《电工技术基础与技能》课件 单元五 磁场与电磁感应

单元五磁场与电磁感应目录页CONTENTPAGE磁场1磁路2磁化现象3电磁感应4互感5单元五磁场与电磁感应学习目标1.了解磁场的概念、特性和电流的磁效应，会用安培定则判断磁场方向；2.能正确计算安培力的大小，会运用左手定则判断安培力的方向；3.了解磁路、主磁通和漏磁通的概念，知道主磁通和漏磁通的区别；4.了解磁化现象及磁性材料种类，能描述物质的磁化现象；5.了解涡流产生的原因及其应用，知道涡流在工程技术上的应用实例；6.了解电磁感应现象，理解楞次定律和右手定则；7.理解互感现象和互感的概念，会解释影响互感的因素；8.熟悉同名端概念，会判别同名端。1.让学生了解磁现象的研究历史，培养学生的爱国主义精神，激发学生学习科学的热情；2.使学生养成实训中遵守纪律、爱护公物、安全用电、规范操作的好习惯，遵守7S管理规定;3.培养学生实训中积极主动、严谨细致的作风，养成组内协作、勇担责任，乐于助人的品格。育人目标单元五概述知识体系单元五概述单元五磁场与电磁感应5.1磁场实践导入如图所示，用一根条形磁铁靠近小磁针，当磁铁N极和S极分别靠近小磁针时，观察小磁针的旋转方向。可以看到当磁铁N极靠近小磁针N极时，会发生排斥现象，而当磁铁N极靠近小磁针S极时会相互吸引。5.1磁场实践现象这个实验说明磁铁和小磁针的磁极之间会产生相互作用的力，同名磁极相互吸引，异名磁极相互排斥。实践结论5.1.1磁场和电流的磁效应一、磁场

磁场是什么？磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，但磁场是客观存在的。磁场就是一种存在于磁体和电流周围，能对身处其中的其他磁体和电流产生磁力（吸引和排斥）作用的特殊物质。通常情况下，磁体或电流周围都存在磁场。

为了形象地描绘磁场在空间的分布，在磁场中画一些有方向的曲线，使曲线上任何一点的切线方向跟这一点的磁场方向相同，这些曲线称之为磁感应线，如图5-1-2所示。图5-1-2条形磁铁的磁感应线

5.1磁场5.1.1磁场和电流的磁效应

磁感应线是假想的闭合曲线。在磁体外部，由N极指向S极；在磁体内部，由S极指向N极。垂直于纸面的磁场的磁感应线也用箭头来表示。若磁感应线垂直纸面向里，只能看到其箭尾，所以用箭尾符号“×”表示；若磁感应线垂直纸面向外，只能看到其箭尖，所以用符号“·”表示。5.1磁场5.1.1磁场和电流的磁效应二、电流的磁效应

1820年4月丹麦物理学家奥斯特在实验中发现，在通电的平直导线下方，平行放置一个小磁针，小磁针会发生偏转。这表明电流能够产生磁场。电流的周围存在磁场的现象称为电流的磁效应。电流的磁效应揭示了磁现象的电本质。

在通电的长直导线周围会有磁场产生，其磁感应线的方向和电流方向之间的关系，可以用安培定则，也就是右手螺旋定则判断：用右手握住导体，伸出大拇指，大拇指所指的方向表示电流方向，弯曲四指的方向表示磁感应线的方向，如图5-1-3所示。5.1磁场图5-1-3安培定则

5.1.1磁场和电流的磁效应在分析通电螺线管的磁感应线分布时，用右手握住通电螺线管，让弯曲四指指向电流的方向，那么大拇指所指的方向表示磁感应线的方向，即通电螺线管的N极，如图5-1-4所示。

5.1磁场图5-1-4螺线管电流的磁场

实践步骤1.如图5-1-5所示，将电源（电池组）、滑动变阻器、开关通过导线进行串联；2.闭合开关，调节变阻器至合适状态（具体状态参数由老师给定）；3.打开开关，将小磁针平行靠近通电导线，观察小磁针N极的指向；闭合开关，记录发生的现象。5.1磁场

