第二章磁場與電磁感應(yīng)VIP

.,第二章磁場與電磁感應(yīng),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(yīng)強(qiáng)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(dòng)機(jī)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(dòng)勢；3.自感；4.渦流；5.互感；,.,&2-1磁場,學(xué)習(xí)目標(biāo)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(qiáng)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。,.,一、磁場當(dāng)兩個(gè)磁極靠近時(shí)，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(gè)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(dāng)把一根水平放置的通電導(dǎo)線平行地移近一磁針上方時(shí)，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。,.,二、磁感線在玻璃板上均勻地撒一層細(xì)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(dòng)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(qiáng)。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(diǎn)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(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁場方向，也就是放在該點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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。,.,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。,.,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(yīng)強(qiáng)度磁場的強(qiáng)弱用磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度為1特斯拉（T).磁感應(yīng)強(qiáng)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）。,.,磁感應(yīng)強(qiáng)度是個(gè)矢量，它的方向就是該點(diǎn)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(qiáng)度的大小。在同一個(gè)磁場的磁感線分布圖上，磁感線越密的地方，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，磁場越強(qiáng)。磁場越強(qiáng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大；磁場越弱，則磁感應(yīng)強(qiáng)度越小。普通永磁體磁極附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在0.4-0.7T，電動(dòng)機(jī)和變壓器鐵芯中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.8-1.4T，地面附近地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)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(shè)在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場中，有一個(gè)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(gè)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(yīng)以這個(gè)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(shí)，如果通過該面積的磁感線越多，則磁通越大，磁場越強(qiáng)。這一概念在電氣工程上有極其重要的意義，如變壓器、電動(dòng)機(jī)、電磁鐵等就是通過盡可能地減小漏磁通，增強(qiáng)一定鐵心截面下的磁場強(qiáng)度來提高其工作效率的。,.,從=BS，可得這表示磁感應(yīng)強(qiáng)度等于穿過單位面積的磁通，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱磁通密度，并且用Wb/m2作單位。,.,五、磁導(dǎo)率如果用一個(gè)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(gè)用來表示媒介質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量，用表示，其單位為H/m。由實(shí)驗(yàn)測得真空中的磁導(dǎo)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(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率的比值稱作相對磁導(dǎo)率，用r表示，即：相對磁導(dǎo)率只是一個(gè)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(qiáng)度是真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度的多少倍。,.,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(yuǎn)大于1，其可達(dá)幾百甚至數(shù)萬以上，且不是一個(gè)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(diǎn)，可把鐵磁材料分為三類：,.,&2-2磁場的電流的作用,學(xué)習(xí)目標(biāo)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(dòng)機(jī)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。,.,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(gè)手指垂直，并且都跟手掌在同一個(gè)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。,.,一個(gè)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(qiáng)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(shí)要小；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(gè)夾角，這時(shí)通電導(dǎo)線的有效長度為lsin。電磁力的計(jì)算式變?yōu)镕=BIlsin,.,二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理利用磁場對電流的作用，人們制成了電動(dòng)機(jī)。圖即為直流電動(dòng)機(jī)的原理圖及結(jié)構(gòu)圖。它主要由定子繞組或稱勵(lì)磁繞組（或永磁磁極）、轉(zhuǎn)子、電刷、和換向器等組成。,I,.,線圈的旋轉(zhuǎn)方向可按左手定則判斷，當(dāng)線圈平面與磁感線平行時(shí)，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(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)線圈所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。當(dāng)線圈平面與磁感線垂直時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，但線圈靠慣性仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過換向器的作用，與電源負(fù)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(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。,.,&2-3電磁感應(yīng),學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解感應(yīng)電動(dòng)勢的概念，會應(yīng)用右手定則確定感應(yīng)電動(dòng)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(jī)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。,.,一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象在上圖所示實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)導(dǎo)體垂直于磁感線在水平方向作切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以明顯地觀察到檢流計(jì)指針有偏轉(zhuǎn)。