磁場(chǎng)及其基本物理量

關(guān)于磁場(chǎng)及其基本物理量

授課日期 班次 授課時(shí)數(shù)

2

課題：第三章磁與電磁

3.1磁場(chǎng)及其基本物理量

3.2電磁感應(yīng)教學(xué)目的：了解磁場(chǎng)的基本概念；理解磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁通勢(shì)、磁導(dǎo)率和磁場(chǎng)強(qiáng)度的概念；理解電磁感應(yīng)定律及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的公式重點(diǎn)：磁場(chǎng)中的基本概念；電磁感應(yīng)定律及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的公式 難點(diǎn)： 與重點(diǎn)相同教具： 多媒體作業(yè)：P74：3.4；3.5自用參考書：《電路》丘關(guān)源著

教學(xué)過(guò)程：由案例3.1的分析引入本次課第三章磁與電磁

3.1磁場(chǎng)及其基本物理量

3.1.1磁場(chǎng)

3.1.2磁場(chǎng)中的基本物理量

3.2電磁感應(yīng)由案例3.2的分析引入電磁感應(yīng)

1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象2.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

3.例題分析

課后小計(jì)：第2頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．1磁場(chǎng)及其基本物理量

3．1．1磁場(chǎng)

案例3．1在日常學(xué)習(xí)、生活中，我們大家使用較多的電器：收錄兩用機(jī)。收錄機(jī)用于記錄聲音的器件是磁頭和磁帶。磁頭由環(huán)形心、繞在鐵心兩側(cè)的線圈和工作氣隙組成。環(huán)形鐵心由軟磁材料制成。收錄機(jī)中的磁頭包括錄音磁頭和放音磁頭。聲音的錄音原理利用了磁場(chǎng)的特點(diǎn)與性質(zhì)，首先將聲音變成電信號(hào)，然后將電信號(hào)記錄在磁上；放音原理同樣利用磁場(chǎng)的特點(diǎn)與性質(zhì)，再將記錄在磁帶上的電信號(hào)變換成聲音播放出來(lái)。1．磁體與磁感線

將一根磁鐵放在另一根磁鐵的附近，兩根磁鐵的磁極之間會(huì)產(chǎn)生互相作用的磁力，同名磁極互相排斥，異名磁極互相吸引。磁極之間相互作用的磁力，是通過(guò)磁極周圍的磁場(chǎng)傳遞的。磁極在自己周圍空間里產(chǎn)生的磁場(chǎng)，對(duì)處在它里面的磁極均產(chǎn)生磁場(chǎng)力的作用。第3頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天

磁場(chǎng)可以用磁感線來(lái)表示，磁感線存在于磁極之間的空間中。磁感線的方向從北極出來(lái)，進(jìn)入南極，磁感線在磁極處密集，并在該處產(chǎn)生最大磁場(chǎng)強(qiáng)度，離磁極越遠(yuǎn)，磁感線越疏。2．磁場(chǎng)與磁場(chǎng)方向判定

磁鐵在自己周圍的空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，通電導(dǎo)體在其周圍的空間也產(chǎn)生磁場(chǎng)。條形磁鐵周圍的磁場(chǎng)方向如圖3．2所示。通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖3．3所示，磁感線（磁場(chǎng)）方向可用安培定則（也叫右手螺旋法則）來(lái)判定。通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖3．4所示，磁感線是一些圍繞線圈的閉合曲線，其方向也可用安培定則來(lái)判定。3．1．1磁場(chǎng)圖3．2條形磁鐵的磁感線第4頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天

磁通量Φ的單位為韋伯(Wb)，工程上有時(shí)用麥克斯韋(Mx)。1Wb＝10Mx。

3．磁導(dǎo)率μ

磁導(dǎo)率是一個(gè)用來(lái)表示磁場(chǎng)媒質(zhì)磁性的物理量,也就是用來(lái)衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量。2．磁通量Φ磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場(chǎng)方向的面積A的乘積，稱為通過(guò)該面積的磁φ。即3．1．2磁場(chǎng)中的基本物理量或圖3．3通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)圖3．4通電線圈的磁場(chǎng)第5頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．1．2磁場(chǎng)中的基本物理量1．磁感應(yīng)強(qiáng)度B

磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表征磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量?？捎么鸥芯€的疏密程度來(lái)表示，磁感線的密集度稱為磁通密度。在磁感線密的地方磁感應(yīng)強(qiáng)度大，在磁感線疏的地方磁感應(yīng)強(qiáng)度小。其大小定義為

