第三章磁场及电磁感应

第三章磁场及电磁感应第一页，共三十八页，2022年，8月28日第一节 磁场一、磁场二、电流的磁场※第三章 磁场及电磁感应第二页，共三十八页，2022年，8月28日

在公元11世纪，我国劳动人民在实践中用天然磁铁做成细长的小磁针，它有一头总是指向南方，另一头指向北方。人们利用它制成了可以确定南北方向的罗盘，如图所示。罗盘中间悬挂着一根能自由转动的小磁针(即指南针)。由于罗盘的发明，给航海指明了方向，推动了世界航海事业的迅猛发展。罗盘第一节 磁场第三页，共三十八页，2022年，8月28日

一、磁场

1．磁体某些物体具有吸引铁、钴、镍等物质的性质叫磁性。具有磁性的物体叫磁体。磁体分为天然磁体和人造磁体。常见的条形磁铁、马蹄形磁铁和针形磁铁等都是人造磁体，如右图所示。2．磁极磁体两端磁性最强，磁性最强的地方叫磁极。任何磁体都有一对磁极，一个叫南极，用S表示；另一个叫北极，用N表示，如右图所示。N极和S极总是成对出现并且强度相等，不存在独立的N极和S极。常见人造磁铁磁针的指向第一节 磁场第四页，共三十八页，2022年，8月28日

当用一个条形磁铁靠近一个悬挂的小磁针(或条形磁铁)时，如图所示。我们发现：当条形磁铁的N极靠近小磁针的N极时，小磁针N极一端马上被排斥；当条形磁铁的N极靠近小磁针的S极时，小磁针S极一端立刻被条形磁铁吸引。

说明磁极之间存在相互作用力，同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。磁极之间相互作用力第一节 磁场第五页，共三十八页，2022年，8月28日3．磁场力是物质之间相互作用的结果。用手推门，门就会转动打开，这是因为力直接作用于门。上述实验中，磁极之间存在的作用力并没有直接作用，到底是什么神密的物质使得它们之间有力的作用呢？这种神密的物质就是磁场。磁极之间相互作用的磁力就是通过磁场传递的。磁场是磁体周围存在的特殊物质。磁极在自己周围的空间里产生磁场，磁场对它里面的磁极有磁场力的作用。

4.磁场方向把小磁针放在磁场中的任一点，可以看到小磁针受磁场力的作用。静止时它的两极不再指向南北方向，而指向一个别的方向。在磁场中的不同点，小磁针静止时指的方向一般并不相同。这个现象说明，磁场是有方向性的。一般规定，在磁场中某点放一个能自由转动的小磁针，小磁针静止时N极所指的方向，就是该点磁场的方向。第一节 磁场第六页，共三十八页，2022年，8月28日

在磁场中可以利用磁感线（也称为磁力线)来形象地表示各点的磁场方向。所谓磁感线，就是在磁场中画出的一些曲线，曲线的疏密程度表示磁场的强弱；曲线上每一点的切线方向，都跟该点的磁场方向相同，如右图所示。

若磁体周围磁场的强弱相等、方向相同，我们把它定义匀强磁场，如右图所示。磁感线及磁场方向

匀强磁场第一节 磁场第七页，共三十八页，2022年，8月28日二、电流的磁场

1．电流的磁效应磁铁并不是磁场的唯一来源。1820年，丹麦物理学家奥斯特做过下面的实验：放在导线旁边的小磁针，当导线通过电流时会受到力的作用而偏转。这说明通电导体周围存在磁场，即电流具有磁效应。磁场的强弱和通电导体的电流大小、距离远近有关，电流越大，磁场越强；离导体越近，磁场越强。磁场的方向可以用安培定则（也称为右手螺旋法则）来判断。

2．安培定则通电导体周围的磁场方向，即磁感线方向与电流的关系可以用安培定则来判断。第一节 磁场第八页，共三十八页，2022年，8月28日(1)直线电流的磁场直线电流的磁场的磁感线是以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在与导线垂直的平面上，如图(a)所示。磁感线方向与电流的关系用安培定则判断：用右手握住通电直导体，让伸直的大拇指指向电流方向，那么，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向，如图(b)所示。(a)(b)直线电流的磁场

