电工电子技术磁场与电磁感应课件

第第3章章 磁场与电磁感应磁场与电磁感应u陈忠平陈忠平2013.71了解通电直导线和通电螺线管的磁场。了解通电直导线和通电螺线管的磁场。2理解磁场方向与电流方向的关系。理解磁场方向与电流方向的关系。3-1 磁磁 场场 电电工工学学课课件件磁铁吸引小铁钉指南针在地磁场的作用下能指示南、北方向。这些物理现象都是因为磁场的作用，磁场具有怎样的特性呢？电电工工学学课课件件一、磁体及其性质一、磁体及其性质二、磁场与磁感线二、磁场与磁感线三、电流的磁场三、电流的磁场电电工工学学课课件件一、磁体及其性质 某些物体能够吸引铁、镍、钴等物质的性质称为磁性磁性磁性磁性。具有磁性的物体称为磁体磁体磁体磁体。磁体分天然磁体天然磁体天然磁体天然磁体和人造磁体人造磁体人造磁体人造磁体两大类。人造磁体电电工工学学课课件件 磁体两端磁性最强的部分称磁极磁极磁极磁极。可以在水平面内自由转动的磁针，静止后总是一个磁极指南，另一个指北。指北的磁极称北极（N）；指南的磁极称南极（S）。电电工工学学课课件件 与电荷间的相互作用力相似，当两个磁极靠近时，它们之间也会与电荷间的相互作用力相似，当两个磁极靠近时，它们之间也会产生相互作用的力：产生相互作用的力：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。任何磁体都具有两个磁极，而且无论把磁体怎样分割总保持有两个异性磁极。电电工工学学课课件件 二、磁场与磁感线 1 磁场磁场 在磁体周围的空间中存在着一种特殊的物质 磁场磁场磁场磁场。磁极之间的作用力通过磁场进行传递。2磁感线磁感线 磁场的分布常用磁感线来描述。用铁屑模拟磁场的分布电电工工学学课课件件条形磁体的磁感线蹄形磁体的磁感线电电工工学学课课件件一、电流的磁场一、电流的磁场1磁场与磁感线磁场与磁感线同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。在磁体周围的空间中存在着一种特殊的物质磁场磁场。磁极之间的作用力通过磁场进行传递。Company Logo3磁感线方向与磁场方向关系磁感线方向与磁场方向关系 在磁感线上，每一点的切线方向就是该点的磁场方向，即放在该点的磁针N极所指的方向；在磁体外部磁感线方向由N极指向S极，在磁体内部磁感线方向由S极指向N极，磁感线是闭合曲线。均匀磁场的磁感线电电工工学学课课件件不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场，这种现象称为电流的磁效应磁效应磁效应磁效应。接通电源，绕上漆包线的铁钉就成了磁体把小磁针放在通电导线下方，小磁针转动电流的磁场电电工工学学课课件件1直线电流的磁场直线电流的磁场安培定则(右手螺旋定则)右手握住直导线，大拇指所指的方向为电流方向，四指所指的方向为磁感线的环绕方向。2环形电流的磁场环形电流的磁场安培定则（右手螺旋定则）右手握住通电螺线管，四指所指的方向为电流的方向，大拇指所指的方向为通电螺线管内部磁感线的方向，即螺线管的N极方向。磁场的应用-磁悬浮列车电电工工学学课课件件右手螺旋定则通电长直导线通电螺线管Company Logo磁场的分布常用磁感线磁感线来描述。磁场中某一平面上所通过磁感线的数量称为磁磁通量通量，简称磁通磁通。Company Logo 在磁场的某一区域里，如果磁感线是一些方向相同分布均匀的平行直线，这一区域称为均匀磁场均匀磁场。磁场与磁感线铁屑模拟磁场Company Logo 1 1理解磁感应强度、磁通、磁导率的概念。理解磁感应强度、磁通、磁导率的概念。2 2了解铁磁物质的磁化的概念以及铁磁材料了解铁磁物质的磁化的概念以及铁磁材料的分类。的分类。