式中，為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為特斯拉(T)，工程上常采用高(Gs)。1Gs=10T。

3．1．1磁場(chǎng)

其他任一媒質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率的比值稱為相對(duì)磁導(dǎo)率，用表示，即

或

真空中的磁導(dǎo)率是一個(gè)常數(shù)，用μ0表示，即

μ0＝4π×10-7H/m第6頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．1．2磁場(chǎng)中的基本物理量5．磁場(chǎng)強(qiáng)度H此式H的單位為安／米(A／m)。

在磁場(chǎng)中，各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小只與電流的大小和導(dǎo)體的形狀有關(guān)，而與媒質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。H的方向與B相同，在數(shù)值上3．2電磁感應(yīng)

案例3．2

現(xiàn)代社會(huì)，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，我們都離不開(kāi)電能，而我們使用的電能是如何產(chǎn)生的？交流發(fā)電機(jī)是電能生產(chǎn)的關(guān)鍵部件，而交流發(fā)電機(jī)就是利用電磁感應(yīng)原理來(lái)發(fā)出交流電的。

1．電磁感應(yīng)現(xiàn)象

在如圖3．5（a）所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，放置一根導(dǎo)線AB，導(dǎo)線AB的兩端分別與靈敏電流計(jì)的兩個(gè)接線柱相連接，形成閉合回路。當(dāng)導(dǎo)線AB在磁場(chǎng)中垂直磁感線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，表明由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生了電流。如圖3．5（b）所示，將磁鐵插入線圈，或從線圈抽出時(shí)，同樣也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

第7頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．2電磁感應(yīng)

也就是說(shuō)，只要與導(dǎo)線或線圈交鏈的磁通發(fā)生變化（包括方向、大小的變化），就會(huì)在導(dǎo)線或線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與外電路相接，形成閉合回路時(shí)，回路中就有電流通過(guò)。這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。2．感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

如果導(dǎo)線在磁場(chǎng)中，做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)線中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其大小為

當(dāng)導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向與與導(dǎo)線本身垂直，而與磁感線方向成角時(shí)，導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為：

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可用右手定則判定：伸開(kāi)右手，讓拇指與其余四指垂直，讓磁感線垂直穿過(guò)手心，拇指指向?qū)w的運(yùn)動(dòng)方向，四指所指的就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。如圖3．6（a）所示。

第8頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．2電磁感應(yīng)圖3．5電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)第9頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．2電磁感應(yīng)

將磁鐵插入線圈，或從線圈抽出時(shí)，導(dǎo)致磁通的大小發(fā)生變化，根據(jù)法拉第定律：當(dāng)與線圈交鏈的磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈交鏈的磁通變化率成正比。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為[e是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位為伏（V）。]

如果線圈有N匝，而且磁通全部穿過(guò)N匝線圈，則與線圈相交鏈的總磁通為，稱為磁鏈，用“”表示，單位還是。則線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與其產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向相同。3．感應(yīng)電流

當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果導(dǎo)體與外電路形成閉合回路，就會(huì)在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的方向與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向相同，也可用右手定則來(lái)判定：感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通總是阻礙原磁通的變化。第10頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．2電磁感應(yīng)圖3．6感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流方向的判斷第11頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．2電磁感應(yīng)

例3．2在一個(gè)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)里，放一個(gè)面積為的線圈，其匝數(shù)為500匝。在0.1s內(nèi)，把線圈從平行于磁感線的方向轉(zhuǎn)過(guò)，變成與磁感線方向垂直。求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值。

解：在時(shí)間0.1s里，線圈轉(zhuǎn)過(guò)，穿過(guò)它的磁通是從0變成：在這段時(shí)間內(nèi)，磁通量的平均變化率：

圖3．7第12頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天

如圖3．6所示，將磁鐵插入線圈，或從線圈抽出時(shí)，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通總是阻礙線圈中原磁通的變化。3．2電磁感應(yīng)

例3．1

在圖3．7中，設(shè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0．1T，切割磁感線的導(dǎo)線長(zhǎng)度為40cm，向右勻速運(yùn)動(dòng)的速度為5m/s，整個(gè)線框的電阻為0．5，求：（1）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大?。?）感應(yīng)電流的大小和方向解：（1）線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為（2）線圈中的感應(yīng)電流為利用楞次定律或右手定則，可以確定出線圈中感應(yīng)電流的方向是沿abcd方向。