第一节 磁场第九页，共三十八页，2022年，8月28日(2)通电螺线管的磁场通电螺线管表现出来的磁性类似条形磁铁，一端相当于N极，另一端相当于S极。通电螺线管的磁场方向判断方法是：用右手握住通电螺线管，让弯曲的四指指向电流方向，那么，大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向，即大拇指指向通电螺线管的N极，如图所示。通电螺线管的磁场第一节 磁场第十页，共三十八页，2022年，8月28日

（3）环形电流的磁场如图所示是环形电流的磁场。环形电流磁场的磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线。在环形导线的中心轴线上，磁感线和环形导线的平面垂直。环形电流的方向跟它的磁感线方向之间的关系也可以用安培定则来判定：让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上的磁感线的方向。环形电流的磁场第一节 磁场第十一页，共三十八页，2022年，8月28日第二节磁路的物理量

一、磁通二、磁感应强度三、磁导率四、磁场强度五、磁路第十二页，共三十八页，2022年，8月28日

描述电路的物理量有电流、电压、电位、电动势、电能和电功率等。那么描述磁场的物理量又有哪些呢？一、磁通

磁感线的疏密定性地描述了磁场在空间的分布情况。磁通是定量地描述磁场在一定面积的分布情况的物理量。通过与磁场方向垂直的某一面积上的磁感线的总数，叫做通过该面积的磁通量，简称磁通，用字母表示。磁通的国际单位制单位Wb（韦伯）。当面积一定时，通过该面积的磁通越大，磁场就越强。第二节 磁路的物理量第十三页，共三十八页，2022年，8月28日

二、磁感应强度磁感应强度是定量地描述磁场中各点的强弱和方向的物理量。与磁场方向垂直的单位面积的磁通，叫做磁感应强度，也称磁通密度，用字母B表示。磁感应强度的国际单位制单位T（特斯拉）。在匀强磁场中，磁感应强度与磁通的关系可以用公式表示为

式中：

B——匀强磁场的磁感应强度，国际单位制单位T（特）

——与B垂直的某一截面积上的磁通，国际单位制单位Wb（韦伯）

S——与B垂直的某一截面面积，国际单位制单位㎡（平方米）第二节 磁路的物理量第十四页，共三十八页，2022年，8月28日

三、磁导率磁导率就是一个用来表示媒介质导磁性能的物理量，用字母表示，国际单位制单位H／m（亨每米）。不同的媒介质有不同的磁导率。实验测定，真空的磁导率是一个常数，用表示，即为了便于比较各种物质的导磁性能，我们把任一物质的磁导率与真空磁导率比值称为相对磁导率，用表示，即

相对磁导率只是一个比值，它表明在其他条件相同的情况下，媒介质的磁感应强度是真空中的多少倍。

第二节 磁路的物理量第十五页，共三十八页，2022年，8月28日

四、磁场强度磁场中各点的磁感应强度B与磁导率有关，计算比较复杂。为方便计算，引入磁场强度这个新的物理量来表示磁场的性质，用字母H表示。磁场中某点的磁场强度等于该点的磁感应强度B与媒介质的磁导率的比值，用公式表示为

或磁场强度的国际单位制单位A/m（安每米）。

第二节 磁路的物理量第十六页，共三十八页，2022年，8月28日

五、磁路

磁通所经过的路径叫做磁路。为了使磁通集中在一定的路径上来获得较强的磁场，常常把铁磁材料制成一定形状的铁心(铁磁材料的磁导率高)，构成各种电器设备所需的磁路。如图所示，其中（a）图为无分支磁路，（b）图为分支磁路。磁路第二节 磁路的物理量第十七页，共三十八页，2022年，8月28日

利用铁磁材料可以尽可能地将磁通集中在磁路中，但是与电路比较，漏磁现象比漏电现象严重得多。全部在磁路内部闭合的磁通叫做主磁通。部分经过磁路周围物质的闭合磁通叫做漏磁通。如选用电磁铁、变压器等铁芯材料时应尽可能让全部磁通通过铁芯截面。在下图中，当线圈中通以电流后，大部分磁通沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路，这部分磁通就是主磁通。还有一小部分磁通，它们没有经过工作气隙和衔铁，而经空气自成回路，这部分磁通就是漏磁通。第二节 磁路的物理量第十八页，共三十八页，2022年，8月28日第三节 磁场对通电导体作用力