图5-1-5感知电流的磁效应

实践应用实践考核1.记录并给予评分，见表5-1所示。5.1磁场开关小磁针N极方向小磁针S极方向电流有无断开

闭合

表5-1电流的磁效应实验记录表2.实践应用综合考核，见表5-2所示。评价内容测试完成情况（30）测试正确情况（30）7S管理（20）小组合作（20）成绩（100）得分

收获

不足表5-2电流的磁效应实验评价表实践结论根据实验现象可知，在通电的长直导线周围

（有/无）磁场产生，若用右手握着通电直导线，大拇指指向电流方向，则会发现四指的环绕方向____________（是/不是）磁场方向，这就是判断直线电流磁场方向的安培定则，也就是右手螺旋定则。5.1磁场5.1.2描述磁场的物理量

磁场不仅有方向，而且有强弱。地球磁场在赤道处最弱，南北极最强，需要有哪些物理量来描述磁场的性质和特征呢？

5.1磁场一、磁感应强度

在磁场中，垂直于磁场方向的通电直导线所受的磁场力

与通过的电流和导线长度

的乘积的比值，称为通电直导线此处的磁感应强度B。即

（5-1）

式中，

为通电直导线受到的磁场力，单位为牛（N）；

为导体中的电流，单位为安培（A）；

为导体在磁场中的有效长度，单位是米（m）；

为磁感应强度，单位为特（T）。

5.1.2描述磁场的物理量二、磁通

如图5-1-6所示，在磁感应强度为

的匀强磁场中取一个与磁场方向垂直且面积为S的平面，则

与的S乘积，叫做穿过这个平面的磁通量

，简称磁通。即

式中，

为磁通，单位是韦伯（Wb），简称韦；

为磁感应强度，单位为特斯拉（T），简称特；S为垂直于磁场方向的面积，单位是平方米（

）。

5.1磁场（5-2）图5-1-6磁通量

磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度是一个矢量，它的方向即为该点的磁场方向。

如果磁场中各点的磁感应强度大小和方向均相同，称为匀强磁场。5.1.2描述磁场的物理量5.1磁场三、磁导率1.磁导率

磁感应强度

的大小不仅与产生磁场的电流大小和导体形状有关，还与导体周围物质（又叫做磁介质）的导磁性有关。在磁场中放入磁介质时，介质的磁感应强度

将发生变化，磁介质对磁场的影响程度取决于它本身的导磁性能。

物质导磁能力的强弱用磁导率来表示。

的单位是亨利/米（H/m）。不同的物质磁导率不同。在相同的条件下，

值越大，磁感应强度

越大，磁场越强；

值越小，磁感应强度

越小，磁场越弱。5.1.2描述磁场的物理量5.1磁场

实验测得真空的磁导率为一个常数，用

表示，即2.相对磁导率

为了比较各种物质的导磁性能，将其他物质的磁导率与真空磁导率

比较，其比值称为相对磁导率，用

表示，即

相对磁导率没有单位，它随磁介质种类不同而不同。根据相对磁导率的大小，可将磁介质分为三类：顺磁性物质（

且与1相近），反磁性物质（

且与1相近），铁磁性物质（

）。通常把铁磁性物质称为强磁性物质，它在电工技术方面有十分广泛的应用。表5-3列出了几种常见材料的相对磁导率。（5-4）5.1.2描述磁场的物理量5.1磁场表5-3几种常用铁磁性物质的相对磁导率性材料相对磁导率材料相对磁导率钴174已经退火的铁7000未经退火的铸铁240变压器钢片7500已经退火的铸铁620在真空中融化的电解铁12950镍1120镍铁合金60000软钢2180“C”型坡莫合金1150005.1.2描述磁场的物理量四、磁场强度

