第二章磁场与电磁感应

第二章磁场与电磁感应信息工程系韩善海本文档共44页；当前第1页；编辑于星期三\11点49分目录2-1磁场

1.磁场；2.磁感线；3.磁感应强度；4.磁通；5.磁导率；2-2磁场对电流的作用

1.磁场对电流的作用；2.直流电动机的工作原理；

2-3电磁感应

1.电磁感应现象；2.感应电动势；3.自感；4.涡流；5.互感；本文档共44页；当前第2页；编辑于星期三\11点49分&2-1磁场学习目标1.会应用右手螺旋定则确定通电长直导线和通电螺线管的磁场方向。2.理解磁感应强度、磁通、磁导率的概念。3、了解铁磁材料的分类和应用。4、会应用左手定则判断通电导体在磁场中所受电磁力的方向。本文档共44页；当前第3页；编辑于星期三\11点49分一、磁场当两个磁极靠近时，它们之间就会发生相互作用，同名磁极相互排斥，异名刺激相互吸引。两个磁极互不接触，却存在相互作用力，这是为什么呢？原来在磁体周围的空间中存在着一种特殊的物质——磁场。磁铁并不是磁场的唯一来源。如下图：当把一根水平放置的通电导线平行地移近一磁针上方时，磁针立即发生偏转。上述现象说明，电流周围存在着磁场。本文档共44页；当前第4页；编辑于星期三\11点49分二、磁感线在玻璃板上均匀地撒一层细铁屑，然后把一块蹄型磁体放在玻璃板下面。轻敲玻璃板，铁屑转动静止后，便有序地排列起来。观察铁屑的分布情况，可以看出，在磁极附近，铁屑最为密集，表明磁场最强。再在玻璃板上不同位置放一些小磁针，根据铁屑的分布和磁场中各点的小磁针N极的指向，人们可以画出曲线来描述磁场。这样的曲线成为磁感线。在这些曲线上，每一点的切线方向就是该点的磁场方向，也就是放在该点的磁针N极所指的方向。磁感线的方向：在磁体外部由N极指向S极，在磁体内部由S极指向N极。本文档共44页；当前第5页；编辑于星期三\11点49分实验表明，各种不同形状的磁体或通电导线产生的磁感线是不同的。本文档共44页；当前第6页；编辑于星期三\11点49分通电长直导线及通电螺线管的磁场方向可用右手螺旋定则来确定。安培定则右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致，则弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。本文档共44页；当前第7页；编辑于星期三\11点49分右手握住通电螺线管，让弯曲的四指所指方向跟电流的方向一致，则大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向，也就是通电螺线管的磁场北极的方向。本文档共44页；当前第8页；编辑于星期三\11点49分三、磁感应强度磁场的强弱用磁感应强度（B）表示。它的大小是这样定义的：让1m长的导线垂直于磁场方向放入磁场，并通以1A的电流是，如果受到的磁场力为1N，则导线所处的磁场的磁感应强度为1特斯拉（T).磁感应强度——在磁场中，垂直于磁场方向的通电导线，所受电磁力F与电流I和导线长度l的乘积Il的比值，用B表示，单位为特斯拉，简称特（T）。

本文档共44页；当前第9页；编辑于星期三\11点49分

磁感应强度是个矢量，它的方向就是该点的磁场的方向。磁感线的疏密程度可以大致反映磁感应强度的大小。在同一个磁场的磁感线分布图上，磁感线越密的地方，磁感应强度越大，磁场越强。磁场越强，磁感应强度越大；磁场越弱，则磁感应强度越小。普通永磁体磁极附近的磁感应强度一般在，电动机和变压器铁芯中心的磁感应强度为，地面附近地磁场的磁感应强度只有0.00005T。本文档共44页；当前第10页；编辑于星期三\11点49分四、磁通

为了定量地描述磁场在某一范围内的分布及变化情况，引入磁通这一物理量。

磁通——设在磁感应强度为B的均匀磁场中，有一个与磁场方向垂直的平面，面积为S，我们把B与S的乘积定义为穿过这个面积的磁通量，简称磁通，用Φ表示。

Φ=BS

磁通的单位是韦伯（Wb），简称韦。本文档共44页；当前第11页；编辑于星期三\11点49分

如果磁场不与所讨论的平面垂直，则应以这个平面在垂直于磁场B的方向的投影面积S’与B的乘积来表示磁通。面积一定时，如果通过该面积的磁感线越多，则磁通越大，磁场越强。这一概念在电气工程上有极其重要的意义，如变压器、电动机、电磁铁等就是通过尽可能地减小漏磁通，增强一定铁心截面下的磁场强度来提高其工作效率的。本文档共44页；当前第12页；编辑于星期三\11点49分从φ=BS，可得这表示磁感应强度等于穿过单位面积的磁通，所以磁感应强度又称磁通密度，并且用Wb/m2作单位。本文档共44页；当前第13页；编辑于星期三\11点49分五、磁导率如果用一个插有铁棒的通电线圈去吸引铁屑，然后把通电线圈中的铁棒换成铜棒再去吸引铁屑，便会发现在两种情况下吸力大小不同，前者比后者大得多。这表明不同的媒介质对磁场的影响不同，影响的程度与媒介质的导磁性能有关。

