《電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）》 課件 第二章 磁場(chǎng)與電磁感應(yīng)

第二章磁場(chǎng)與電磁感應(yīng)90§2-2電磁感應(yīng)定律§2-1磁場(chǎng)及其基本物理量§2-3自感與互感§2-1磁場(chǎng)及其基本物理量92眾所周知，磁鐵能夠吸引小鐵釘，指南針在地磁場(chǎng)的作用下能指示南、北方向。這些物理現(xiàn)象都是因?yàn)榇艌?chǎng)的作用，磁鐵能吸引鐵釘是因?yàn)樗哂写判?，同樣指南針的磁針也有磁性?3磁場(chǎng)的作用a）磁鐵吸引小鐵釘b）指南針一、磁體及其性質(zhì)某些物體能夠吸引鐵、鎳、鈷等金屬或它們的合金的性質(zhì)稱為磁性。具有磁性的物體稱為磁體。磁體分為天然磁體和人造磁體兩大類。常見(jiàn)的人造磁體有條形磁體、蹄形磁體和磁針等，如圖所示。94常見(jiàn)的人造磁體a）條形磁體b）蹄形磁體c）磁針磁體兩端磁性最強(qiáng)的部分稱為磁極?？梢栽谒矫鎯?nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁針，靜止后總是一個(gè)磁極指南，另一個(gè)磁極指北。指北的磁極稱為北極（N），指南的磁極稱為南極（S）。任何磁體都具有兩個(gè)磁極，而且無(wú)論把磁體怎樣分割總保持有兩個(gè)異性磁極，所以，磁極都是成對(duì)出現(xiàn)的，如圖所示。與電荷間的相互作用力相似，當(dāng)兩個(gè)磁極靠近時(shí)，它們之間也會(huì)產(chǎn)生相互作用的力，其具體規(guī)律是同性磁極相互排斥，異性磁極相互吸引。95磁極都是成對(duì)出現(xiàn)的二、磁場(chǎng)與磁感線1.磁場(chǎng)兩個(gè)磁極互不接觸，卻存在相互作用的力，這是為什么呢？原來(lái)在磁體周圍的空間中存在著一種特殊的物質(zhì)——磁場(chǎng)，磁極之間的作用力就是通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行傳遞的。在玻璃板上均勻撒一層細(xì)鐵屑，然后把一塊蹄形磁鐵放在玻璃板下面，細(xì)鐵屑在磁場(chǎng)里被磁化成“小磁針”。輕敲玻璃板，使鐵屑能在磁場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，鐵屑靜止時(shí)便會(huì)有規(guī)則地排列起來(lái)，顯示出磁場(chǎng)的分布。在N極和S極附近鐵屑密集，說(shuō)明越接近磁極，磁場(chǎng)越強(qiáng)。9697磁場(chǎng)的分布2.磁感線磁場(chǎng)的分布常用磁感線來(lái)描述，如圖所示。98磁感線a）條形磁體的磁感線b）蹄形磁體的磁感線磁感線是為形象地描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向而在磁場(chǎng)中畫出的一些有方向的假想曲線。在這些曲線上，每一點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，也就是放在該點(diǎn)的小磁針N極所指的方向，如圖所示。磁感線是閉合曲線。99磁感線方向與磁場(chǎng)方向磁感線的方向定義為在磁體外部由N極指向S極，在磁體內(nèi)部由S極指向N極。在磁場(chǎng)的某一區(qū)域里，如果磁感線是一些方向相同、分布均勻的平行直線，這一區(qū)域和磁場(chǎng)稱為均勻磁場(chǎng)。距離很近的兩個(gè)異性磁極之間的磁場(chǎng)除邊緣部分外，可以認(rèn)為是均勻磁場(chǎng)，如圖所示。100均勻磁場(chǎng)三、電流的磁場(chǎng)把一個(gè)小磁針?lè)旁谕妼?dǎo)線旁，小磁針會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示；在鐵釘上繞上漆包線，通上電流后，鐵釘能吸住小鐵釘，如圖所示。這些都說(shuō)明，不僅磁體能產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流也能產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng)。101通電直導(dǎo)線的磁效應(yīng)通電線圈的磁效應(yīng)電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向可用右手螺旋定則（也稱安培定則）來(lái)判斷。1.通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖a所示，用右手握住導(dǎo)線，讓伸直的拇指所指的方向與電流的方向一致，則彎曲的四指所指的方向就是磁場(chǎng)的方向。2.通電螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖b所示，用右手握住通電螺線管，讓彎曲的四指所指的方向與電流的方向一致，則拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)的方向，也就是通電螺線管的磁場(chǎng)N極的方向（通電螺線管相當(dāng)于一根條形磁體）。102103電流的磁場(chǎng)a）直線電流的磁場(chǎng)b）環(huán)形電流的磁場(chǎng)四、表征磁場(chǎng)的物理量1.磁感應(yīng)強(qiáng)度磁體在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用，電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)，它相當(dāng)于一個(gè)磁體，如果把這個(gè)磁體放到另一個(gè)磁場(chǎng)中，它一定會(huì)受到力的作用。通過(guò)下圖所示的實(shí)驗(yàn)，從一小段通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的大小可以檢驗(yàn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。104磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體作用的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持磁場(chǎng)內(nèi)通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度不變，改變電流的大小，觀察導(dǎo)線擺動(dòng)情況，然后保持電流不變，改變磁場(chǎng)內(nèi)通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度，繼續(xù)觀察導(dǎo)線擺動(dòng)情況。比較兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通電導(dǎo)線長(zhǎng)度一定時(shí)，電流越大，導(dǎo)線擺動(dòng)距離越大，說(shuō)明所受電磁力越大；當(dāng)電流一定時(shí)，磁場(chǎng)內(nèi)通電導(dǎo)線越長(zhǎng)，導(dǎo)線擺動(dòng)距離越大，說(shuō)明所受電磁力也越大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電流在磁場(chǎng)中所受電磁力的大小F，既與導(dǎo)線長(zhǎng)度l成正比，又與電流I成正比，即與I和l的乘積Il成正比。在磁場(chǎng)中同一點(diǎn)，F(xiàn)/Il恒定不變。磁場(chǎng)中不同點(diǎn)的F/Il比值有可能不同，不同的磁場(chǎng)中的該比值也可能不同。因此，這個(gè)比值是由磁場(chǎng)本身決定的，可用來(lái)表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。105在磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向的通電導(dǎo)線，所受電磁力F與電流I、導(dǎo)線長(zhǎng)度l的乘積Il的比值稱為該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉，簡(jiǎn)稱特（T），用B表示，即式中B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

F——通電導(dǎo)體受到的電磁力，N；

I——導(dǎo)體中的電流，A；

l——導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度，即在磁感線垂直方向上的投影長(zhǎng)度，m。106地面附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度是0.3×10-4～0.7×10-4T，永久磁鐵磁極附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度是10-3～1T，電動(dòng)機(jī)和變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度是0.8～1.4T。磁感應(yīng)強(qiáng)度是個(gè)矢量，它的方向就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)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(chǎng)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。1072.磁通研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)，常常需要討論磁場(chǎng)在某一范圍內(nèi)的分布及變化情況，為此，引入一個(gè)新的物理量——磁通。設(shè)在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中，有一個(gè)與磁場(chǎng)方向垂直的平面，面積為S，如圖所示，把B與S的乘積定義為穿過(guò)這個(gè)面積的磁通量，簡(jiǎn)稱磁通。用Φ表示磁通，則有Φ=BS磁通的單位是韋伯（Wb），簡(jiǎn)稱韋。當(dāng)面積一定時(shí)，通過(guò)該面積的磁感線越多，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，則磁通越大。這個(gè)物理量在電氣工程應(yīng)用中具有極其重要的意義。108109均勻磁場(chǎng)通過(guò)與其垂直的平面3.磁導(dǎo)率（1）概念做一個(gè)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)通電線圈內(nèi)插入一根鐵棒，接著用該線圈去吸引大頭針，然后，在通電電流不變的條件下，將通電線圈中的鐵棒換成同直徑的銅棒，再用該線圈去吸引大頭針。對(duì)比不同材料棒的通電線圈吸引大頭針的情況，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的吸力不同，前者（鐵芯棒）比后者（銅芯棒）大得多。這表明不同的媒介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響不同，影響的程度與媒介質(zhì)的導(dǎo)磁性能有關(guān)。110111通電線圈吸引大頭針實(shí)驗(yàn)a）鐵芯棒通電線圈吸引大頭針b）銅芯棒通電線圈吸引大頭針磁導(dǎo)率是用來(lái)表示媒介質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量，用μ表示，其單位為亨/米（H/m）。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得真空中的磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m，它是一個(gè)常數(shù)。自然界中大多數(shù)物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響甚微，只有少數(shù)物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)有明顯的影響。