所示。這是由于每根通電導(dǎo)體都處在另一根通電導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，因而每根導(dǎo)體都會(huì)受到電磁力的作用。圖4-10同向相吸圖4-11反向相斥§4-3電磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)步驟:1、導(dǎo)線AB在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)。2、導(dǎo)線AB沿著平行磁感線的方向運(yùn)動(dòng)。一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象在磁可否生電這個(gè)問題上，英國(guó)物理學(xué)家法拉第堅(jiān)信，電與磁決不孤立，有著密切的聯(lián)系。為此，他做了許多實(shí)驗(yàn)，把導(dǎo)線放在各種磁場(chǎng)中想得到電流需要一定的條件，他以堅(jiān)韌不拔的意志歷時(shí)10年，終于找到了這個(gè)條件，從而開辟了物理學(xué)又一嶄新天地。

圖4-12直導(dǎo)體的電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)

像這樣利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)現(xiàn)象，用電磁感應(yīng)的方法產(chǎn)生的電流，叫感應(yīng)電流。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:1、電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，表明閉合回路中有電流通過。2、電流計(jì)的指針不動(dòng)，表明回路中沒有電流。結(jié)論－產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件

閉合回路中的一部分道理在磁場(chǎng)中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，回路中有感應(yīng)電流。

二、楞次定律

楞次定律指出：感應(yīng)電流的方向，總是使感應(yīng)電流的磁場(chǎng)阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，它是判斷感應(yīng)電流方向的普遍規(guī)律。

1．應(yīng)用楞次定律判斷步驟

感應(yīng)電流方向

二、楞次定律

由于線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流磁場(chǎng)總是阻礙原磁通的變化，即阻礙磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此，要想保持它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必須有外力來克服阻力做功，并通過做功將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，即線圈中的電流不是憑空產(chǎn)生的。

2．楞次定律符合能量守恒定律二、右手定則與楞次定律的一致性

右手定則和楞次定律都可用來判斷感應(yīng)電流的方向，兩種方法本質(zhì)是相同的，所得的結(jié)果也是一致的。

右手定則適用于判斷導(dǎo)體切割磁感線的情況，而楞次定律是判斷感應(yīng)電流方向的普遍規(guī)律。§4-4鐵磁物質(zhì)的磁化使原來沒有磁性的物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下具有磁性的過程稱為磁化。圖4-13鐵磁物質(zhì)磁化前圖4-14鐵磁物質(zhì)磁化后通常根據(jù)矯頑力的大小把鐵磁材料分為三類，見表４－４。§4-5磁路與磁路的歐姆定律一、磁路磁通所經(jīng)過的路徑叫做磁路。為了使磁通集中在一定的路徑上來獲得較強(qiáng)的磁場(chǎng)，常常把鐵磁材料制成一定形狀的鐵心，構(gòu)成各種電氣設(shè)備所需的磁路。全部在磁路內(nèi)部閉合的磁通叫做主磁通。部分經(jīng)過磁路，部分經(jīng)過磁路周圍物質(zhì)的閉合磁通叫做漏磁通。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，在漏磁不嚴(yán)重的情況下可將其忽略，只計(jì)算主磁通即可。圖4-15不同的磁路

如果磁路的平均長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面積為S，通電線圈的匝數(shù)為N，磁路的平均長(zhǎng)度為L(zhǎng)，線圈中的電流為I，螺線管內(nèi)的磁場(chǎng)可看作勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，磁路內(nèi)部磁通為

二、磁路歐姆定律一般將上式寫成歐姆定律得形式，即磁路歐姆定律圖4-16磁路三、磁路與電路的對(duì)應(yīng)關(guān)系電路磁路電流I磁通電阻磁阻電阻率磁導(dǎo)率電動(dòng)勢(shì)E磁動(dòng)勢(shì)Fｍ＝IN電路歐姆定律I=E/R磁路歐姆定律=Fｍ/Rｍ§4-6自感與互感一、自感

當(dāng)導(dǎo)體中的電流發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)體本身就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)總是阻礙導(dǎo)體中原來電流的變化。這種由于導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象叫做自感現(xiàn)象。

1．自感現(xiàn)象

自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，叫做自感電動(dòng)勢(shì)。

2．自感電動(dòng)勢(shì)

