第二章磁場與電磁感應

.,第二章磁場與電磁感應,信息工程系韓善海,.,目錄,2-1磁場1.磁場；2.磁感線；3.磁感應強度；4.磁通；5.磁導率；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1.電磁感應現(xiàn)象；2.感應電動勢；3.自感；4.渦流；5.互感；,.,&2-1磁場,學習目標1.會應用右手螺旋定則確定通電長直導線和通電螺線管的磁場方向。2.理解磁感應強度、磁通、磁導率的概念。3、了解鐵磁材料的分類和應用。4、會應用左手定則判斷通電導體在磁場中所受電磁力的方向。,.,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線平行地移近一磁針上方時，磁針立即發(fā)生偏轉。上述現(xiàn)象說明，電流周圍存在著磁場。,.,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。,.,實驗表明，各種不同形狀的磁體或通電導線產(chǎn)生的磁感線是不同的。,.,通電長直導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。,.,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。,.,三、磁感應強度磁場的強弱用磁感應強度（B）表示。它的大小是這樣定義的：讓1m長的導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，則導線所處的磁場的磁感應強度為1特斯拉（T).磁感應強度在磁場中，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，用B表示，單位為特斯拉，簡稱特（T）。,.,磁感應強度是個矢量，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，磁感應強度越大，磁場越強。磁場越強，磁感應強度越大；磁場越弱，則磁感應強度越小。普通永磁體磁極附近的磁感應強度一般在0.4-0.7T，電動機和變壓器鐵芯中心的磁感應強度為0.8-1.4T，地面附近地磁場的磁感應強度只有0.00005T。,.,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。磁通設在磁感應強度為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，用表示。=BS磁通的單位是韋伯（Wb），簡稱韋。,.,如果磁場不與所討論的平面垂直，則應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。,.,從=BS，可得這表示磁感應強度等于穿過單位面積的磁通，所以磁感應強度又稱磁通密度，并且用Wb/m2作單位。,.,五、磁導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)的導磁性能有關。磁導率就是一個用來表示媒介質(zhì)導磁性能的物理量，用表示，其單位為H/m。由實驗測得真空中的磁導率0=410-7H/m，為一常數(shù)。,.,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)的磁導率與真空的磁導率的比值稱作相對磁導率，用r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)中的磁感應強度是真空中磁感應強度的多少倍。,.,根據(jù)相對磁導率的大小，可把物質(zhì)分為三類：（1）順磁物質(zhì)相對磁導率稍大于1。如空氣、鋁、鉻、鉑等。（2）反磁物質(zhì)相對磁導率稍小于1。如氫、銅等。（3）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。,.,根據(jù)不同的特點，可把鐵磁材料分為三類：,.,&2-2磁場的電流的作用,學習目標1.會應用左手定則判斷通電導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用。,.,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體所受電磁力的方向。,.,一個垂直于磁場的通電直導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-磁感應強度，T；I-電流，A；L-導線長度，m.如果通電導線與磁場不垂直，則磁場對電流的作用力比垂直時要??；如果兩者平行，則作用力為零。,.,如果電流方向與磁場方向不垂直，而是有一個夾角，這時通電導線的有效長度為lsin。電磁力的計算式變?yōu)镕=BIlsin,.,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構圖。它主要由定子繞組或稱勵磁繞組（或永磁磁極）、轉子、電刷、和換向器等組成。,I,.,線圈的旋轉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極一側的部分所受電磁力向下，在S極一側的部分所受的電磁力相上，線圈按順時針方向轉動，這時線圈所產(chǎn)生的轉矩最大。當線圈平面與磁感線垂直時，電磁轉矩為零，但線圈靠慣性仍繼續(xù)轉動。通過換向器的作用，與電源負極相連的電刷A始終與轉到N極一側的導線相連，電流方向恒為由A流出線圈；與電源正極相連的電刷B始終與轉到S極一側的導線相連，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。,.,&2-3電磁感應,學習目標1.理解感應電動勢的概念，會應用右手定則確定感應電動勢的方向。2.