電工基礎(chǔ)第四章

電工基礎(chǔ)第四章第一頁，共七十八頁，2022年，8月28日§4-1

磁場第二頁，共七十八頁，2022年，8月28日一、磁體及其性質(zhì)

某些物體能夠吸引鐵、鎳、鈷等物質(zhì)的性質(zhì)稱為磁性。具有磁性的物體稱為磁體。磁體分天然磁體和人造磁體兩大類。第三頁，共七十八頁，2022年，8月28日

磁體兩端磁性最強的部分稱磁極。可以在水平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動的磁針，靜止后總是一個磁極指南，另一個指北。指北的磁極稱北極（N）；指南的磁極稱南極（S）。

第四頁，共七十八頁，2022年，8月28日

任何磁體都具有兩個磁極，而且無論把磁體怎樣分割總保持有兩個異性磁極。

與電荷間的相互作用力相似，當兩個磁極靠近時，它們之間也會產(chǎn)生相互作用的力：同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。第五頁，共七十八頁，2022年，8月28日二、磁場與磁感線1．磁場 在磁體周圍的空間中存在著一種特殊的物質(zhì)——磁場。磁極之間的作用力通過磁場進行傳遞。動畫第六頁，共七十八頁，2022年，8月28日2．磁感線 磁場的分布常用磁感線來描述。視頻第七頁，共七十八頁，2022年，8月28日三、電流的磁場

不僅磁鐵能產(chǎn)生磁場，電流也能產(chǎn)生磁場，這種現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng)。動畫磁場的應(yīng)用：磁懸浮列車第八頁，共七十八頁，2022年，8月28日§4-2磁場的主要物理量第九頁，共七十八頁，2022年，8月28日

導線方向與磁場方向保持垂直，經(jīng)導線通電，可以看到導線因受力而發(fā)生運動。一、磁感應(yīng)強度第十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

先保持導線通電部分的長度不變，改變電流的大小，然后保持電流不變，改變導線通電部分的長度。

比較兩次實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通電導線長度一定時，電流越大，導線所受電磁力越大；電流一定時，通電導線越長，電磁力也越大。第十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日 在磁場中，垂直于磁場方向的通電導線，所受電磁力F與電流I和導線長度l的乘積IL的比值稱為該處的磁感應(yīng)強度，用B表示，即

磁感應(yīng)強度的單位是特斯拉，簡稱特，用符號T表示。第十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日

磁感應(yīng)強度是個矢量，它的方向就是該點的磁場的方向。 磁感線的疏密程度可以大致反映磁感應(yīng)強度的大小。在同一個磁場的磁感線分布圖上，磁感線越密的地方，磁感應(yīng)強度越大，磁場越強。第十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日二、磁通

設(shè)在磁感應(yīng)強度為B的均勻磁場中，有一個與磁場方向垂直的平面，面積為S，我們把B與S的乘積，定義為穿過這個面積的磁通量，簡稱磁通。用φ表示磁通，則有

φ=BS

磁通的單位是韋伯，簡稱韋，用Wb表示。第十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日

如果磁場不與所討論的平面垂直，則應(yīng)以這個平面在垂直于磁場B的方向的投影面積S’與B的乘積來表示磁通。第十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日 當面積一定時，如果通過該面積的磁感線越多，則磁通越大，磁感越強。 從φ=BS，可得這表示磁感應(yīng)強度等于穿過單位面積的磁通，所以磁感應(yīng)強度又稱磁通密度，并且用Wb/m2作單位。第十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日三、磁導率

不同的媒介質(zhì)對磁場的影響不同，影響的程度與媒介質(zhì)的導磁性能有關(guān)。

磁導率是一個用來表示媒介質(zhì)導磁性能的物理量，用μ表示，其單位為H/m。由實驗測得真空中的磁導率μ

0=4π×10-7H/m，為一常數(shù)。第十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日自然界大多數(shù)物質(zhì)對磁場的影響甚微，只有少數(shù)物質(zhì)對磁場有明顯的影響。任一物質(zhì)的磁導率與真空的磁導率的比值稱作相對磁導率，用μr表示，即：

相對磁導率只是一個比值。它表明在其他條件相同的情況下，媒介質(zhì)中的磁感應(yīng)強度是真空中磁感應(yīng)強度的多少倍。第十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日

根據(jù)相對磁導率的大小，可把物質(zhì)分為三類：

順磁物質(zhì)