第13頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天根據(jù)電磁感應(yīng)定律：3．2電磁感應(yīng)例3．3

如果將一個(gè)線圈按圖3．8所示，放置在磁鐵中，讓其在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，試判斷線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。并分析由此可以得出什么結(jié)論？解：根據(jù)右手定則判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，如圖示。若將線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從線圈兩端引出，我們便獲得了一個(gè)交變的電壓，這就是發(fā)電機(jī)的原理。圖3.8第14頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天

授課日期 班次 授課時(shí)數(shù)

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課題：3.3自感與互感教學(xué)目的：了解自感現(xiàn)象和互感現(xiàn)象及應(yīng)用；了解互感電動(dòng)勢(shì)重點(diǎn)：互感現(xiàn)象的產(chǎn)生及應(yīng)用難點(diǎn)： 與重點(diǎn)相同教具： 多媒體作業(yè)：P74：3.6自用參考書：《電路》丘關(guān)源著

教學(xué)過(guò)程：一、復(fù)習(xí)提問(wèn)

1.通過(guò)做教材P74：3.1題來(lái)復(fù)習(xí)磁場(chǎng)及其基本概念

2.電磁感應(yīng)定律及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的公式二、新授：3.3自感與互感

3.3.1自感

1.自感現(xiàn)象與自感電動(dòng)勢(shì)

2.自感現(xiàn)象的應(yīng)用與危害

3.3.2互感——由案例3.3引入互感

1.互感現(xiàn)象2.互感系數(shù)3.互感電動(dòng)勢(shì)課后小計(jì)：第15頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．3自感與互感3．3．1自感1．自感現(xiàn)象與自感電動(dòng)勢(shì)自感現(xiàn)象是電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的一種特殊情形。這種由于流過(guò)線圈本身電流變化引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為自感現(xiàn)象。這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為自感電動(dòng)勢(shì)。

當(dāng)電流流過(guò)回路時(shí)，在回路內(nèi)要產(chǎn)生磁通，此磁通稱為自感磁通，用符號(hào)表示。當(dāng)電流流過(guò)匝數(shù)為N的線圈時(shí)，線圈的每一匝都有自感磁通穿過(guò)，如果穿過(guò)線圈每一匝的磁通都一樣，那么，這個(gè)線圈的自感磁鏈為

為了表明各個(gè)線圈產(chǎn)生自感磁鏈的能力，將線圈的自感磁鏈與電流的比值叫做線圈（或回路）的自感系數(shù)（或叫自感量），簡(jiǎn)稱電感，用符號(hào)L表示，即第16頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．3．1自感

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可以寫出自感電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為將代入，得即2．自感現(xiàn)象的應(yīng)用與危害

自感現(xiàn)象在各種電器設(shè)備和無(wú)線電技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用，日光燈的鎮(zhèn)流器就是利用線圈自感現(xiàn)象的一個(gè)例子。自感現(xiàn)象的危害：在大型電動(dòng)機(jī)的定子繞組中，定子繞組的自感系數(shù)很大,而且定子繞組中流過(guò)的電流又很強(qiáng)，當(dāng)電路被切斷的瞬間，由于電流在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生很大的變化，會(huì)產(chǎn)生很高的自感電動(dòng)勢(shì)，在斷開(kāi)處形成電弧,這不僅會(huì)燒壞開(kāi)關(guān)，甚至危及工作人員的安全。因此，切斷這類電路時(shí)必須采用特制的安全開(kāi)關(guān)。第17頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．3．2互感

案例3．3：變壓器是利用互感現(xiàn)象制成的一種電氣設(shè)備,在電力系統(tǒng)和電子線路中廣泛應(yīng)用。大家收錄機(jī)常用的穩(wěn)壓電源，就是變壓器的一種。

1．互感現(xiàn)象由于一個(gè)線圈流過(guò)電流所產(chǎn)生的磁通，穿過(guò)另一個(gè)線圈的現(xiàn)象，叫磁合。由于此線圈電流變化引起另一線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象,稱為互感現(xiàn)象。產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫互感電動(dòng)勢(shì)。

2．互感系數(shù)在兩個(gè)有磁耦合的線圈中，互感磁鏈與產(chǎn)生此磁鏈的電流比值，叫做這兩個(gè)線圈的互感系數(shù)（或互感量），簡(jiǎn)稱互感，用符號(hào)M表示，即互感系數(shù)的單位和自感系數(shù)一樣，也是H。