研究表明，磁场中各点的磁感应强度与磁介质的性质有关，为了使磁场的计算简单，常用磁场强度来表示磁场的大小和方向。磁场中某点的磁感应强度与磁介质磁导率的比值称为该点的磁场强度，用

表示，即

5.1磁场

磁场强度也是一个矢量，在均匀磁介质中，它的方向与磁感应强度的方向一致。在国际标准单位制中，它的单位为安/米(

)。

（5-6）5.1.3磁场对通电导线的作用力

磁场不仅对磁体有力的作用，对电流也会有力的作用。磁场对其中的通电直导线的作用力，称为安培力。当电流

的方向与磁感应强度

垂直时，安培力大小表示为：

5.1磁场

如图5-1-7所示，当电流的方向与磁感应强度有一定夹角

时，将

分解为两个互相垂直的分量：一个与电流垂直的分量，

，一个与电流平行的分量，

。

对电流没有力的作用，磁场对电流的作用力是由产生的。

（5-7）图5-1-7磁场对直流电流的作用力因此安培力大小表示为：

5.1磁场当

时，安培力

最大；当

时，安培力

。其中

表示作用力的大小，单位为牛（N）；

是磁感应强度，单位为特（T）；

是导体在磁场垂直方向上的长度，单位为米（m）。磁场对电流作用力的方向用左手定则来判断。具体判别方法是：伸展左手，四指并拢，大拇指与四指位于同一平面且相互垂直，让磁感线垂直穿过掌心，四指指向导体中所通过的电流方向，则大拇指所指的方向为导体所受的安培力的方向，如图5-1-8所示。（5-8）5.1.3磁场对通电导线的作用力图5-1-8左手定则1.如图5-1-9所示，将电源（电池组）、滑动变阻器、开关通过导线进行串联，将变阻器的阻值放置在阻值最大状态；2.快速闭合开关并立即断开，观察导体的移动方向；3.将电源极性对调，再快速地闭合开关并立即断开，再观察导体的移动方向。

5.1磁场实践应用实践步骤

图5-1-9磁场对电流的作用力实验实践考核1.记录并给予评分，见表5-4所示。5.1磁场表5-4磁场对电流的作用力实验记录表电源正向电源反向开关电流有无导体移动方向电流有无导体移动方向断开

闭合

2.实践应用综合考核，见表5-5所示。表5-5磁场对电流的作用力实验评价表评价内容测试完成情况（30）测试正确情况（30）7S管理（20）小组合作（20）成绩（100）得分

收获

不足5.1磁场实践结论根据实验现象可知，若左手大拇指和四指在同一平面上且相互垂直，掌心对着磁场方向，四指指向电流方向，则大拇指指向与导体所受到的作用力方向

（相同/不同），这就是左手定则。一、磁路

在电动机和变压器内，常把线圈套装在铁芯上。当线圈内通有电流时，就会在线圈周围的空间形成磁场，由于铁芯的导磁性能比空气好得多，所以绝大部分磁通将在铁芯内通过，这部分磁通称为主磁通，围绕载流线圈和部分铁芯周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。磁通经过的闭合路径称为磁路。5.2磁路(a)变压器的磁路(b)两级直流电动机的磁路图5-2-1两种常见的磁路

*二、磁路欧姆定律和全电流定律

为了便于分析磁路，将磁路情况模拟为电路进行分析，利用电路欧姆定律，找出对应的磁路欧姆定律。磁路中的磁通

等于作用在该磁路上的磁动势

除以磁路的磁阻

，称为磁路欧姆定律，即，5.2磁路（5-9）其中磁阻，单位为1/亨（1/H）。磁动势

，单位为安培（A）。磁通量

，单位为韦伯(Wb)。

一般情形下，通过空间某截面的电流应包括传导电流与位移电流，两者之和称为全电流。任意一个闭合回线上的总磁压等于被这个闭合回线所包围的面内穿过的全部电流的代数和，称为全电流定律。