我们知道电流可以产生磁场，当我们把通电导体置于磁场中时，会有什么情况发生呢？如图所示，把一根直导线AB垂直放入蹄形磁铁的磁场中。当导体未通电流时，导体不会运动；如果接通电源，当电流从B流向A的时候，导线立即向磁铁外侧运动。若改变导体电流方向，则导体会向相反方向运动。我们把通电导体在磁场中所受的作用力称为电磁力，也称安培力。从本质上讲，电磁力是磁场和通电导线周围形成的磁场相互作用的结果。通电导体在磁场中运动第十九页，共三十八页，2022年，8月28日

实验证明：在匀强磁场中，当通电导体与磁场方向垂直时，电磁力的大小与导体中电流大小成正比，与导体在磁场中的有效长度及载流导体所在的磁感应强度成正比，用公式表示为

F=BIL式中：F——导体受到的电磁力，国际单位制单位N(牛)

B——磁场中的磁感应强度，国际单位制单位T(特)

I——导体中的电流强度，国际单位制单位A(安)

L——导体在磁场中的有效长度，国际单位制单位m(米)实验还证明：当导线和磁感线方向成角时，如下图所示。电磁力的大小为F＝BILsinθ

第三节 磁场对通电导体的作用力第二十页，共三十八页，2022年，8月28日通电导体与磁场不垂直

通电导线在磁场中受到的电磁力的方向，可以用左手定则来判断：伸出左手，让大拇指与四指在同一平面内，大拇指与四指垂直，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电流方向，那么，大拇指所指的方向就是磁场对通电导线的作用力方向，如右图所示。左手定则第三节 磁场对通电导体的作用力第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日※第四节铁磁性物质一、铁磁物质的磁化二、铁磁材料分类第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日

生活中使用螺丝刀拧螺钉时，螺丝刀上的螺钉很容易掉下来。这时只需把螺丝刀放在磁铁（如音箱扬声器）上摩擦几下就可以把螺丝吸起来。但是当拿磁铁去吸铜钥匙时，无论如何铜钥匙根本就吸不起来，你知道产生这些现象的原因吗？一、铁磁物质的磁化

1.物质分类根据磁导率的大小不同，可将物质分成三类：略大于1的物质称为顺磁物质，如空气、铝、锡等；略小于l的物质称为反磁物质，如氢、铜、石墨等；顺磁物质和反磁物质统称为非铁磁物质。远大于1的物质称为铁磁性物质，如铁、钴、镍、硅钢、铁氧体等。

第四节 铁磁性物质第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日2.铁磁物质的磁化如果把一块磁铁从它的中央断开，会得到两块新的永久磁铁。如果再把这两块磁铁锯开，就得到四块磁铁。如果继续这样做，最后会得到极大数量的小磁铁，原先的那块磁铁就是由它们构成的。因此，可以认为永久磁铁是由大量的微小磁铁所组成。一块磁铁是由极大数量的小磁铁组成的。把这些小磁铁称为基本磁铁，又称磁畴。在正常的铁中，那些磁畴杂乱无章地排列，磁畴间的磁性被抵消，对外部(整体)不呈现磁性，如图(a)所示。如果把一块铁放人磁场中，那些基本磁铁将被迫按相同方向排列，如图(b)所示。这时，它们组合起来的磁性在它们周围将很显著，即铁已经被磁化。

（a）（b）第四节 铁磁性物质第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日

二、铁磁材料分类

1.软磁物质软磁材料的特点是磁导率很大，易被磁化也易去磁。典型的软磁材料有硅钢片、铸铁、坡莫合金等。硅钢片主要用来制作电动机和变压器的铁心，坡莫合金用来制造小型变压器、高精度交流仪表(灵敏继电器、磁放大器等)。

2.硬磁物质硬磁材料的特点是需要较强的外磁场的作用，才能使其磁化，而且不易退磁。其典型材料有钴钢、碳钢等。因其剩磁强，不易退磁，常用来制造各种形状的永久磁铁。

3.矩磁物质磁材料的特点是只需很小的磁场就能使它迅速磁化，并达到最大值，去掉外磁场仍能保持原来的强度。矩磁材料主要用于制造计算机中存储元件的环形磁心。

第四节 铁磁性物质第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日※第五节

电磁感应

一、电磁感应现象二、电磁感应定律第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日1820年奥斯特发现电流的磁效应以后，人们很自然地想到：既然电流能产生磁场，磁场能否产生电流呢?许多科学家开始不懈地探索。1831年，法拉第终于发现了由磁场产生电流的条件和规律，即电磁感应现象。