相對磁導率稍大于1。如空氣、鋁、鉻、鉑等。

反磁物質(zhì)

相對磁導率稍小于1。如氫、銅等。

鐵磁物質(zhì)

相對磁導率遠大于1，其可達幾百甚至數(shù)萬以上，且不是一個常數(shù)。如鐵、鈷、鎳、硅鋼、坡莫合金、鐵氧體等。第十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日四、磁場強度

在真空中，通電線圈磁感應(yīng)強度的大小與線圈的匝數(shù)、線圈長度及電流強度有關(guān)式中B0——通電線圈的磁感應(yīng)強度，T；

μ0——真空的磁導率，H/m；

N——線圈的匝數(shù)；

L——線圈的長度，m；

I——線圈中的電流，A。第二十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

當把圓環(huán)線圈從真空中取出，并在其中放入相對磁導率為μr的媒介質(zhì)，則磁感應(yīng)強度將是真空中的μr倍，即：磁感應(yīng)強度與媒介質(zhì)的磁導率有關(guān)。第二十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日 該點的磁感應(yīng)強度B與媒介質(zhì)磁導率μ的比值即為磁場中某點的磁場強度，用H表示，即：

磁場強度的單位為A/m。 將帶入可得

第二十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日

上式表明，在一定電流值下，同一點的磁場強度不因磁場媒介質(zhì)的不同而改變。

磁場強度也是一個矢量，在均勻媒介質(zhì)中，它的方向和磁感應(yīng)強度的方向一致。第二十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日§4-3磁場對電流的作用第二十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日一、磁場對通電直導體的作用

通常把通電導體在磁場中受到的力稱為電磁力，也稱安培力。 通電直導體在磁場內(nèi)的受力方向可用左手定則來判斷。

動畫第二十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日

把一段通電導線放入磁場中，當電流方向與磁場方向垂直時，電流所受的電磁力最大。

利用磁感應(yīng)強度的表達式B=F/Il，可得電磁力的計算式為

F=BIl動畫：計算電磁力的大小第二十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日

如果電流方向與磁場方向不垂直，而是有一個夾角α，這時通電導線的有效長度為lsinα。電磁力的計算式變?yōu)?/p>

F=BIlsinα第二十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日二、通電平行直導線間的作用

兩條相距較近且相互平行的直導線，當通以相同方向的電流時，它們相互吸引（左圖）；當通以相反方向的電流時，它們相互排斥（右圖）。動畫第二十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日

判斷受力時，可以用右手螺旋法則判斷每個電流產(chǎn)生的磁場方向，再用左手定則判斷另一個電流在這個磁場中所受電磁力的方向。

發(fā)電廠或變電所的母線排就是這種互相平行的載流直導體，為了使母線不致因短路時所產(chǎn)生的巨大電磁力作用而受到破壞，所以每間隔一定間距就安裝一個絕緣支柱，以平衡電磁力。第二十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日三、磁場對通電線圈的作用

磁場對通電矩形線圈的作用是電動機旋轉(zhuǎn)的基本原理。

在均勻磁場中放入一個線圈，當給線圈通入電流時，它就會在電磁力的作用下旋轉(zhuǎn)起來。電刷換向器第三十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

當線圈平面與磁感線平行時，線圈在N極一側(cè)的部分所受電磁力向下，在S極一側(cè)的部分所受電磁力向上，線圈按順時針方向轉(zhuǎn)動，這時線圈所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。當線圈平面與磁感線垂直時，電磁轉(zhuǎn)矩為零，但線圈仍靠慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動。通過換向器的作用，與電源負極相連的電刷A始終與轉(zhuǎn)到N極一側(cè)的導線相連，電流方向恒為由A流出線圈；與電源正極相連的電刷B始終與轉(zhuǎn)到S極一側(cè)的導線相連，電流方向恒為由B流入線圈。因此，線圈始終能按順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。第三十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日§4-4鐵磁物質(zhì)第三十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日一、鐵磁物質(zhì)的磁化

使原來沒有磁性的物質(zhì)具有磁性的過程稱為磁化。

只有鐵磁性物質(zhì)才能被磁化，而非鐵磁性物質(zhì)是不能被磁化的。這是因為鐵磁物質(zhì)可以看作是由許多被稱為磁疇的小磁體所組成。第三十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日

