第二章磁場與電磁感應(yīng)

第二章磁場與電磁感應(yīng)信息工程系韓善?，F(xiàn)在是1頁\一共有44頁\編輯于星期四目錄2-1磁場

1.磁場；2.磁感線；3.磁感應(yīng)強度；4.磁通；5.磁導(dǎo)率；2-2磁場對電流的作用

1.磁場對電流的作用；2.直流電動機的工作原理；

2-3電磁感應(yīng)

1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象；2.感應(yīng)電動勢；3.自感；4.渦流；5.互感；現(xiàn)在是2頁\一共有44頁\編輯于星期四&2-1磁場學習目標1.會應(yīng)用右手螺旋定則確定通電長直導(dǎo)線和通電螺線管的磁場方向。2.理解磁感應(yīng)強度、磁通、磁導(dǎo)率的概念。3、了解鐵磁材料的分類和應(yīng)用。4、會應(yīng)用左手定則判斷通電導(dǎo)體在磁場中所受電磁力的方向。現(xiàn)在是3頁\一共有44頁\編輯于星期四一、磁場當兩個磁極靠近時，它們之間就會發(fā)生相互作用，同名磁極相互排斥，異名刺激相互吸引。兩個磁極互不接觸，卻存在相互作用力，這是為什么呢？原來在磁體周圍的空間中存在著一種特殊的物質(zhì)——磁場。磁鐵并不是磁場的唯一來源。如下圖：當把一根水平放置的通電導(dǎo)線平行地移近一磁針上方時，磁針立即發(fā)生偏轉(zhuǎn)。上述現(xiàn)象說明，電流周圍存在著磁場?，F(xiàn)在是4頁\一共有44頁\編輯于星期四二、磁感線在玻璃板上均勻地撒一層細鐵屑，然后把一塊蹄型磁體放在玻璃板下面。輕敲玻璃板，鐵屑轉(zhuǎn)動靜止后，便有序地排列起來。觀察鐵屑的分布情況，可以看出，在磁極附近，鐵屑最為密集，表明磁場最強。再在玻璃板上不同位置放一些小磁針，根據(jù)鐵屑的分布和磁場中各點的小磁針N極的指向，人們可以畫出曲線來描述磁場。這樣的曲線成為磁感線。在這些曲線上，每一點的切線方向就是該點的磁場方向，也就是放在該點的磁針N極所指的方向。磁感線的方向：在磁體外部由N極指向S極，在磁體內(nèi)部由S極指向N極?，F(xiàn)在是5頁\一共有44頁\編輯于星期四實驗表明，各種不同形狀的磁體或通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁感線是不同的?，F(xiàn)在是6頁\一共有44頁\編輯于星期四通電長直導(dǎo)線及通電螺線管的磁場方向可用右手螺旋定則來確定。安培定則右手握住導(dǎo)線，讓伸直的大拇指所指的方向跟電流的方向一致，則彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向?，F(xiàn)在是7頁\一共有44頁\編輯于星期四右手握住通電螺線管，讓彎曲的四指所指方向跟電流的方向一致，則大拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向，也就是通電螺線管的磁場北極的方向?，F(xiàn)在是8頁\一共有44頁\編輯于星期四三、磁感應(yīng)強度磁場的強弱用磁感應(yīng)強度（B）表示。它的大小是這樣定義的：讓1m長的導(dǎo)線垂直于磁場方向放入磁場，并通以1A的電流是，如果受到的磁場力為1N，則導(dǎo)線所處的磁場的磁感應(yīng)強度為1特斯拉（T).磁感應(yīng)強度——在磁場中，垂直于磁場方向的通電導(dǎo)線，所受電磁力F與電流I和導(dǎo)線長度l的乘積Il的比值，用B表示，單位為特斯拉，簡稱特（T）。

現(xiàn)在是9頁\一共有44頁\編輯于星期四

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。磁場越強，磁感應(yīng)強度越大；磁場越弱，則磁感應(yīng)強度越小。普通永磁體磁極附近的磁感應(yīng)強度一般在，電動機和變壓器鐵芯中心的磁感應(yīng)強度為，地面附近地磁場的磁感應(yīng)強度只有0.00005T?，F(xiàn)在是10頁\一共有44頁\編輯于星期四四、磁通

為了定量地描述磁場在某一范圍內(nèi)的分布及變化情況，引入磁通這一物理量。

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。

Φ=BS

磁通的單位是韋伯（Wb），簡稱韋?，F(xiàn)在是11頁\一共有44頁\編輯于星期四

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。面積一定時，如果通過該面積的磁感線越多，則磁通越大，磁場越強。這一概念在電氣工程上有極其重要的意義，如變壓器、電動機、電磁鐵等就是通過盡可能地減小漏磁通，增強一定鐵心截面下的磁場強度來提高其工作效率的?，F(xiàn)在是12頁\一共有44頁\編輯于星期四從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?，F(xiàn)在是13頁\一共有44頁\編輯于星期四五、磁導(dǎo)率如果用一個插有鐵棒的通電線圈去吸引鐵屑，然后把通電線圈中的鐵棒換成銅棒再去吸引鐵屑，便會發(fā)現(xiàn)在兩種情況下吸力大小不同，前者比后者大得多。這表明不同的媒介質(zhì)對磁場的影響不同，影響的程度與媒介質(zhì)的導(dǎo)磁性能有關(guān)。

