第四章-磁場與電磁感應

第四章磁場與電磁感應§4—1磁場定義：某些物體能夠吸引鐵、鎳、鈷等物質(zhì)，這種性質(zhì)稱為磁性

定義：具有這種磁性的物體稱為磁體磁體分為天然磁體和人造磁體一、磁體及其性質(zhì)磁體兩端磁性最強的部分稱為磁極

指北的磁極稱北極（N）指南的磁極稱南極（S）N極和S極總是成對出現(xiàn)的同名磁極相互排斥磁體周圍的空間中存在著一種特殊的物質(zhì)——磁場磁極之間的作用力是通過磁場進行傳遞的越接近磁極，磁場越強二、磁場與磁感線1.磁場磁感線：在磁場中畫出的一些有方向的曲線2.磁感線磁感線的方向：在磁體外部由N極指向S極在磁體內(nèi)部由S極指向N極磁感線是閉合的均勻磁場定義：電流產(chǎn)生磁場的現(xiàn)象稱為電流的磁效應三、電流的磁場直線電流產(chǎn)生的磁場用右手握住導線，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)繞方向環(huán)形電流產(chǎn)生的磁場用右手握住通電螺線管，讓彎曲的四指所指的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)部磁感線的方向電流所產(chǎn)生磁場的方向可用右手螺旋定則來判斷磁場的應用磁懸浮列車磁懸浮列車的基本原理就是磁極的同性相斥和異性相吸車身磁場和路面磁場產(chǎn)生浮力使車身懸浮車身磁場與推進磁場產(chǎn)生直線作用力，使車身前進§4—2磁場的主要物理量實驗如圖在蹄形磁體兩極所形成的均勻磁場中，懸掛一端導線，讓導線方向與磁場方向保持垂直，導線通電后，可以看到導線因受力而發(fā)生運動一、磁感應強度導線長度（L）電流（I）所受磁場力（F）不變增大變大加長不變變大試驗結(jié)果試驗表明：電流在磁場中所受磁場力的大小，既與導線長度L成正比，又與電流I成正比。精確的試驗還表明：在磁場中同一個地方，比值F/IL是恒定不變的。這個比值是由磁場自身決定的，可以用來表示磁場的強弱。

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的比值稱為該處的磁感應強度，用B表示，即

B=F/IL

磁感應強度單位的名稱是特斯拉，簡稱特，用符號T表示磁感應強度是個矢量，它的方向就是該點磁場方向

設(shè)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。用表示磁通

磁通量的單位是韋伯，簡稱韋，用Wb表示

二、磁通

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

從，可以得,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，用WB/㎡作為單位

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)的導磁性有關(guān)

磁導率就是用來表示媒介質(zhì)的導磁性能的物理量，用表示，其單位為H/m

真空中的磁導率為任一物質(zhì)的磁導率與真空的磁導率的比值稱為相對磁導率三、磁導率

根據(jù)磁導率的大小，可把物質(zhì)分為三類：

順磁物質(zhì)：如空氣、鋁、鉻、鉑等相對磁導率稍大于1

反磁物質(zhì)：如氫、銅等其相對磁導率稍小于1

鐵磁物質(zhì)：如鐵、鈷、鎳、硅鋼、坡莫合金、鐵氧體等，其相對磁導率遠大于1

在真空中，通電線圈磁感應強度的大小

——通電線圈的磁感應強度，

——真空的磁導率，

——線圈的匝數(shù)

——線圈的長度，

——線圈中的電流，A四、磁場強度把圓環(huán)線圈從真空中取出放到相對磁導率為的媒介質(zhì)，磁感應強度的大小引入磁場強度，用表示即：

將

代入可得：

磁場強度的單位為A/m

磁場強度也是一個矢量

上式表明：磁場強度的數(shù)值只與電流的大小及導體的形狀有關(guān)，而與磁場媒介質(zhì)的磁導率無關(guān)