(此节为知识扩展内容此节为知识扩展内容)3-2 磁场的主要物理量磁场的主要物理量 电电工工学学课课件件对于磁场在空间的分布情况，可以用磁感线的多少和疏密程度来形象地描述，但是这只是定性分析。通过磁场作用的实验，在蹄形磁体两极所形成的均匀磁场中，悬挂一段直导线，让导线方向与磁场方向保持垂直，给导线通电，可以看到导线因受力而发生摆动。这说明磁场对进入场中的运动电荷或载流导体有磁力的作用。要定量地描述这个作用力的大小，需要引入磁感应强度这个矢量来衡量，以此来磁场中各点磁场的强弱和方向。电电工工学学课课件件一、磁感应强度一、磁感应强度二、磁通二、磁通三、磁导率三、磁导率电电工工学学课课件件一、磁感应强度导线方向与磁场方向保持垂直，导线方向与磁场方向保持垂直，经导线通电，可以看到导线因受力经导线通电，可以看到导线因受力而发生运动。而发生运动。先保持导线通电部分的长度不变，改变电流的大小，然后保持电流不变，改变导线通电部分的长度。比较两次实验结果发现，通电导线长度一定时，电流越大，导线所受电磁力越大；电流一定时，通电导线越长，电磁力也越大。电电工工学学课课件件 磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，用符号T表示。在磁场中，垂直于磁场方向的通电导线，所受电磁力F与电流 和导线长度 的乘积 的比值称为该处的磁感应强度磁感应强度，用B表示，即电电工工学学课课件件 磁感应强度是个磁感应强度是个矢量，它的方向就是该点的磁场的方向。，它的方向就是该点的磁场的方向。磁感线的疏密程度可以大致反映磁感应强度的大小。磁感线的疏密程度可以大致反映磁感应强度的大小。在同一个磁场的磁感线分布图上，磁感线越密的地方，磁感在同一个磁场的磁感线分布图上，磁感线越密的地方，磁感应强度越大，磁场越强。应强度越大，磁场越强。电电工工学学课课件件二、磁通 设在磁感应强度为B的均匀磁场中，有一个与磁场方向垂直的平面，面积为S，我们把B与S的乘积，定义为穿过这个面积的磁通量磁通量，简称磁通磁通。用表示磁通，则有 =BS 磁通的单位是韦伯，简称韦，用Wb表示。Company Logo 当面积一定时，如果通过该面积的磁感线越多，则磁通越大，磁感越强。从=BS，可得 这表示磁感应强度等于穿过单位面积的磁通，所以磁感应强度又称磁通密度磁通密度，并且用Wb/m2作单位。Company Logo三、磁导率 通过铁心棒通电线圈和铜心棒通电线圈分别吸引大头针的实验，表明不同的媒介质对磁场的影响不同，影响的程度与媒介质的导磁性能有关。Company Logo 磁导率磁导率是一个用来表示媒介质导磁性能的物理量，用是一个用来表示媒介质导磁性能的物理量，用表示，表示，其单位为其单位为H/m。由实验测得真空中的磁导率。由实验测得真空中的磁导率 0=410-7H/m，为一常数。，为一常数。任一物质的磁导率与真空的磁导率的比值称作相对磁导率，用 r 表示，即：相对磁导率只是一个比值。它表明在其他条件相同的情况下，媒介质中的磁感应强度是真空中磁感应强度的多少倍。Company Logo 根据相对磁导率的大小，可把物质分为三类：顺磁物质顺磁物质 相对磁导率稍大于1。如空气、铝、铬、铂空气、铝、铬、铂等。反磁物质反磁物质 相对磁导率稍小于1。如氢、铜氢、铜等。铁磁物质铁磁物质 相对磁导率远大于1，其可达几百甚至数万以上，且不是一个常数。如铁、钴、镍、硅钢、坡莫合金、铁铁、钴、镍、硅钢、坡莫合金、铁氧体氧体等。电电工工学学课课件件 磁化及应用：磁化及应用：使原来没有磁性的物质具有磁性的过程称为磁化磁化。只有铁磁性物质才能被磁化，而非铁磁性物质是不能被磁化的。这是因为铁磁物质可以看作是由许多被称为磁畴磁畴的小磁体所组成。在无外磁场作用时，磁畴排列杂乱无章，磁性互相抵消，对外不显磁性；但在外磁场作用下，磁畴就会沿着外磁场方向变成整齐有序的排列，所以整体也就具有了磁性。