自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，叫做自感電動(dòng)勢(shì)。

計(jì)算：在自感電動(dòng)勢(shì)的參考方向和電感、元件電流為關(guān)聯(lián)參考方向下，自感電動(dòng)勢(shì)公式可由法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)而得注意：公式中的符號(hào)表明自感電動(dòng)勢(shì)總是企圖阻止電流的變化。

3．自感現(xiàn)象的意義a.自感現(xiàn)象廣泛存在：

凡是有導(dǎo)線、線圈的設(shè)備中，只要有電流變化都有自感現(xiàn)象存在，因此要充分考慮自感和利用自感。

b.自感現(xiàn)象廣泛應(yīng)用與各種電器、電子技術(shù)中。

實(shí)例講解：日光燈。日光燈電路中利用鎮(zhèn)流器的自感現(xiàn)象，獲得點(diǎn)燃燈管所需要的高壓，并且使日光燈正常工作。c.自感現(xiàn)象在某些情況下是非常有害的。在具有很大自感線圈而電流又很強(qiáng)的電路中，當(dāng)電路斷開的瞬間，由于電路中的電流變化很快，在電路中會(huì)產(chǎn)生很大的自感電動(dòng)勢(shì)，可能擊毀線圈的絕緣保護(hù)，或者使開關(guān)的閘刀和固定夾片之間的空氣電離成導(dǎo)體，產(chǎn)生電弧而燒毀開關(guān)，甚至危害工作人員的安全。

二、互感

由于一線圈電流變化引起另一個(gè)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)。

1．互感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)：線圈A和滑鍵變阻器RP、開關(guān)S串聯(lián)起來以后接到電源E上。線圈B的兩端分別和靈敏電流計(jì)的兩個(gè)接線柱連接。觀察當(dāng)開關(guān)S閉合或斷開的瞬間，電流計(jì)的變化情況。

現(xiàn)象：當(dāng)開關(guān)S閉合或斷開的瞬間，電流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且指針偏轉(zhuǎn)的方向相反，說明電流方向相反。當(dāng)開關(guān)閉合后，迅速改變變阻器的阻值，電流計(jì)的指針也會(huì)左右偏轉(zhuǎn)，而且阻值變化越快，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的角度越大。圖4-17兩個(gè)線圈的互感實(shí)驗(yàn)分析：實(shí)驗(yàn)表明線圈A中的電流發(fā)生變化時(shí)，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也要發(fā)生變化，通過線圈的磁通也要隨之變化，其中必然要有一部分磁通通過線圈B，這部分磁通叫做互感磁通?；ジ写磐ㄍ瑯与S著線圈A中電流的變化而變化，因此，線圈B中要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。同樣，如果線圈B中的電流發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)使線圈A中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象叫做互感現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫做互感電動(dòng)勢(shì)，用來表示。

互感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，叫做互感電動(dòng)勢(shì)。

計(jì)算：在互感電動(dòng)勢(shì)和電流的參考方向一致的情況下，理論和實(shí)驗(yàn)證明線圈B互感電動(dòng)勢(shì)為

式中：M——線圈的互感系數(shù)，單位是亨[利]，符號(hào)為H；

eM——互感電動(dòng)勢(shì)，單位是伏[特]，符號(hào)為V。注意：互感系數(shù)由這兩個(gè)線圈的幾何形狀、尺寸、匝數(shù)、它們之間的相對(duì)位置以及磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率決定，與線圈中的電流大小無關(guān)。

2．互感電動(dòng)勢(shì)

3．互感現(xiàn)象的意義a.互感現(xiàn)象的應(yīng)用：應(yīng)用互感可以很方便的把能量或信號(hào)由一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈。我們使用的各種各樣的變壓器，如電力變壓器、中周變壓器、鉗形電流表等都是根據(jù)互感原理工作的。

b.互感現(xiàn)象在某些情況下是非常有害的。例如：有線電話常常會(huì)由于兩路電話間的互感而引起串音；無線電設(shè)備中，若線圈位置安放不當(dāng)，線圈間相互干擾，影響設(shè)備正常工作。在此類情況下就需要避免互感的干擾?！?-7電磁鐵一、電磁鐵的分類電磁鐵是利用通電的鐵芯線圈吸引銜鐵或保持工件于固定位置的一種電器。電磁鐵的形式很多，但其基本組成部分相同，一般主要由勵(lì)磁線圈、鐵芯、銜鐵三個(gè)部分組成。圖4