§4—1磁場對電流的作用定義：通電導體在磁場中受到的力稱為電磁力也稱安培力通電直導體在磁場內(nèi)的受力方向可用左手定則判斷左手定則：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平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿入掌心，并使四指指向電流方向，則大拇指所指的方向就是通電導體所受電磁力的方向一、磁場對通電直導體的作用電磁力的計算公式：當時電磁力最大當時電磁力最小二、通電平行直導線間的作用相同方向的電流相互吸引相反方向的電流相互排斥同向電流吸引反向電流排斥三、磁場對通電線圈的作用電動機旋轉(zhuǎn)的原理：在給線圈通入電流時，線圈在N極一側(cè)的部分所受電磁力向下，S極受力向上，線圈順時針轉(zhuǎn)動。通過換向器的作用，電源負極始終與N極一側(cè)的導線相連，電源的正極始終和S極一側(cè)的導線相連。因此線圈可以一直的順時針轉(zhuǎn)動。許多磁電式儀表也是利用磁場對通電線圈作用的原理磁電式儀表轉(zhuǎn)動原理

當線圈平面上磁感線垂直是，電磁轉(zhuǎn)距為零其原因是什么？思考顯像管的工作原理應用在顯像管的頸部套有兩對相互垂直的項圈分別稱為水平偏轉(zhuǎn)線圈和垂直線圈，當兩對線圈中分別流過鋸齒波電流時，由電子槍射出的電子束便會在線圈磁場的作用下從左往右、從上往下偏轉(zhuǎn)，由于熒光屏上光點的位置和亮度是與電視臺發(fā)出的原圖像畫面一一對應的，所以熒光屏上就能中線原圖像。應用霍爾效應如圖所示，磁感應強度為的磁場垂直作用于一塊矩形的半導體薄片，若在、方向通入電流，則在與電流和磁場垂直的方向上便會產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應×××××××××＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－＋＋＋＋－－－－－§4—4鐵磁物質(zhì)

定義：使原來沒有磁性的物質(zhì)具有磁性的過程稱為磁化

只有鐵磁物質(zhì)才能被磁化鐵磁物質(zhì)可以看做是由很多被稱為磁疇的小磁體所組成一、鐵磁物質(zhì)的磁化在無外磁場時，各磁疇的排列是不規(guī)則的，各磁疇的磁化方向不同，產(chǎn)生的磁效應相互抵消，整個鐵磁質(zhì)不呈現(xiàn)磁性。也就是說磁性材料在正常情況下并不對外顯示磁性。只有當磁性材料被磁化以后，它才能對外顯示出磁性。

NSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNS不帶磁性的鐵片被磁化的鐵片二、磁化曲線通常利用電流產(chǎn)生的磁場來使鐵磁物質(zhì)磁化磁化的儀器磁化內(nèi)部原理定義：當一個線圈的結(jié)構(gòu)、形狀、匝數(shù)都已確定時，鐵磁物質(zhì)（鐵心）的B隨H變化的規(guī)律可用B—H曲線來表示，稱為磁化曲線在設(shè)計時，常常是將其工作磁通取在磁化曲線的膝部，以便使鐵心能在未飽和的前提下，充分利用其增磁作用。磁飽和膝部↖↓為了盡可能增強線圈中的磁場，還常將鐵心制成閉合的形狀，使磁感線沿鐵心構(gòu)成回路。思考為什么磁化曲線可以用B—H曲線表示，也可以用—曲線表示三、磁滯回線B的變化落后于H，從而具有剩磁，即磁滯效應每個對應不同的與磁化的歷史有關(guān)剩磁飽和磁感應強度矯頑力鐵心在反復磁化的過程中，由于要不斷克服磁疇慣性將消耗一定的能量，稱為磁滯損耗磁滯回線消除正向剩磁消除反向剩磁四、鐵磁材料的分類名稱磁滯回線特點典型材料及用途硬磁材料

不易磁化不易退磁鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金，適宜作永久磁鐵磁電式電表中的永磁鐵。耳機中的永久磁鐵，永磁揚聲器軟磁材料

易磁化易退磁純鐵，硅鋼坡莫合金(Fe，Ni)，鐵氧體等，適宜作變壓器繼電器、電機、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒矩磁材料