电电工工学学课课件件 不同铁磁材料的分类：不同铁磁材料的分类：名名 称称特特 点点典型材料及用途典型材料及用途硬磁材料硬磁材料不易磁化不易退磁不易磁化不易退磁碳钢、钴钢等，适合制作永久磁铁，扬声器的磁钢碳钢、钴钢等，适合制作永久磁铁，扬声器的磁钢软磁材料软磁材料容易磁化容易退磁容易磁化容易退磁硅钢、铸钢、铁镍合金等，适合制作交流电设备，如硅钢、铸钢、铁镍合金等，适合制作交流电设备，如电动机、变压器、继电器等设备中的铁心电动机、变压器、继电器等设备中的铁心矩磁材料矩磁材料很易磁化很难退磁很易磁化很难退磁锰镁铁氧体、锂锰铁氧体等，适合制作磁带、计算机锰镁铁氧体、锂锰铁氧体等，适合制作磁带、计算机的磁盘的磁盘电电工工学学课课件件掌握磁场对电流的作用力公式和左手定则。掌握磁场对电流的作用力公式和左手定则。3-3 磁场对电流的作用磁场对电流的作用 电电工工学学课课件件 万用表 万用表是测量低压电路（电压在1000V以内属于低压）中电压、电流的常用测量工具。测量直流电路中灯泡的电压时，将电压表挡位调整到电压挡，然后将红色、黑色测量表笔接在灯泡的两侧接线柱上。此时，可以看到电压表的指针从零位向右侧偏转，偏转的指针指示了该灯泡当前的电压。同时，万用表还可以测量出灯泡电路中的电流大小。电电工工学学课课件件 万用表之所以能够测量出电压、电路等，主要是因为测量电流、电压的万用表当线圈里通入电流时，这个电流受到磁场的作用力，线圈将会发生偏转，使得万用表的指针偏转一定角度。电电工工学学课课件件一、磁场对通电直导体的作用一、磁场对通电直导体的作用二、通电平行直导线间的磁场作用二、通电平行直导线间的磁场作用三、磁场对通电线圈的作用三、磁场对通电线圈的作用电电工工学学课课件件一、磁场对通电直导体的作用磁场对通电直导体的作用：通常把通电导体在磁场中受到的力称为电磁力电磁力，也称安培力安培力。磁场对通电直导体的作用及判断电磁力的方向电电工工学学课课件件1通电直导体在磁场中受力方向通电直导体在磁场中受力方向左手定则左手定则 平伸左手，使大拇指与其余四个手指垂直，并且都跟手掌在同一个平面内，让磁感线垂直穿入掌心，并使四指指向电流的方向，则大拇指所指的方向就是通电导体所受电磁力的方向。判断电磁力的方向电电工工学学课课件件2通电直导体所受电磁力的大小通电直导体所受电磁力的大小 利用磁感应强度的表达式 ，可得电磁力的计算式为 当电流方向与磁场方向垂直时，电流所受的电磁力最大。电电工工学学课课件件 如果电流方向与磁场方向不垂直，而是有一个夹角，这时通电导线的有效长度为 。电磁力的计算式变为计算电磁力的大小电电工工学学课课件件二、通电平行直导线间的磁场作用 两条相距较近且相互平行的直导线，当通以相同方向的电流时，它们相互吸引（左图）；当通以相反方向的电流时，它们相互排斥（右图）。通电平行直导线间的作用电电工工学学课课件件 判断受力时，可以用右手螺旋法则判断每个电流产生的磁场方向，再用左手定则判断另一个电流在这个磁场中所受电磁力的方向。高压输电线上的绝缘支柱 发电厂或变电所的母线排就是这种互相平行的载流直导体，为了使母线不致因短路时所产生的巨大电磁力作用而受到破坏，所以每间隔一定间距就安装一个绝缘支柱，以平衡电磁力。电电工工学学课课件件 3磁场对通电线圈的作用磁场对通电线圈的作用 磁场对通电矩形线圈的作用是电动机旋转的基本原理。许多利用永久磁铁来使通电线圈偏转的磁电式仪表，也利用这一原理制成的。直流电动机原理直流电动机原理磁电式仪表Company Logo 1理解感应电动势的概念。理解感应电动势的概念。2掌握电磁感应定律以及感应电动势的掌握电磁感应定律以及感应电动势的计算公式。计算公式。