导体切割磁感线

一、电磁感应现象如图所示，在匀强磁场中放置一根导体AB，导体AB的两端分别与灵敏电流计的接线柱连接形成闭合回路。当导线AB在磁场中做切割磁感线运动时。电流计指针偏转，表明闭合回路有电流流过；当导线AB平行于磁感线方向运动时，电流计指针不偏转，表明闭合回路没有电流流过。※第五节 电磁感应第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日线圈磁通量发生变化

实验证明：闭合回路中的一部分导体相对于磁场做切割磁感线运动时，回路中有电流流过。如图所示，空心线圈的两端分别与灵敏电流计的接线柱连接形成闭合回路。当用条形磁铁快速插入线圈时，电流计指针偏转，表明闭合回路有电流流过；当条形磁铁静止不动时，电流计指针不偏转，表明闭合回路没有电流流过；当条形磁铁快速拔出线圈时，电流计指针偏转，表明闭合回路有电流流过。※第五节 电磁感应第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日

实验证明：闭合回路中的磁通发生变化时，回路中有电流流过。因此，不论是闭合回路的一部分导体做切割磁感线运动，还是闭合回路中的磁场发生变化，穿过线圈的磁通都发生变化。这样，我们可以得出结论：不论用什么方法，只要穿过闭合回路的磁通发生变化，闭合回路就有电流产生。这种利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应现象，用电磁感应的方法产生的电流叫做感应电流。

※第五节 电磁感应第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日

二、电磁感应定律

1.法拉第电磁感应定律要使闭合回路有电流流过，电路中必须有电源，电流是由电源电动势产生的。在电磁感应现象中，既然闭合回路有感应电流，这个回路中就必然有电动势存在。在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势。产生感应电动势的那部分导体就相当于电源。只要知道感应电动势的大小，感应电流就可以根据欧姆定律计算。※第五节 电磁感应第三十页，共三十八页，2022年，8月28日

实验证明：对于导体切割磁感线，导体中产生的感应电动势与导体切割运动速度、磁感应强度、导体长度成正比。当导体运动方向与导体本身垂直，并且跟磁感线方向也垂直时，导体切割磁感线产生的感应电动势大小为式中：——磁场磁感应强度，国际单位制单位T（特）

——导体长度，国际单位制单位m（米）

——导体运动速度；国际单位制单位m/s（米每秒）

——导体切割磁感线产生的感应电动势，国际单位制单位V（伏）

※第五节 电磁感应第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日

在线圈中，感应电动势的大小与磁通变化的快慢有关。磁通变化的快慢叫做磁通的变化率，即单位时间内磁通的变化量。法拉第电磁感应定律告诉我们：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通的变化率成正比。用公式表示为

如果线圈的匝数有N匝，那么，线圈的感应电动势为※第五节 电磁感应第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日

2.楞次定律在做前面实验时，我们发现当条形磁铁快速插入或拔出线圈时，电流计指针的偏转方向不同，说明在不同情况下感应电流的方向是不同的。怎样确定感应电流的方向呢?

我们通过下面的实验来研究楞次定律。把磁铁迅速从线圈中插入或拔出，观察电流表偏转情况。通过实验观察，我们发现：当磁铁插入线圈时，原磁通在增加，线圈所产生的感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相反，即感应电流的磁场总是阻碍原磁通的增加。如图（a)、(c)所示。当磁铁拔出线圈时，原磁通在减少，线圈所产生的感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相同，即感应电流的磁场总是阻碍原磁通的减少，如图(b)、(d）所示。※第五节 电磁感应第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日楞次定律※第五节 电磁感应

总结实验结果得到如下定律。楞次定律：感应电流的方向，总是使感应电流的磁场阻碍引起感应电流的磁通的变化。第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日3.右手定则当闭合电路中的一部分导线做切割磁感线运动时，感应电流的方向可用右手定则来判断：伸开右手，使大拇指与其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，让磁感线垂直进入手心，大拇指向导体运动方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向，如图所示。右手定则※第五节 电磁感应第三十五页，共三十八页，2022年，