在匀强磁场旳磁路中，各段磁路的材料及截面积都相同，全电流定律公式表示为：5.2磁路（5-10）其中

是磁场强度，单位为

，

是磁路中心线长度，单位为米（m），

是线圈电流，单位为安（A），

是线圈匝数。在实验台上不均匀地撒一些铁粉，拿一枚铁针靠近铁粉。将磁铁和铁针相互

摩擦，再次用铁针靠近铁粉，并注意观察。*5.3磁化现象实践导入没有用磁铁摩擦的铁针不能吸引铁粉，而用磁铁对铁针摩擦后，铁针可以吸引铁粉。实践现象实验结论这个实验说明经过磁铁摩擦的铁针就相当于一个磁铁，同样表现出与磁铁相同的特性。*5.3磁化现象

本来不具备磁性的物质，由于受磁场的作用而具有磁性的现象称为铁磁性物质的磁化。磁化就是将分散的磁场集中到铁磁性物质（通常称为铁芯）中来。由于顺磁性物质和反磁性物质的导磁性能较差，一般在实际生产生活中用铁磁性物质作为导磁材料。铁磁性物质的磁感应强度B随外磁场H变化而变化所形成的曲线B-H称为磁化曲线，铁磁性物质的磁化曲线如图5-3-1所示。*5.3磁化现象

磁化过程分为四个阶段：起始段oa，此段磁化的速度很慢，铁磁性物质的磁导率很低；直线段ab，此段的B随H近似线性增大，物质的磁导率也逐渐增大；接近饱和段bc，此段的磁导率最大，一般电动机和变压器的铁芯都工作在接近饱和段；饱和段cd，此段的B不再随H变大而增大。当铁芯饱和后，若H再变小，B不随H同步减小，而是滞后于H的变化。图5-3-1磁化曲线

曲线oabcd被称为基本磁化曲线，A点的磁感应强度被称为剩磁，B点的磁场强度被称为矫顽力，AB段曲线被称为退磁曲线。在反复磁化过程中，铁芯的B总是滞后于H的变化，这种现象称为磁滞现象，反复磁化所产生的闭合磁化曲线称为磁滞回线，反复磁化过程中的能量损耗称作磁滞损耗。*5.3磁化现象5.4电磁感应实践导入如图5-4-1所示，当导体ab在磁场中前后运动时，电流表的会显示产生了电流吗？图5-4-1导体在磁场中来回运动可以看到当导体ab在磁场中前后运动时，电流表的指针就会发生偏转。实验现象实验结论这个实验说明闭合电路中的一部分导体做切割磁感线的运动时，电路中就会有电流产生。5.4电磁感应5.4.1电磁感应现象

1831年，科学家法拉第发现了磁与电之间的关系，即只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流。这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应，产生的电流称为感应电流。

当闭合回路中的一部分导体做切割磁感线的运动时，闭合回路中产生感应电流，如何确定感应电流的方向呢？可以用右手定则判断，也可以用楞次定律来判断。一、右手定则伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内，让磁感线穿过掌心，并且使拇指指向导体运动的方向，此时四指所指的方向就是感应电流的方向。如图5-4-2所示。5.4电磁感应图5-4-2右手定则5.4.1电磁感应现象二、楞次定律

将线圈和电流表相连，当条形磁铁插入线圈，或者把磁铁从线圈中拔出时，电流表指针会发生偏转，这说明线圈中产生了感应电流，磁铁和线圈之间发生了相互作用，而这个作用总是要阻碍磁铁的运动。如图5-4-3所示，

当磁铁N极插入线圈受到排斥，这时线圈靠近磁铁一端出现相同极性；当磁铁N极拔出线圈受到吸引，这时线圈靠近磁铁一端出现相异极性。楞次定律指出：闭合电路中产生的感应电流，它的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通的变化。这是判断感应电流方向的普遍规律。5.4电磁感应图5-4-3磁铁插入（拔出）线圈