3-4 电磁感应电磁感应电电工工学学课课件件 手摇发电的电筒手摇发电筒的结构原理图1-聚焦镜片 2电筒壳体 3灯泡（发光二极管）4-电路板 5-铜片开关6预留的电池仓 7-橡胶减震圈 8-线圈 9-强力磁铁手摇发电的电筒是如何发亮的呢？电电工工学学课课件件为什么发电机能发出电来？为什么变压器的两个绕组相互绝缘，其中一个绕组通入交流电压，另一个绕组也能产生电压？变压器 一台大型发电机的转子Company Logo一、感应电流的产生及方向判定一、感应电流的产生及方向判定二、感应电动势及方向判定二、感应电动势及方向判定电电工工学学课课件件一、产生感应电流的条件一、产生感应电流的条件电流能产生磁场，那么磁场能否产生电流呢？磁铁在线圈中运动产生感应电流的条件Company Logo 将一条形磁铁放置在线圈中，当其静止时，检流计的指针不偏转，但将它迅速地插入或拔出时，检流计的指针都会发生偏转，说明线圈中有电流。这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应电磁感应现象，产生的电流称为感应电流感应电流，产生感应电流的电动势称为感应电动势感应电动势。Company Logo二、楞次定律二、楞次定律 在线圈回路中产生感应电动势和感应电流的原因是由于磁铁的插入和拔出导致线圈中的磁通发生了变化。楞次定律指出了磁通的变化与感应电动势在方向上的关系，即：感应电流产生的磁通总是阻感应电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化碍原磁通的变化。楞次定律Company Logo三、法拉第电磁感应定律三、法拉第电磁感应定律 如果改变磁铁插入或拔出的速度，就会发现，磁铁运动速度越快，指针偏转角度越大，反之越小。而磁铁插入或拔出的速度，反映的是线圈中磁通变化的速度。即：线圈中感应电动势的大小与线圈中线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正比磁通的变化率成正比。这就是法拉第电磁感应定律。Company Logo 用表示时间间隔t内一个单匝线圈中的磁通变化量，则一个单匝线圈产生的感应电动势的大小为如果线圈有N匝，则感应电动势的大小为Company Logo四、直导线切割磁感线产生感应电动势四、直导线切割磁感线产生感应电动势导体切割磁感线产生感应电动势导体切割磁感线产生感应电动势Company Logo 感应电动势的方向可用右手定则右手定则判断。平伸右手，大拇指与其余四指垂直，让磁感线穿入掌心，大拇指指向导体运动方向，则其余四指所指的方向就是感应电动势的方向。直导体切割磁感线Company Logo 当导体、导体运动方向和磁感线方向三者互相垂直时，导体中的感应电动势为：e=Blv 如果导体运动方向与磁感线方向有一夹角，则导体中的感应电动势为e=BlvsinCompany Logo 发电机就是应用导线切割磁感线产生感应电动势的原理发电的，实际应用中，将导线做成线圈，使其在磁场中转动，从而得到连续的电流。发电机原理实际应用的发电机Company Logo 在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一长度为l 的直导体AB，可沿平行导电轨道滑动。当导体以速度v向左匀速运动时，试确定导体中感应电动势的方向和大小。Company Logo解解:（1）导体向左运动时，导电回路中磁通将增加，根据楞次定律判断，导体中感应电动势的方向是B端为正，A端为负。用右手定则判断，结果相同。Company Logo（2）设导体在t时间内左移距离为d，则导电回路中磁通的变化量为=BS=Bld=Blvt所以感应电动势 如果导体和磁感线之间有相对运动时，用右手定则判断感应电流方向较为方便。如果导线与磁感线之间无相对运动，只是穿过闭合回路的磁通发生了变化，则用楞次定律来判断感应电流的方向。