了解楞次定律、法拉第電磁感應定律。3.理解發(fā)電機的工作原理。4.了解自感和互感的應用，會判斷互感線圈的同名端。5.了解渦流的利與害。,.,一、電磁感應現(xiàn)象在上圖所示實驗中，當導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。說明導體回路中有電流通過。而當導體平行于磁感線方向運動時，檢流計指針不偏轉，說明導體回路中不產(chǎn)生電流。,.,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；如果條形磁鐵在線圈內(nèi)靜止不動，檢流計指針不偏轉；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。上述兩實驗說明：當導體做切割磁感線運動或者線圈中的磁通發(fā)生變化時，在導體或線圈中都會產(chǎn)生感應電動勢。若導體或線圈構成閉合回路，則導體或線圈中將有電流流過。,.,二、感應電動勢1.直導體中的感應電動勢（1）感應電動勢的方向做切割磁感線運動的導體產(chǎn)生的感應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，使拇指指向導體運動方向，四指所指的方向就是感應電動勢的方向（或感應電流的方向），如下圖所示。,.,注意：1、判斷感應電動勢方向時，要把導體看成是一個電源。2、在導體內(nèi)部，感應電動勢的方向是由負極指向正極。3、感應電流的方向與感應電動勢的方向相同。4、如果直導體不形成閉合回路時，導體中只產(chǎn)生感應電動勢，而無感應電流。,.,（2）感應電動勢的大小當導體、導體運動方向和磁感線方向三者互相垂直時，導體中的感應電動勢為：e=Blv如果導體運動方向與磁感線方向有一夾角，則導體中的感應電動勢為e=Blvsin,.,當導體的運動方向與磁感線垂直時,導體中感應電動勢最大；當導體的運動方向與磁感線平行時，導體中感應電動勢為零。例題如下圖所示，在磁感應強度為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，試確定導體中感應電動勢的方向和大小。,.,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，導體中感應電動勢的方向是B端為正，A端為負。用右手定則判斷，結果相同。（2）設導體在t時間內(nèi)左移距離為d，則導電回路中磁通的變化量為=BS=Bld=Blvt,.,發(fā)電機就是應用導線切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢的原理發(fā)電的，實際應用中，將導線做成線圈，使其在磁場中轉動，從而得到連續(xù)的電流。,.,2、線圈中的感應電動勢（1）感應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)生感應電動勢。感應電動勢的方向通常由楞次定律再結合右手螺旋定則來確定。楞次定律指出：感應電流的磁場總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。當引起感應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，直導體中的感應電動勢的方向也可用楞次定律判定。,.,（2）感應電動勢的大小在上圖試驗中，磁鐵插入或拔出的速度越快，指針偏轉角度越大，反之越小。而磁鐵插入或拔出的速度，反應的是線圈中磁通量變化的速度。即線圈中感應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定律。,.,用表示時間間隔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)生的感應電動勢的大小為如果線圈是N匝，則感應電動勢的大小為：？,.,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，HL2比HL1亮的慢,斷開開關，燈泡閃亮一下才熄滅,.,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。,.,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（H）。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。,.,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)的磁導率有關，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。,.,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，采用高頻電爐來冶煉金屬或加熱鍛件。,.,電源變壓器的鐵心總是由多層組成，并用薄層絕緣材料將各層隔開，以減小渦流損耗。,.,四、互感1、互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象是另一個特殊的電磁感應現(xiàn)象：當一個回路中的電流發(fā)生變化時，將引起附近其他回路的磁通量發(fā)生變化，從而在回路里產(chǎn)生感應電動勢。,在開關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。這是因為，當線圈A中的電流發(fā)生變化時，通過線圈的磁通也發(fā)生變化，該磁通的變化必然又影響線圈B，使線圈B中產(chǎn)生感應電動勢和感應電流。,.,2.互感電動勢的大小和方向式中N2-發(fā)生互感現(xiàn)象的線圈匝數(shù)；12-在