說明導(dǎo)體回路中有電流通過。而當(dāng)導(dǎo)體平行于磁感線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，檢流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)，說明導(dǎo)體回路中不產(chǎn)生電流。,.,在上圖所示實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)用一塊條形磁鐵快速插入線圈時(shí)，會觀察到檢流計(jì)指針向一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)；如果條形磁鐵在線圈內(nèi)靜止不動(dòng)，檢流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)；再將條形磁鐵由線圈中迅速拔出時(shí)，又會觀察到檢流計(jì)指針向另一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)。上述兩實(shí)驗(yàn)說明：當(dāng)導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)或者線圈中的磁通發(fā)生變化時(shí)，在導(dǎo)體或線圈中都會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)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。,.,二、感應(yīng)電動(dòng)勢1.直導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢（1）感應(yīng)電動(dòng)勢的方向做切割磁感線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向，四指所指的方向就是感應(yīng)電動(dòng)勢的方向（或感應(yīng)電流的方向），如下圖所示。,.,注意：1、判斷感應(yīng)電動(dòng)勢方向時(shí)，要把導(dǎo)體看成是一個(gè)電源。2、在導(dǎo)體內(nèi)部，感應(yīng)電動(dòng)勢的方向是由負(fù)極指向正極。3、感應(yīng)電流的方向與感應(yīng)電動(dòng)勢的方向相同。4、如果直導(dǎo)體不形成閉合回路時(shí)，導(dǎo)體中只產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，而無感應(yīng)電流。,.,（2）感應(yīng)電動(dòng)勢的大小當(dāng)導(dǎo)體、導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向和磁感線方向三者互相垂直時(shí)，導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢為：e=Blv如果導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與磁感線方向有一夾角，則導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢為e=Blvsin,.,當(dāng)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向與磁感線垂直時(shí),導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢最大；當(dāng)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向與磁感線平行時(shí)，導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢為零。例題如下圖所示，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)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(dòng)。當(dāng)導(dǎo)體以速度v向左勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，試確定導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢的方向和大小。,.,解：（1）導(dǎo)體向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)勢的方向是B端為正，A端為負(fù)。用右手定則判斷，結(jié)果相同。（2）設(shè)導(dǎo)體在t時(shí)間內(nèi)左移距離為d，則導(dǎo)電回路中磁通的變化量為=BS=Bld=Blvt,.,發(fā)電機(jī)就是應(yīng)用導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的原理發(fā)電的，實(shí)際應(yīng)用中，將導(dǎo)線做成線圈，使其在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)，從而得到連續(xù)的電流。,.,2、線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢（1）感應(yīng)電動(dòng)勢的方向線圈中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。感應(yīng)電動(dòng)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(dāng)引起感應(yīng)電流的磁通量增大時(shí)，感生電流的磁場與原電流的磁場方向相反；當(dāng)引起感應(yīng)電流的磁通量減小時(shí)，感生電流的磁場與原電流的磁場方向相同。實(shí)際上，直導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢的方向也可用楞次定律判定。,.,（2）感應(yīng)電動(dòng)勢的大小在上圖試驗(yàn)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(dòng)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。,.,用表示時(shí)間間隔t內(nèi)一個(gè)單匝線圈中的磁通變化量，則一個(gè)單匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的大小為如果線圈是N匝，則感應(yīng)電動(dòng)勢的大小為：？,.,三、自感1、自感現(xiàn)象當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這個(gè)電動(dòng)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,.,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(dāng)流過線圈的電流發(fā)生變化時(shí)，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(dòng)勢。2、自感電動(dòng)勢的方向自感電動(dòng)勢的方向可結(jié)合楞次定律和右手螺旋定則來確定。當(dāng)原來的電流增大時(shí)，自感電動(dòng)勢與產(chǎn)生電流的電流電動(dòng)勢方向相反；當(dāng)原來的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢與產(chǎn)生電流的電源電動(dòng)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(gè)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(dòng)勢的大小自感電動(dòng)勢的計(jì)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(shí)間里，穿過回路磁通量的變化量；i-在t時(shí)間時(shí)，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(shí)，就有交變的磁場闖過鐵心，這時(shí)會在鐵心內(nèi)部產(chǎn)生自感電動(dòng)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。,.,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(gè)特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象：當(dāng)一個(gè)回路中的電流發(fā)生變化時(shí)，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(yīng)電動(dòng)勢。,在開關(guān)SA閉合或斷開瞬間以及改變RP的阻值，檢流計(jì)的指針都會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這是因?yàn)椋?dāng)線圈A中的電流發(fā)生變化時(shí)，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(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流。,.,2.互感電動(dòng)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