在無外磁場作用時，磁疇排列雜亂無章，磁性互相抵消，對外不顯磁性；但在外磁場作用下，磁疇就會沿著外磁場方向變成整齊有序的排列，所以整體也就具有了磁性。第三十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日二、磁化曲線

當一個線圈的結(jié)構(gòu)、形狀、匝數(shù)都已確定時，鐵磁物質(zhì)的B隨H變化的規(guī)律可用B—H曲線來表示，稱為磁化曲線。第三十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日

曲線oa段較為陡峭，B隨H近似成正比增加。

b點以后的部分近似平坦，表明即使再增大線圈中的電流I以增大H，B也已近似不變了，鐵心磁化到這種程度稱為磁飽和。

a點到b點是一段彎曲的部分，稱為曲線的膝部。這一段是從未飽和到飽和的逐步過渡。第三十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日

各種電器的線圈中，一般都裝有鐵心以獲得較強的磁場。而且在設(shè)計時，常常是將其工作磁通取在磁化曲線的膝部，還常將鐵心制成閉合的形狀，使磁感線沿鐵心構(gòu)成回路。第三十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日三、磁滯回線

理想狀態(tài)下的磁滯回線：第三十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日

實際的磁滯回線：第三十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日

磁感應(yīng)強度B的變化落后于磁場強度H的變化，這一現(xiàn)象稱為磁滯。 鐵心在反復磁化的過程中，由于要不斷克服磁疇慣性將損耗一定的能量，稱為磁滯損耗，這將使鐵心發(fā)熱。第四十頁，共七十八頁，2022年，8月28日四、鐵磁材料的分類硬磁材料特點：不易磁化，不易退磁典型材料及用途：碳鋼、鈷鋼等，適合制作永久磁鐵，揚聲器的磁鋼第四十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日軟磁材料特點：容易磁化，容易退磁典型材料及用途：硅鋼、鑄鋼、鐵鎳合金等，適合制作電機、變壓器、繼電器等設(shè)備中的鐵心第四十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日矩磁材料特點：很易磁化，很難退磁典型材料及用途：錳鎂鐵氧體、鋰錳鐵氧體等，適合制作磁帶、計算機的磁盤第四十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日§4-5電磁感應(yīng)第四十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象

電流能產(chǎn)生磁場，那么磁場能否產(chǎn)生電流呢？第四十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日

將一條形磁鐵放置在線圈中，當其靜止時，檢流計的指針不偏轉(zhuǎn)，但將它迅速地插入或拔出時，檢流計的指針都會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明線圈中有電流。

這種利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流，產(chǎn)生感應(yīng)電流的電動勢稱為感應(yīng)電動勢。

第四十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日二、楞次定律

以上實驗表明：在線圈回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的原因是由于磁鐵的插入和拔出導致線圈中的磁通發(fā)生了變化。 楞次定律指出了磁通的變化與感應(yīng)電動勢在方向上的關(guān)系，即：感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通總是阻礙原磁通的變化。第四十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日三、法拉第電磁感應(yīng)定律

在上述實驗中，如果改變磁鐵插入或拔出的速度，就會發(fā)現(xiàn)，磁鐵運動速度越快，指針偏轉(zhuǎn)角度越大，反之越小。而磁鐵插入或拔出的速度，反映的是線圈中磁通變化的速度。即：線圈中感應(yīng)電動勢的大小與線圈中磁通的變化率成正比。這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。第四十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日

用ΔΦ表示時間間隔Δt內(nèi)一個單匝線圈中的磁通變化量，則一個單匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小為

如果線圈有N匝，則感應(yīng)電動勢的大小為

第四十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日四、直導線切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢

感應(yīng)電動勢的方向可用右手定則判斷。平伸右手，大拇指與其余四指垂直，讓磁感線穿入掌心，大拇指指向?qū)w運動方向，則其余四指所指的方向就是感應(yīng)電動勢的方向。

第五十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

當導體、導體運動方向和磁感線方向三者互相垂直時，導體中的感應(yīng)電動勢為：e=Blv

如果導體運動方向與磁感線方向有一夾角α，則導體中的感應(yīng)電動勢為e=Blvsinα第五十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日

發(fā)電機就是應(yīng)用導線切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原理發(fā)電的，實際應(yīng)用中，將導線做成線圈，使其在磁場中轉(zhuǎn)動，從而得到連續(xù)的電流。動畫：正弦交流電的產(chǎn)生動畫：實際應(yīng)用的發(fā)電機第五十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日