5.4.1电磁感应现象

应用楞次定律判断感应电流方向的具体步骤为：首先确定原来磁场的方向和穿过闭合电路的磁通量是增加还是减少；再根据楞次定律判断感应电流的磁场方向，即穿过线圈的磁通量增加时，感应电流的磁场方向和原磁场方向相反，阻碍磁通的增加；穿过线圈的磁通量减少时，感应电流的磁场方向和原磁场方向相同，阻碍磁通的减少。5.4电磁感应1.如图5-4-4所示，将线圈和电流表进行串联；2.将条形磁铁按图（a）所示，匀速插入线圈，观察电流表指针偏转方向；3.将条形磁铁按图（b）所示，保持不动，观察电流表指针偏转方向；4.将条形磁铁按图（c）所示，匀速拔出线圈，观察电流表指针偏转方向。5.将条形磁铁反向，即N上S下，依次重复上述步骤。

5.4电磁感应实践应用实践步骤（a）（b）（c）图5-4-4电磁感应现象实践考核1.记录并给予评分，见表5-6所示。表5-6电磁感应现象实验记录表2.实践应用综合考核，见表5-7所示。表5-7电磁感应现象实验评价表评价内容测试完成情况（30）测试正确情况（30）7S管理（20）小组合作（20）成绩（100）得分

收获

不足磁铁运动情况电流表指针偏转方向（磁铁N下S上）电流表指针偏转方向(磁铁N上S下)

插入线圈

磁铁静止

拔出线圈

5.4电磁感应实践结论从实验现象可知，当磁铁插入或拔出线圈时，电流表（有/无）电流通过，这种现象就是电磁感应现象。

5.4电磁感应

在电磁感应现象中产生的电动势称为感应电动势。产生感应电动势的那部分切割磁感线运动的导线或者磁通量变化的线圈就相当于电源，感应电动势的方向与感应电流的方向一致，仍可用右手定则和楞次定律来判断。

在磁感应强度为的匀强磁场中，长度为的导体以速度做切割磁感应线运动，运动方向与磁感应线方向成角，如图5-4-5所示。

5.4电磁感应5.4.2电磁感应定律图5-4-5B与v不垂直时的感应电动势切割磁感线的导体会产生电动势

，由实验与理论推导可知：

5.4电磁感应5.4.2电磁感应定律（5-9）把线圈在

时间内磁通的改变量

用表示，则感应电动势为：

（5-10）上式表明线圈中感应电动势的大小与穿过线圈的磁通变化率成正比，这个规律称为法拉第电磁感应定律。法拉第电磁感应定律适用于所有的电磁感应现象。

【例题5-1】一根导线的有效长度为0.5m，以200m/s的线速度运动。如果磁感应强度为0.04T，计算以下情况时的感应电动势：（1）导线垂直于磁场；（2）导线与磁场成30°角。

解：（1）当导线垂直于磁场运动时，

（2）当导线与磁场成角运动时，5.4电磁感应5.4.2电磁感应定律5.5互感实践导入如图5-5-1所示电路，将线圈、滑动变阻器、开关通过导线相连，将变阻器的阻值放置在阻值最大状态。观察开关S闭合或者断开时，检流计的指针是否发生变化？开关S闭合或断开的瞬间，检流计指针发生偏转。实验现象实验结论开关闭合或断开时，检流计指针发生偏转，说明线圈II回路中有感应电流。这种现象就是互感现象。5.4电磁感应5.5互感