很易磁化很難退磁錳鎂鐵氧體，鋰錳鐵氧體，適宜作存儲元件和二進制的兩個態(tài)應用磁性紀錄器件1.磁頭和磁帶磁頭由三個基本部分組成：環(huán)形鐵心、線圈和工作氣隙。此外還裝有金屬外殼，起磁屏蔽作用。聲音的錄入：聲音信號電流經(jīng)放大后，輸入到磁帶磁頭線圈中，磁頭緊貼磁帶移動，經(jīng)過磁頭工作氣隙的磁帶就被磁化，聲音信號就被紀錄了下來。聲音的播放：與錄入相反，放音磁頭緊貼磁帶移動，產(chǎn)生感應電流，在經(jīng)過放大后送給揚聲器，便可看到重放的聲音。2.磁卡銀行的信用卡表面的黑色磁條上紀錄著銀行代碼、戶頭編號、密碼等數(shù)據(jù)，這些都是利用電磁感應方法寫進去的。實際進行磁化時，是用磁性的有與無表示二進制的0和1。磁性的有無表示二進制的0和1對于所有的磁性材料來說，并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一個臨界溫度Tc，在這個溫度以上，由于高溫下原子的劇烈熱運動，原子磁矩的排列是混亂無序的。在此溫度以下，原子磁矩排列整齊，產(chǎn)生自發(fā)磁化，物體變成鐵磁性的。利用這個特點，人們開發(fā)出了很多控制元件。例如，我們使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里點的特性。電飯鍋的工作原理在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105度的磁性材料。當鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當溫度到達大約105度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源開關(guān)被斷開，停止加熱?！?—5電磁感應電流能產(chǎn)生磁場，那么磁場能否產(chǎn)生電場一、電磁感應現(xiàn)象？法拉第電磁感應實驗實驗表明：

當條形磁鐵迅速的插入和拔出時，檢流計的指針都會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，著說明線圈中有電流。這種利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應現(xiàn)象，產(chǎn)生的電流稱為感應電流，產(chǎn)生感應電流的電動勢稱為感應電動勢。二、楞次定律感應電流產(chǎn)生的磁通總是阻礙原磁通的變化三、法拉第電磁感應定律在上述實驗中，如果改變磁鐵插入和拔出的速度，就會發(fā)現(xiàn)，磁鐵運動越快，指針偏轉(zhuǎn)角越大，反之越小。而磁鐵插入或拔出的速度，反映的是線圈中磁通量的變化速度。因此得出法拉第電磁感應定律：線圈中感應電動勢的大小用表示時間間隔內(nèi)的一個單匝線圈中的磁通量，則一個單匝線圈產(chǎn)生的感應電動勢的大小為如果有N匝，則感應電動勢的大小為四、直導線切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢當導體作切割磁感線運動時，指針偏轉(zhuǎn)。實驗感應電動勢的方向可以用右手定則來判斷右手定則：平伸右手，大拇指與其余四指垂直，讓磁感線穿入掌心，大拇指指向?qū)w運動方向，其余四指所指的方向就是感應電動勢的方向。當導體、導體運動方向和磁感線方向三者相互垂直是，導體中的感應電動勢為：如果導體運動方向與磁感線方向有一個夾角則導體中的感應電動勢為：由上式可知，當導體的運動方向與磁感線垂直時，導體中的感應電動勢最大。當導體運動方向與磁感線平行時，導體中感應電動勢為零?！纠?-1】如圖在磁感應強度為B的均勻磁場中，有一長度為的直導體AB，可沿平行導電軌道滑行。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(jié)果相同。（2）設(shè)導體在時間內(nèi)左移距離為d則導電回路中磁通的變化量為所以感應電動勢§4—6自感一、自感現(xiàn)象實驗電路圖1（2）實驗演示現(xiàn)象：在閉合開關(guān)S的瞬間，燈1立刻正常發(fā)光．而燈2卻是逐漸從暗到明，要比燈1遲一段時間正常發(fā)光．

為什么會出現(xiàn)這個現(xiàn)象呢?原因分析：

由于線圈L自身的磁通量增加，而產(chǎn)生了自應電動勢，這個感應電動勢總是阻礙磁通量的變化，即阻礙線圈中電流的變化，故通過與線圈串聯(lián)的燈泡的電流不能立即增大到最大值，它的亮度只能慢慢增加。實驗電路2現(xiàn)象：