磁导率就是一个用来表示媒介质导磁性能的物理量，用μ表示，其单位为H/m。由实验测得真空中的磁导率μ

0=4π×10-7H/m，为一常数。本文档共44页；当前第14页；编辑于星期三\11点49分

自然界大多数物质对磁场的影响甚微，只有少数物质对磁场有明显的影响。为了比较媒介质对磁场的影响，把任一物质的磁导率与真空的磁导率的比值称作相对磁导率，用μr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，媒介质中的磁感应强度是真空中磁感应强度的多少倍。本文档共44页；当前第15页；编辑于星期三\11点49分根据相对磁导率的大小，可把物质分为三类：（1）顺磁物质

相对磁导率稍大于1。如空气、铝、铬、铂等。（2）反磁物质

相对磁导率稍小于1。如氢、铜等。（3）铁磁物质相对磁导率远大于1，其可达几百甚至数万以上，且不是一个常数。如铁、钴、镍、硅钢、坡莫合金、铁氧体等。本文档共44页；当前第16页；编辑于星期三\11点49分根据不同的特点，可把铁磁材料分为三类：本文档共44页；当前第17页；编辑于星期三\11点49分&2-2磁场的电流的作用学习目标1.会应用左手定则判断通电导体在磁场中所受磁力的方向。2.理解直流发动机的工作原理。3、了解霍尔元件的特性及其在汽车电路中的应用。本文档共44页；当前第18页；编辑于星期三\11点49分一、磁场对电流的作用既然磁场是由电流产生的，那么磁场必定会对电流产生力的作用，这一作用力称为电磁力

通电直导体在磁场内的受力方向可用左手定则来判断。平伸左手，使大拇指与其余四个手指垂直，并且都跟手掌在同一个平面内，让磁感线垂直穿入掌心，并使四指指向电流的方向，则大拇指所指的方向就是通电导体所受电磁力的方向。本文档共44页；当前第19页；编辑于星期三\11点49分一个垂直于磁场的通电直导线在磁场中受到的磁场力F的大小由下式决定F=BIl式中B-------磁感应强度，T；I--------电流，A；L---------导线长度，m.如果通电导线与磁场不垂直，则磁场对电流的作用力比垂直时要小；如果两者平行，则作用力为零。本文档共44页；当前第20页；编辑于星期三\11点49分如果电流方向与磁场方向不垂直，而是有一个夹角α，这时通电导线的有效长度为lsinα。电磁力的计算式变为 F=BIlsinα本文档共44页；当前第21页；编辑于星期三\11点49分二、直流电动机的工作原理利用磁场对电流的作用，人们制成了电动机。图即为直流电动机的原理图及结构图。它主要由定子绕组或称励磁绕组（或永磁磁极）、转子、电刷、和换向器等组成。I本文档共44页；当前第22页；编辑于星期三\11点49分

线圈的旋转方向可按左手定则判断，当线圈平面与磁感线平行时，线圈在N极一侧的部分所受电磁力向下，在S极一侧的部分所受的电磁力相上，线圈按顺时针方向转动，这时线圈所产生的转矩最大。当线圈平面与磁感线垂直时，电磁转矩为零，但线圈靠惯性仍继续转动。通过换向器的作用，与电源负极相连的电刷A始终与转到N极一侧的导线相连，电流方向恒为由A流出线圈；与电源正极相连的电刷B始终与转到S极一侧的导线相连，电流方向恒为由B流入线圈。因此，线圈始终能按顺时针方向连续旋转。本文档共44页；当前第23页；编辑于星期三\11点49分&2-3电磁感应学习目标1.理解感应电动势的概念，会应用右手定则确定感应电动势的方向。2.了解楞次定律、法拉第电磁感应定律。3.理解发电机的工作原理。4.了解自感和互感的应用，会判断互感线圈的同名端。5.了解涡流的利与害。本文档共44页；当前第24页；编辑于星期三\11点49分一、电磁感应现象在上图所示实验中，当导体垂直于磁感线在水平方向作切割磁感线运动时，可以明显地观察到检流计指针有偏转。说明导体回路中有电流通过。而当导体平行于磁感线方向运动时，检流计指针不偏转，说明导体回路中不产生电流。本文档共44页；当前第25页；编辑于星期三\11点49分在上图所示实验中，当用一块条形磁铁快速插入线圈时，会观察到检流计指针向一个方向偏转；如果条形磁铁在线圈内静止不动，检流计指针不偏转；再将条形磁铁由线圈中迅速拔出时，又会观察到检流计指针向另一个方向偏转。上述两实验说明：当导体做切割磁感线运动或者线圈中的磁通发生变化时，在导体或线圈中都会产生感应电动势。若导体或线圈构成闭合回路，则导体或线圈中将有电流流过。本文档共44页；当前第26页；编辑于星期三\11点49分二、感应电动势1.直导体中的感应电动势（1）感应电动势的方向做切割磁感线运动的导体产生的感应电动势的方向可由右手定则来确定：伸出右手，伸直四指，并使拇指与四指垂直；让磁感线垂直穿过掌心，使拇指指向导体运动方向，四指所指的方向就是感应电动势的方向（或感应电流的方向），如下图所示。