在两个相邻线圈中，一个线圈的电流随时间变化时导致穿过另一线圈的磁通量发生变化，而在该线圈中出现感应电动势的现象称为互感现象。

互感的大小与线圈的几何尺寸、形状、匝数、导磁材料的导磁性能及两线圈的相对位置有关。这些因素会影响磁通量的变化，由此影响互感的大小。一、互感系数

如图5-5-2所示，

、

分别为两个线圈的匝数。当第一个线圈中有电流

通过时，它所产生的磁通有一部分穿过第二个线圈，这一部分称为互感磁通，表示为

，它在第二个线圈上产生互感磁链

，即

。同样，当第二个线圈有电流

时，它产生的磁通有一部分穿过了第一个线圈，这一部分互感磁通表示为

，它产生互感磁链

。5.5互感互感系数是互感磁链与产生此磁链电流的比值，即

其中，单位为亨(H)。通常互感系数和两个回路的结构、相互位置及磁介质的磁导率有关，而与回路中的电流无关。只有当媒介质为铁磁性材料时，互感系数才与电流有关。图5-5-2互感线圈

（5-11）5.5互感二、互感电动势对于两个靠得很近的线圈，当第一个线圈的电流发生变化时，将在第二个线圈中产生互感电动势

，根据电磁感应定律，可得：

设两线圈的互感系数为常数，将代入上式得：同理，当第二个线圈中电流发生变化时，在第一个线圈中产生互感电动势

为：上式说明，线圈中的互感电动势，是与互感系数和另一线圈中电流的变化率的乘积成正比。互感电动势的方向，可用楞次定律判定。（5-12）（5-13）（5-14）5.5互感三、同名端（一）同名端的定义同名端，是互感线圈之间的电流或电动势相位判别的依据。同名端具体指的是：当两个互感线圈通入电流，所产生的磁通方向相同时，两个线圈的电流流入端称为同名端(又称同极性端)，用“✱”或者“·”表示，反之则为异名端。如图5-5-3所示，对于（a）图电流分别从1、3端流入线圈，此时两电流所产生的磁通互相加强，所以1、3为同名端。同理（b）图中1、4为同名端。（a）(b)图5-5-3同名端的概念5.5互感（二）互感线圈的同名端1.线圈L1和线圈L2绕向相同如图5-5-4(a)所示的两个线圈，当线圈L1中的电流增加时，则所产生的磁通也随之增加，应用右手螺旋定则，磁通方向向右。这时线圈L1中要产生自感电动势，线圈L2中要产生互感电动势。这两种感应电流产生的磁通都与原磁通方向相反，方向均向左，以阻碍的增加。线圈L1中自感电动势的极性A端为正，B端为负，线圈L2中互感电动势的极性C端为正，D端为负。可知，A端与C端、B端与D端的极性相同。

感应电流产生的磁通方向

（a）(b)图5-5-4互感线圈的同名端和绕向关系

5.5互感2.线圈L1和线圈L2绕向相反

如图5-5-4(b)所示的两个线圈，当线圈L1中的电流增加时，则所

产生的磁通也随之增加，应用右手螺旋定则可知，磁通方向向右。这两种感应电流产生的磁通都与原磁通方向相反，方向均向左，以阻碍磁通的增加。

注意：这里的“极性”是指感应电动势的极性，感应电流流出线圈的一端为“+”，感应电流流入线圈的一端为“-”。线圈L1中自感电动势的极性A端为正，B端为负。线圈L2中因为线圈绕向相反，互感电动势的极性D端为正，C端为负，即A与D、B与C的极性相同。

3.结论若图5-5-4(a)所示的线圈L1的随时间而减少，则感应电流产生的磁通与原磁通方向相同，方向向右，以阻碍原磁通的减少。这时L1和L2中的感应电动势的方向都反了过来，但A端与C端、B端与D端的极性仍然相同。

5.5互感

同理，若图5-5-4(b)所示的线圈L2的随时间而减少，则L1和L2中的感应电动势的方向都反了过来，但A端与D端、B端与C端的极性仍然相同。

另外无论电流从哪端流入线圈，上述相应端的极性仍然相同。

因此，互感线圈在电流变化所产生的磁通统一作用下，感应电动势极性相同的端点称为同名端，反之叫做异名端。在标出同名端以后，每个线圈的具体绕法和它们的相对位置就不需要在图上表示出来，图5-5-4(a)就可以画成图5-5-5的形式。那么图