互感系數(shù)取決于兩個(gè)耦合線圈的幾何尺寸、匝數(shù)、相對(duì)位置和磁介質(zhì)。當(dāng)磁介質(zhì)為非鐵磁性物質(zhì)時(shí)，M是常數(shù)。第18頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．3．2互感工程上常用耦合系數(shù)表示兩個(gè)線圈磁耦合的緊密程度，耦合系數(shù)定義為顯然，。當(dāng)k近似為1時(shí)，為強(qiáng)耦合，當(dāng)k接近于零時(shí)，為弱耦合，當(dāng)k＝1時(shí)，稱兩個(gè)線圈為全耦合，此時(shí)自感磁通全部為互感磁通。3．互感電動(dòng)勢(shì)

在圖3．13（a）中，當(dāng)線圈Ⅰ中的電流變化時(shí)，在線圈Ⅱ中產(chǎn)生變化的互感磁鏈Ψ21，而Ψ21的變化將在線圈Ⅱ中產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)eM2。如果選擇電流i1與Ψ21的參考方向以及eM2與Ψ21的參考方向都符合右手螺旋定則時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，得

同理，在圖3．13（b）中，當(dāng)線圈Ⅱ中的電流i2變化時(shí)，在線圈Ⅰ中也會(huì)產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)eM1,當(dāng)i2與Ψ12以及Ψ12與eM1的參考方向均符合右手螺旋定則，則有第19頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．3．2互感圖3．13線圈中的互感電動(dòng)勢(shì)第20頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天

授課日期 班次 授課時(shí)數(shù)

2

課題：3.4同名端的意義及其測(cè)定教學(xué)目的：理解同名端的概念；掌握同名端的判別方法及互感線圈的串聯(lián)重點(diǎn)：同名端的概念及判別方法；互感線圈的串聯(lián)難點(diǎn)： 與重點(diǎn)相同教具： 多媒體作業(yè)：P74：3.7自用參考書：《電路》丘關(guān)源著

教學(xué)過(guò)程：一、復(fù)習(xí)提問(wèn)

1.自感與互感的產(chǎn)生

2.自感與互感的應(yīng)用二、新授：由案例3.4引入同名端——3.4同名端的意義及其測(cè)定

1.互感線圈的同名端

2.同名端的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

3.具有互感的線圈串聯(lián)課后小計(jì)：第21頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天案例3．4

某變壓器的一次繞組由兩個(gè)匝數(shù)相等、繞向一致的繞組組成，如圖3．14（a）中繞組1－2和3－4。如每個(gè)繞組額定電壓為110V，則當(dāng)電源電壓為220V時(shí)，應(yīng)把兩個(gè)繞組串聯(lián)起來(lái)使用，如（b）圖所示接法；如電源電壓為110V時(shí)，則應(yīng)將它們并聯(lián)起來(lái)使用，如（c）圖接法。當(dāng)接法正確時(shí)，則兩個(gè)繞組所產(chǎn)生的磁通方向相同，它們?cè)阼F心中互相疊加。如接法錯(cuò)誤，則兩個(gè)繞組所產(chǎn)生的磁通就沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，相當(dāng)于斷路狀態(tài)，會(huì)燒壞變壓器，如圖3．15所示。實(shí)際中繞組的繞向是看不到的，而接法的正確與否，與同名端（同極性端）標(biāo)記直接相關(guān)，因此同名端的判別相當(dāng)重要。

3．4同名端的意義及其測(cè)定圖3．14變壓器繞組的正確連接圖3．15變壓器繞組的連接錯(cuò)誤第22頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．4同名端的意義及其測(cè)定解：根據(jù)同名端的定義，圖3．17（a）中，從左邊線圈的端點(diǎn)“2”通入電流，由右手螺旋定則判定磁通方向指向左邊；右邊兩個(gè)線圈中通過(guò)的電流要產(chǎn)生相同方向的磁通，則電流必須從端點(diǎn)“4”、端點(diǎn)“5”流入，因此判定2，4，5為同名端，1，3，6也為同名端。同理1，4為同名端，2，3也為同名端。圖3．171．互感線圈的同名端當(dāng)兩個(gè)線圈通入電流，所產(chǎn)生的磁通方向相同時(shí)，兩個(gè)線圈的電流流入端稱為同名端（又稱同極性端），反之為異名端。用符號(hào)“·”標(biāo)記。

例3．4

電路如圖3．17所示，試判斷同名端。第23頁(yè),共26頁(yè)，2024