例題

如下圖所示，在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，有一長度為l的直導體AB，可沿平行導電軌道滑動。當導體以速度v向左勻速運動時，試確定導體中感應(yīng)電動勢的方向和大小。第五十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日解:（1）導體向左運動時，導電回路中磁通將增加，根據(jù)楞次定律判斷，導體中感應(yīng)電動勢的方向是B端為正，A端為負。用右手定則判斷，結(jié)果相同。（2）設(shè)導體在Δt時間內(nèi)左移距離為d，則導電回路中磁通的變化量為

ΔΦ=BΔS=Bld=BlvΔt

所以感應(yīng)電動勢 第五十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日

如果導體和磁感線之間有相對運動時，用右手定則判斷感應(yīng)電流方向較為方便； 如果導線與磁感線之間無相對運動，只是穿過閉合回路的磁通發(fā)生了變化，則用楞次定律來判斷感應(yīng)電流的方向。第五十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日§4-6自感第五十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日一、自感現(xiàn)象

合上開關(guān)，HL2比HL1亮的慢斷開開關(guān)，燈泡閃亮一下才熄滅第五十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日 當線圈中的電流發(fā)生變化時，線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個電動勢總是阻礙線圈中原來電流的變化。 這種由于流過線圈本身的電流發(fā)生變化而引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象，簡稱自感。 在自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢稱為自感電動勢，用eL表示，自感電流用iL表示。第五十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日二、自感系數(shù)

自感電流產(chǎn)生的磁通稱為自感磁通。 一個線圈中通過單位電流所產(chǎn)生的自感磁通稱為自感系數(shù)（簡稱電感），用L表示，即

L的單位是亨利，用H表示。常采用較小的單位有毫亨(mH)和微亨（μH）。第五十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日 線圈的電感是由線圈本身的特性決定的。線圈越長，單位長度上的匝數(shù)越多，截面積越大，電感就越大。有鐵心的線圈，其電感要比空心線圈的電感大得多。 有鐵心的線圈，其電感也不是一個常數(shù)，稱為非線性電感。電感為常數(shù)的線圈稱為線性電感。空心線圈當其結(jié)構(gòu)一定時，可近似地看成線性電感。第六十頁，共七十八頁，2022年，8月28日三、自感電動勢

由Nφ=LI，有 代入 ，可得第六十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日四、RL電路過渡過程

電感線圈與電容器相似，都是電路中的儲能元件。 開關(guān)SA剛剛閉合時，電流不可能一下子由零變到穩(wěn)定值，而是逐漸地增大；而當切斷電源時，電流也不是立即消失，而是逐漸減小而消失。第六十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日

過渡過程的快慢與L和R的數(shù)值有關(guān)，L與R的比值稱為RL電路的時間常數(shù)，即：

τ越小，表明過渡過程越快。第六十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日§4-7互感第六十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日一、互感現(xiàn)象和互感電動勢

在開關(guān)SA閉合或斷開瞬間以及改變RP的阻值，檢流計的指針都會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。第六十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日

我們把由一個線圈中的電流發(fā)生變化而在另一線圈中產(chǎn)生電磁感應(yīng)的現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象，簡稱互感。 由互感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢稱為互感電動勢，用eM表示。 互感電動勢的計算公式為 式中M稱為互感系數(shù)，簡稱互感，單位和自感一樣，也是亨（H）。

第六十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日二、互感線圈的同名端

我們把由于線圈繞向一致而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的極性始終保持一致的端子稱為線圈的同名端，用“

·

”或“*”表示。第六十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖中1、4、5就是一組同名端。

SA閉合瞬間，A線圈有電流i從1端流進，根據(jù)楞次定律，在A線圈兩端產(chǎn)生自感電動勢，極性為左正右負。利用同名端可確定B線圈的4端和C線圈的5端皆為互感電動勢的正端。第六十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日§4-8磁路歐姆定律第六十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日一、磁路

磁通所通過的路徑稱為磁路。第七十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

磁路可分為無分支磁路和有分支磁路。如上圖a和b為無分支磁路，c為有分支磁路。 磁路中除鐵心外往往還有一小段非鐵磁材料，例如空氣隙等等。 由于磁感線是連續(xù)的，所以通過無分支磁路各處橫截面的磁通是相等的。第七十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日 與電路比較，磁路的漏磁現(xiàn)象要比電路的漏電現(xiàn)象嚴重得多。全部在磁路內(nèi)部閉合