燈沒有隨開關(guān)S的斷開而馬上熄而是逐漸變暗．燈沒有隨開關(guān)的斷開而馬上熄，而且還看到燈明顯閃亮了一下．請分析原因（2）分析：斷電前通過A燈的電流是由電源提供的，根據(jù)電路中并聯(lián)規(guī)律可知，線圈L的電阻由于很小，故電路中的電流大部分流過線圈L，有IL＞IA，斷電后，線圈L由于自感作用，將阻礙自身電流的減小，結(jié)果線圈中的電流IL反向流過燈A，然后逐漸減弱，所以有燈閃亮一下再熄滅的現(xiàn)象出現(xiàn)．自感現(xiàn)象：由于導體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應現(xiàn)象。

自感電動勢：在自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應電動勢。

上述現(xiàn)象屬于一種特殊的電磁感應現(xiàn)象，發(fā)生電磁感應的原因是由于通過導體本身的電流發(fā)生變化而引起磁通量變化。

二、自感系數(shù)自感電流產(chǎn)生的磁通稱為自感磁通自感系數(shù)（簡稱電感）在數(shù)值上等于一個線圈中通過單位電流所產(chǎn)生的自感磁通。用表示

為線圈匝數(shù)為每一個匝線圈的自感磁通的單位是亨利，簡稱亨，用表示。常用單位毫亨（）微亨（）線圈的電感是由線圈自身的特征決定的：（1）線圈越長，電感越大（2）單位長度上的匝數(shù)越多，電感越大（3）截面積越大，電感越大（4）有鐵心的比空心的電感大電感為常數(shù)的線圈為線性電感電感不為常數(shù)的線圈稱為非線性電感三、自感電動勢自感現(xiàn)象是電磁感應現(xiàn)象的一種特殊情況，也遵循法拉第電磁感應定律。把代入可得自感電動勢大小的計算公式：四、電流的過渡過程串聯(lián)電路如圖，在開關(guān)剛剛閉合時，電流不可能一下子由零變到穩(wěn)定值，而是逐漸增大。當斷開電源時，電流也是逐漸消失。這說明具有電感的電路中，電流不能發(fā)生突變，存在過渡過程。過渡的快慢與L和R的大小有關(guān)。時間常數(shù)越小，過渡過程越快應用渦流在具有鐵心的線圈中通入交流電時，就有交變的磁場穿過鐵心，在鐵心內(nèi)部必然會形成感應電流。由于這種電流在鐵心中自成閉合磁路，形如旋渦，故稱渦流。渦流的應用——電磁爐當加熱線圈中通入頻率很高的交變電流時，就會產(chǎn)生交變磁場，磁感線穿過鐵磁材料制成的鍋底產(chǎn)生渦流，鍋就被加熱了?！?—7互感一、互感現(xiàn)象和互感電動勢實驗如圖，在開關(guān)電源和改變阻值時，檢流計的指針都發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。定義：我們把這種由一個線圈中的電流發(fā)生變化而在另一個線圈中產(chǎn)生電磁感應的現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象。簡稱互感。由互感產(chǎn)生的電動勢稱為互感電動勢用表示影響互感電動勢的大小的因素：（1）第一個線圈中電流變化率的大?。?）兩個線圈的結(jié)構(gòu)（3）兩個線圈的位置關(guān)系兩個線圈相互垂直時互感電動勢最小兩個線圈相互平行時且第一個的磁通變化全部影響到第二個線圈，稱為全耦合，互感電動勢最大。M為互感電動勢單位H二、互感線圈的同名端我們把由于線圈繞向一致而產(chǎn)生感應電動勢的極性始終保持一致的端子稱為線圈的同名端，用“﹡”和“·”表示。應用如何避免互感一是：將兩個線圈垂直放置二是：安裝磁避器鐵磁質(zhì)的高磁導率說明它是磁感線的通道。因此，將鐵磁材料制作成厚的空殼狀，當殼外有磁場時，鐵磁質(zhì)就將絕大部分磁感線（