為了比較媒介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)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(duì)磁導(dǎo)率，用μr表示，即相對(duì)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。112（2）按照相對(duì)磁導(dǎo)率分類根據(jù)相對(duì)磁導(dǎo)率的大小，可把物質(zhì)分為三類，見(jiàn)下表。其中，順磁物質(zhì)與反磁物質(zhì)一般被稱為非鐵磁性材料。鐵磁物質(zhì)被廣泛應(yīng)用于電工技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面。113按照相對(duì)磁導(dǎo)率分類（3）磁化及應(yīng)用使原來(lái)沒(méi)有磁性的物質(zhì)具有磁性的過(guò)程稱為磁化。只有鐵磁物質(zhì)才能被磁化，這是因?yàn)殍F磁物質(zhì)可以看作是由許多被稱為磁疇的小磁體組成的。在無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇排列雜亂無(wú)章，磁性互相抵消，對(duì)外不顯磁性；但在外磁場(chǎng)作用下，磁疇就會(huì)沿著外磁場(chǎng)方向變成整齊有序的排列，所以整體也就具有了磁性。當(dāng)外磁場(chǎng)消失后，磁疇又呈雜亂無(wú)章?tīng)畹默F(xiàn)象稱為退磁。114115鐵磁物質(zhì)的磁化a）不顯磁性的磁疇b）被磁化的磁疇鐵磁材料的用途見(jiàn)下表。116鐵磁材料的用途§2-2電磁感應(yīng)定律117如圖所示為手搖發(fā)電電筒，它不需要電池，手晃即亮，使用方便，既美觀又環(huán)保。那么，它是如何發(fā)光的呢？手搖發(fā)電電筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。電筒的電源不是電池。在殼體上安裝了一個(gè)空心金屬線圈，隨著手來(lái)回晃動(dòng)電筒，其底部?jī)?nèi)活動(dòng)的強(qiáng)力磁鐵往復(fù)穿過(guò)線圈，線圈內(nèi)就產(chǎn)生了電流，點(diǎn)亮了燈泡。為什么磁鐵反復(fù)穿過(guò)線圈會(huì)產(chǎn)生電流呢？118手搖發(fā)電電筒119手搖發(fā)電電筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)1—聚焦鏡片2—電筒殼體3—燈泡（發(fā)光二極管）4—電路板5—銅片開(kāi)關(guān)6—預(yù)留的電池倉(cāng)7—橡膠減振圈8—線圈9—強(qiáng)力磁鐵一、感應(yīng)電流的產(chǎn)生及方向判斷1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象采用和手搖發(fā)電電筒相似的電路，將燈泡替換成檢流計(jì)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖所示。當(dāng)條形磁鐵靜止放置在線圈中時(shí)，檢流計(jì)的指針指示零點(diǎn)，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。但是，如果將條形磁鐵迅速地插入或拔出線圈時(shí)，檢流計(jì)的指針會(huì)向不同方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這說(shuō)明，在條形磁鐵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，線圈中產(chǎn)生了電流。這種利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。產(chǎn)生感應(yīng)電流的電動(dòng)勢(shì)稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。120121電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)a）磁鐵插入線圈b）磁鐵拔出線圈2.利用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向以上實(shí)驗(yàn)表明：磁鐵的插入和拔出導(dǎo)致線圈中的磁通發(fā)生了變化，這是線圈回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的根本原因。如果將鐵芯放置在線圈中后靜止不動(dòng)，由于線圈中的磁通量不發(fā)生變化，所以感應(yīng)電流為零。122楞次定律指出了磁通的變化與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在方向上的關(guān)系，即：感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通總是阻礙原磁通的變化。根據(jù)楞次定律，可以判斷如上圖所示線圈中感應(yīng)電流的方向。如上圖a所示，當(dāng)把磁鐵插入線圈時(shí)，線圈中的磁通將增加，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)應(yīng)阻礙磁通的增加，則線圈感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向應(yīng)為上N下S；用右手螺旋定則（拇指方向代表感應(yīng)電流磁通方向，其余四指代表感應(yīng)電流方向），可判斷出感應(yīng)電流的方向是由右端流進(jìn)檢流計(jì)。反之，當(dāng)磁鐵拔出線圈時(shí)，感應(yīng)電流由左端流入檢流計(jì)。123二、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及方向判斷1.法拉第電磁感應(yīng)定律在上圖所示的實(shí)驗(yàn)中，改變磁鐵插入或拔出的速度，進(jìn)一步觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)：磁鐵在線圈內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度越快，檢流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)角度越大；反之，則指針偏轉(zhuǎn)角度越小。