磁導(dǎo)率就是一個用來表示媒介質(zhì)導(dǎo)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(dǎo)率μ

0=4π×10-7H/m，為一常數(shù)。現(xiàn)在是14頁\一共有44頁\編輯于星期四

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。為了比較媒介質(zhì)對磁場的影響，把任一物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率的比值稱作相對磁導(dǎo)率，用μr表示，即：

相對磁導(dǎo)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?，F(xiàn)在是15頁\一共有44頁\編輯于星期四根據(jù)相對磁導(dǎo)率的大小，可把物質(zhì)分為三類：（1）順磁物質(zhì)

相對磁導(dǎo)率稍大于1。如空氣、鋁、鉻、鉑等。（2）反磁物質(zhì)

相對磁導(dǎo)率稍小于1。如氫、銅等。（3）鐵磁物質(zhì)相對磁導(dǎo)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?，F(xiàn)在是16頁\一共有44頁\編輯于星期四根據(jù)不同的特點，可把鐵磁材料分為三類：現(xiàn)在是17頁\一共有44頁\編輯于星期四&2-2磁場的電流的作用學習目標1.會應(yīng)用左手定則判斷通電導(dǎo)體在磁場中所受磁力的方向。2.理解直流發(fā)動機的工作原理。3、了解霍爾元件的特性及其在汽車電路中的應(yīng)用?，F(xiàn)在是18頁\一共有44頁\編輯于星期四一、磁場對電流的作用既然磁場是由電流產(chǎn)生的，那么磁場必定會對電流產(chǎn)生力的作用，這一作用力稱為電磁力

通電直導(dǎo)體在磁場內(nèi)的受力方向可用左手定則來判斷。平伸左手，使大拇指與其余四個手指垂直，并且都跟手掌在同一個平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿入掌心，并使四指指向電流的方向，則大拇指所指的方向就是通電導(dǎo)體所受電磁力的方向。現(xiàn)在是19頁\一共有44頁\編輯于星期四一個垂直于磁場的通電直導(dǎo)線在磁場中受到的磁場力F的大小由下式?jīng)Q定F=BIl式中B-------磁感應(yīng)強度，T；I--------電流，A；L---------導(dǎo)線長度，m.如果通電導(dǎo)線與磁場不垂直，則磁場對電流的作用力比垂直時要?。蝗绻麅烧咂叫?，則作用力為零?，F(xiàn)在是20頁\一共有44頁\編輯于星期四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(dǎo)線的有效長度為lsinα。電磁力的計算式變?yōu)? F=BIlsinα現(xiàn)在是21頁\一共有44頁\編輯于星期四二、直流電動機的工作原理利用磁場對電流的作用，人們制成了電動機。圖即為直流電動機的原理圖及結(jié)構(gòu)圖。它主要由定子繞組或稱勵磁繞組（或永磁磁極）、轉(zhuǎn)子、電刷、和換向器等組成。I現(xiàn)在是22頁\一共有44頁\編輯于星期四

線圈的旋轉(zhuǎn)方向可按左手定則判斷，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)的部分所受的電磁力相上，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，但線圈靠慣性仍繼續(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(dǎo)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(dǎo)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)?，F(xiàn)在是23頁\一共有44頁\編輯于星期四&2-3電磁感應(yīng)學習目標1.理解感應(yīng)電動勢的概念，會應(yīng)用右手定則確定感應(yīng)電動勢的方向。2.了解楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律。3.理解發(fā)電機的工作原理。4.了解自感和互感的應(yīng)用，會判斷互感線圈的同名端。5.了解渦流的利與害?，F(xiàn)在是24頁\一共有44頁\編輯于星期四一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象在上圖所示實驗中，當導(dǎo)體垂直于磁感線在水平方向作切割磁感線運動時，可以明顯地觀察到檢流計指針有偏轉(zhuǎn)。說明導(dǎo)體回路中有電流通過。而當導(dǎo)體平行于磁感線方向運動時，檢流計指針不偏轉(zhuǎn)，說明導(dǎo)體回路中不產(chǎn)生電流?，F(xiàn)在是25頁\一共有44頁\編輯于星期四在上圖所示實驗中，當用一塊條形磁鐵快速插入線圈時，會觀察到檢流計指針向一個方向偏轉(zhuǎn)；如果條形磁鐵在線圈內(nèi)靜止不動，檢流計指針不偏轉(zhuǎn)；再將條形磁鐵由線圈中迅速拔出時，又會觀察到檢流計指針向另一個方向偏轉(zhuǎn)。上述兩實驗說明：當導(dǎo)體做切割磁感線運動或者線圈中的磁通發(fā)生變化時，在導(dǎo)體或線圈中都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。若導(dǎo)體或線圈構(gòu)成閉合回路，則導(dǎo)體或線圈中將有電流流過?，F(xiàn)在是26頁\一共有44頁\編輯于星期四二、感應(yīng)電動勢1.直導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢（1）感應(yīng)電動勢的方向做切割磁感線運動的導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向可由右手定則來確定：伸出右手，伸直四指，并使拇指與四指垂直；讓磁感線垂直穿過掌心，使拇指指向?qū)w運動方向，四指所指的方向就是感應(yīng)電動勢的方向（或感應(yīng)電流的方向），如下圖所示。