本文档共44页；当前第27页；编辑于星期三\11点49分注意：

1、判断感应电动势方向时，要把导体看成是一个电源。

2、在导体内部，感应电动势的方向是由负极指向正极。

3、感应电流的方向与感应电动势的方向相同。

4、如果直导体不形成闭合回路时，导体中只产生感应电动势，而无感应电流。本文档共44页；当前第28页；编辑于星期三\11点49分（2）感应电动势的大小

当导体、导体运动方向和磁感线方向三者互相垂直时，导体中的感应电动势为：e=Blv

如果导体运动方向与磁感线方向有一夹角α，则导体中的感应电动势为

e=Blvsinα本文档共44页；当前第29页；编辑于星期三\11点49分

当导体的运动方向与磁感线垂直时,导体中感应电动势最大；当导体的运动方向与磁感线平行时，导体中感应电动势为零。例题如下图所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一长度为l的直导体AB，可沿平行导电轨道滑动。当导体以速度v向左匀速运动时，试确定导体中感应电动势的方向和大小。本文档共44页；当前第30页；编辑于星期三\11点49分解：（1）导体向左运动时，导电回路中磁通将增加，根据楞次定律判断，导体中感应电动势的方向是B端为正，A端为负。用右手定则判断，结果相同。（2）设导体在Δt时间内左移距离为d，则导电回路中磁通的变化量为

ΔΦ=BΔS=Bld=BlvΔt本文档共44页；当前第31页；编辑于星期三\11点49分

发电机就是应用导线切割磁感线产生感应电动势的原理发电的，实际应用中，将导线做成线圈，使其在磁场中转动，从而得到连续的电流。本文档共44页；当前第32页；编辑于星期三\11点49分2、线圈中的感应电动势（1）感应电动势的方向

线圈中的磁通量发生变化时，线圈中会产生感应电动势。感应电动势的方向通常由楞次定律再结合右手螺旋定则来确定。

楞次定律指出：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。当引起感应电流的磁通量增大时，感生电流的磁场与原电流的磁场方向相反；当引起感应电流的磁通量减小时，感生电流的磁场与原电流的磁场方向相同。实际上，直导体中的感应电动势的方向也可用楞次定律判定。本文档共44页；当前第33页；编辑于星期三\11点49分（2）感应电动势的大小在上图试验中，磁铁插入或拔出的速度越快，指针偏转角度越大，反之越小。而磁铁插入或拔出的速度，反应的是线圈中磁通量变化的速度。即线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正比。这就是法拉第电磁感应定律。本文档共44页；当前第34页；编辑于星期三\11点49分用∆Φ表示时间间隔∆t内一个单匝线圈中的磁通变化量，则一个单匝线圈产生的感应电动势的大小为如果线圈是N匝，则感应电动势的大小为：？本文档共44页；当前第35页；编辑于星期三\11点49分三、自感1、自感现象当线圈中的电流发生变化时，线圈中就会产生感应电动势，这个电动势总是阻碍线圈中原来电流的变化。合上开关，HL2比HL1亮的慢断开开关，灯泡闪亮一下才熄灭本文档共44页；当前第36页；编辑于星期三\11点49分

自感——这种由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象称为自感现象，简称自感。

自感现象是一种特殊的电磁感应现象，它是由于回路自身电流变化而引起的。当流过线圈的电流发生变化时，导致穿过线圈的磁通量也随之变化，从而产生了自感电动势。2、自感电动势的方向

自感电动势的方向可结合楞次定律和右手螺旋定则来确定。当原来的电流增大时，自感电动势与产生电流的电流电动势方向相反；当原来的电流减小时，自感电动势与产生电流的电源电动势方向相同。本文档共44页；当前第37页；编辑于星期三\11点49分自感系数自感电流产生的磁通称为自感磁通。一个线圈中通过单位电流所产生的自感磁通称为自感系数（简称电感），用L表示，即

L的单位是亨利，用H表示。常采用较小的单位有毫亨(mH)和微亨（μH）。线圈的电感是由线圈本身的特性决定的。线圈越长，单位长度上的匝数越多，截面积越大，电感就越大。有铁心的线圈，其电感要比空心线圈的电感大得多。本文档共44页；当前第38页；编辑于星期三\11点49分3、自感电动势的大小自感电动势的计算式为式中L----自感系数，与线圈匝数、形状、大小及周围磁介质的磁导率有关，其单位为亨利，H；------在∆t时间里，穿过回路磁通量的变化量；∆i-------在∆t时间时，回路中电流的变化量。

本文档共44页；当前第39页；编辑于星期三\11点49分4、涡流在有铁心的线圈中通入交流电时，就有交变的磁场闯过铁心，这时会在铁心内部产生自感电动势并形成电流，由于这种电流形如旋涡，故称“涡流”。

涡流的热效应既有有益的一面，也有有害的一面，工业生产中可以利用涡流的热效应，采用高频电炉来冶炼金属或加热锻件。本文档共44页；当前第40页；编辑