Company Logo显像管的工作原理Company Logo3-5 自感和互感自感和互感一、自感一、自感 合上开关，VD1亮，VD2不亮；再断开开关，VD1熄灭，VD2闪亮一下然后熄灭。1自感现象自感现象 当线圈中的电流发生变化时，线圈中就会产生感应电动势，这个电动势总是阻碍线圈中原来电流的变化。Company Logo 这种由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象称为自感现象自感现象，简称自感自感。在自感现象中产生的感应电动势称为自感电动自感电动势势，用eL表示，自感电流用iL表示。自感电路Company Logo2自感系数自感系数 自感电流产生的磁通称为自感磁通自感磁通。一个线圈中通过单位电流所产生的自感磁通称为自感系数自感系数（简称电感电感），用L表示，即 L的单位是亨利，用H表示。常采用较小的单位有毫亨（mH）和微亨（H）。Company Logo 线圈的电感是由线圈本身的特性决定的。线圈越长，单位长度上的匝数越多，截面积越大，电感就越大。有铁心的线圈，其电感要比空心线圈的电感大得多。电感为常数的线圈称为线性电感线性电感。空心线圈当其结构一定时，可近似地看成线性电感。有铁心的线圈，其电感也不是一个常数，称为非线性电感非线性电感。Company Logo3自感电动势自感电动势由N =LI代入，可得Company Logo4.自感现象的应用日光灯电路电电工工学学课课件件5.线圈L的储能电感线圈与电容器相似，都是电路中的储能元件。电感线圈中磁场能量可用下式表示 线圈的电感反映了它所储存磁场能量的能力。电电工工学学课课件件 发电厂通过输电线路输送的超高压电，经过变电站的变压器降压，可以进入企业或者社区住户 变压器是一种用来改变交流电压、变换电流和阻抗的电器设备，主要由铁心和线圈组成，根据法拉弟电磁感应定律和楞次定律，当接通电源的那组线圈中的电流变化时，这个线圈在铁心中产生的磁场也发生了变化，这时，在副线圈(就是原本没有通电的那组线圈)上就要产生感应电动势和感应电流，这种现象就是电磁感应现象中的另一种特殊现象，即互感互感互感互感现象。互感互感电电工工学学课课件件1互感现象和互感电动势互感现象和互感电动势 在开关SA闭合或断开瞬间以及改变RP的阻值，检流计的指针都会发生偏转。互 感Company Logo 我们把由一个线圈中的电流发生变化而在另一线圈中产生电磁感应的现象称为互感现象互感现象，简称互感互感。由互感产生的感应电动势称为互感电动势互感电动势，用eM表示。互感电动势的计算公式为 式中M称为互感系数互感系数，简称互感互感，单位和自感一样，也是亨（H）。当两个线圈互相平行，且第一个线圈的磁通变化全部影响到第二个线圈，这时也称全耦合全耦合，互感电动势最大。Company Logo2互感线圈的同名端互感线圈的同名端 我们把由于线圈绕向一致而产生感应电动势的极性始终保持一致的端子称为线圈的同名端同名端，用“”或“*”表示。Company Logo图中1、4、5就是一组同名端。SA闭合瞬间，A线圈有电流i从1端流进，根据楞次定律，在A线圈两端产生自感电动势，极性为左正右负。利用同名端可确定B线圈的4端和C线圈的5端皆为互感电动势的正端。互感线圈的同名端Company Logo 当线圈的绕向难以确定时，可用如下方法判别两个线圈的同名端。线圈B(副线圈)接检流计。合上开关的瞬间如果电压表指示为正向电压，则3与1为同名端，否则，3与1为异名端。判断互感线圈的同名端判断互感线圈的同名端 Company Logo汽车点火电路汽车点火电路 汽车点火开关通、断瞬间，初级线圈电流突然变化，磁通也突然变化，由于互感作用，使次级线圈产生1.5万伏以上瞬时高压，再由高压分配器送到火花塞。汽车点火电路Company Logo