磁鐵插入或拔出的速度，反映了線圈中磁通變化的速度。這說(shuō)明線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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。124用ΔΦ表示時(shí)間間隔Δt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(shì)的大小為如果線圈有N匝，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為這表示了線圈中瞬時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小。1252.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向和大小如圖所示，連接檢流計(jì)的直導(dǎo)體，在均勻磁場(chǎng)中切割磁感線，使檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明回路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。直導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向可用右手定則判斷，如圖所示。平伸右手，拇指與其余四指垂直，讓磁感線穿入掌心，拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，則其余四指所指的方向就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。126導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)127右手定則判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向與磁感線方向夾角α§2-3自感與互感128如圖a所示的電路中，EL1和EL2是完全相同的兩只燈泡，線圈L的阻值和電阻R的阻值相等。當(dāng)開(kāi)關(guān)SA閉合后，燈泡EL1立即正常發(fā)光，而EL2卻是慢慢變亮。如圖b所示的電路中，合上開(kāi)關(guān)SA后燈泡正常發(fā)光后，再斷開(kāi)開(kāi)關(guān)SA，燈泡先閃亮一下，然后才熄滅。為什么會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象呢？129自感實(shí)驗(yàn)電路a）合上開(kāi)關(guān)，EL2比EL1亮得慢b）斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，燈泡閃亮一下才熄滅一、自感現(xiàn)象如上圖a所示的電路中，由于燈泡EL2與線圈L串聯(lián)，開(kāi)關(guān)合上后通過(guò)線圈L的電流由零開(kāi)始增大，穿過(guò)線圈L的磁通也隨之增加。根據(jù)楞次定律可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)要阻礙線圈中電流的增大，因此燈泡EL2必然要比EL1亮得慢些。如上圖b所示的電路中，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)后，通過(guò)線圈L的電流突然減小，穿過(guò)線圈L的磁通也很快減少，線圈中必然要產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以阻礙電流的減小。由于線圈L與燈泡EL在電路中并聯(lián)，在電源已被切斷的情況下，依然組成回路。線圈L中瞬間產(chǎn)生較強(qiáng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使該回路中瞬間通過(guò)較大的感應(yīng)電流，所以燈泡會(huì)突然閃亮。130從上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)總是阻礙線圈中原來(lái)電流的變化。這種由于流過(guò)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(jiǎn)稱自感。在自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為自感電動(dòng)勢(shì)，用eL表示，自感電流用iL表示。131二、自感系數(shù)與自感電動(dòng)勢(shì)1.自感系數(shù)當(dāng)線圈通入電流后，這個(gè)電流使每匝線圈產(chǎn)生的磁通稱為自感磁通。當(dāng)同一電流通入結(jié)構(gòu)不同的線圈時(shí)，所產(chǎn)生的自感磁通量是不同的。為了衡量不同線圈產(chǎn)生自感磁通的能力，引入自感系數(shù)（簡(jiǎn)稱自感，也稱電感）這一物理量，用L表示，它在數(shù)值上等于線圈中通過(guò)單位電流所產(chǎn)生的自感磁通。即132式中N——線圈的匝數(shù)；

Φ——每一匝線圈的自感磁通，Wb；

I——通過(guò)線圈的電流，A。L的單位是亨利，用H表示。常采用較小的單位毫亨（mH）和微亨（μH）。1H=103mH，1mH=103μH。線圈的電感是由線圈本身的特性決定的。線圈越長(zhǎng)，單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)越多，截面積越大，電感就越大。有鐵芯的線圈，其電感要比同參數(shù)下的空心線圈的電感大得多。1332.自感電動(dòng)勢(shì)自感現(xiàn)象是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的一種特殊情況，它同樣遵從法拉第電磁感應(yīng)定律。134三、互感現(xiàn)象和互感電動(dòng)勢(shì)觀察下圖所示的互感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)電路。在開(kāi)關(guān)SA閉合或斷開(kāi)的瞬間，以及改變可調(diào)電阻RP的