現(xiàn)在是27頁\一共有44頁\編輯于星期四注意：

1、判斷感應(yīng)電動勢方向時，要把導(dǎo)體看成是一個電源。

2、在導(dǎo)體內(nèi)部，感應(yīng)電動勢的方向是由負極指向正極。

3、感應(yīng)電流的方向與感應(yīng)電動勢的方向相同。

4、如果直導(dǎo)體不形成閉合回路時，導(dǎo)體中只產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，而無感應(yīng)電流?，F(xiàn)在是28頁\一共有44頁\編輯于星期四（2）感應(yīng)電動勢的大小

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

如果導(dǎo)體運動方向與磁感線方向有一夾角α，則導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢為

e=Blvsinα現(xiàn)在是29頁\一共有44頁\編輯于星期四

當導(dǎo)體的運動方向與磁感線垂直時,導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢最大；當導(dǎo)體的運動方向與磁感線平行時，導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢為零。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(dǎo)體AB，可沿平行導(dǎo)電軌道滑動。當導(dǎo)體以速度v向左勻速運動時，試確定導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的方向和大小?，F(xiàn)在是30頁\一共有44頁\編輯于星期四解：（1）導(dǎo)體向左運動時，導(dǎo)電回路中磁通將增加，根據(jù)楞次定律判斷，導(dǎo)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(dǎo)體在Δt時間內(nèi)左移距離為d，則導(dǎo)電回路中磁通的變化量為

ΔΦ=BΔS=Bld=BlvΔt現(xiàn)在是31頁\一共有44頁\編輯于星期四

發(fā)電機就是應(yīng)用導(dǎo)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(dǎo)線做成線圈，使其在磁場中轉(zhuǎn)動，從而得到連續(xù)的電流。現(xiàn)在是32頁\一共有44頁\編輯于星期四2、線圈中的感應(yīng)電動勢（1）感應(yīng)電動勢的方向

線圈中的磁通量發(fā)生變化時，線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的方向通常由楞次定律再結(jié)合右手螺旋定則來確定。

楞次定律指出：感應(yīng)電流的磁場總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。當引起感應(yīng)電流的磁通量增大時，感生電流的磁場與原電流的磁場方向相反；當引起感應(yīng)電流的磁通量減小時，感生電流的磁場與原電流的磁場方向相同。實際上，直導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢的方向也可用楞次定律判定?，F(xiàn)在是33頁\一共有44頁\編輯于星期四（2）感應(yīng)電動勢的大小在上圖試驗中，磁鐵插入或拔出的速度越快，指針偏轉(zhuǎn)角度越大，反之越小。而磁鐵插入或拔出的速度，反應(yīng)的是線圈中磁通量變化的速度。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?，F(xiàn)在是34頁\一共有44頁\編輯于星期四用?Φ表示時間間隔?t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是N匝，則感應(yīng)電動勢的大小為：？現(xiàn)在是35頁\一共有44頁\編輯于星期四三、自感1、自感現(xiàn)象當線圈中的電流發(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。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現(xiàn)在是36頁\一共有44頁\編輯于星期四

自感——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。

自感現(xiàn)象是一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，它是由于回路自身電流變化而引起的。當流過線圈的電流發(fā)生變化時，導(dǎo)致穿過線圈的磁通量也隨之變化，從而產(chǎn)生了自感電動勢。2、自感電動勢的方向

自感電動勢的方向可結(jié)合楞次定律和右手螺旋定則來確定。當原來的電流增大時，自感電動勢與產(chǎn)生電流的電流電動勢方向相反；當原來的電流減小時，自感電動勢與產(chǎn)生電流的電源電動勢方向相同?，F(xiàn)在是37頁\一共有44頁\編輯于星期四自感系數(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）。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?，F(xiàn)在是38頁\一共有44頁\編輯于星期四3、自感電動勢的大小自感電動勢的計算式為式中L----自感系數(shù)，與線圈匝數(shù)、形狀、大小及周圍磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)，其單位為亨利，H；------在?t時間里，穿過回路磁通量的變化量；?i-------在?t時間時，回路中電流的變化量。

現(xiàn)在是39頁\一共有44頁\編輯于星期四4、渦流在有鐵心的線圈中通入交流電時，就有交變的磁場闖過鐵心，這時會在鐵心內(nèi)部產(chǎn)生自感電動勢并形成電流，由于這種電流形如旋渦，故稱“渦流”。

渦流的熱效應(yīng)既有有益的一面，也有有害的一面，工業(yè)生產(chǎn)中可以利用渦流的熱效應(yīng)，采用高頻電爐來冶煉金屬或加熱鍛件?，F(xiàn)在是40頁\一共有44