第二章-磁场与电磁感应课件

第二章磁场与电磁感应磁场与电磁感应磁场与电磁感应磁场与电磁感应o 1 1 磁场及其基本物理量磁场及其基本物理量o 2 2 电磁感应定律电磁感应定律o 3 3 自感与互感自感与互感磁体及其性质磁体及其性质磁性磁性某些物体能够吸引铁、镍、钴等物质的性质。磁体磁体具有磁性的物体。磁体分为天然磁体天然磁体和人造磁体人造磁体磁极磁极磁体两端磁性最强的部分。指北的磁极称北极（N）指南的磁极称南极（S）磁体及其性质磁体及其性质N极和极和S极总是成对出现极总是成对出现磁体及其性质磁体及其性质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，也就是说，同名磁极相互排斥，异名磁极互相吸引。同名磁极相互排斥，异名磁极互相吸引。磁体及其性质磁体及其性质磁场与磁感线磁场与磁感线磁场磁场在磁体周围的空间中存在的一种特殊物质。磁场的特点：磁场的特点：磁场的特点：磁场的特点：(1).(1).(1).(1).看不见、看不见、看不见、看不见、摸不着；摸不着；摸不着；摸不着；(2).(2).(2).(2).它是确实它是确实它是确实它是确实存在的存在的存在的存在的；(3).(3).(3).(3).可以根据可以根据可以根据可以根据它对其他物体它对其他物体它对其他物体它对其他物体的作用来认识的作用来认识的作用来认识的作用来认识它。它。它。它。磁场与磁感线磁场与磁感线磁感线磁感线磁场中画出的一些有方向的曲线，在这些曲线上，每一点的切线方向就是该点的磁场方向，也就是放在该点的磁针N极所指的方向。磁场与磁感线磁场与磁感线磁感线的方向磁感线的方向：在磁体外部由N极指向S极，在磁体内部由S极指向N极。其疏密程度疏密程度表示磁场的强弱。任意两条磁感线不不相交相交。磁场与磁感线磁场与磁感线磁场与磁感线磁场与磁感线 均匀磁场均匀磁场在磁场的某一区域里，磁感线是一些方向相同分布均匀的平行直线。地磁场示意图地磁场示意图丹麦物理学家奥斯特丹麦物理学家奥斯特发现的发现的电流磁效应电流磁效应，是科学史上的重大发现，是科学史上的重大发现，揭开了物理学史上的一个揭开了物理学史上的一个新纪元。新纪元。电流的磁场电流的磁场电流的磁场电流的磁场电流的磁效应电流的磁效应电流产生磁场的现象。通电直导线产生的磁场通电直导线产生的磁场磁感线为以导线上的各点为圆心的同心圆，且在跟导线垂直的平面上通电直导线的磁场通电直导线的磁场右手右手螺旋螺旋定則：定則：假假设设右手握住右手握住导线，导线，而而大大拇拇指指的的指向指向就是就是电电流流方向，方向，那么那么，弯曲弯曲的的四四指指指指着着的的就是就是磁感线磁感线的的环绕环绕方向。方向。电电流方向流方向磁磁场场方向方向通电螺线管的磁场通电螺线管的磁场o螺螺线线管：管：一捆长线圈，由多匝导线圈组成oI 通过螺线管時，每一圈所起的作用就像一個扁平线圈一樣。螺螺线线管的磁管的磁场场就是所有就是所有线线圈合成的圈合成的磁磁场场。IINS假假设设右手握住螺右手握住螺线线管，管，而而弯弯曲的手指曲的手指指向指向电电流流方向，方向，拇指指向拇指指向的就是螺的就是螺线线管的管的北北极极。螺螺线线管的右手定則管的右手定則：螺线管的磁场螺线管的磁场利用安培定则判定如下螺线管的两极利用安培定则判定如下螺线管的两极N NN NS S磁场的应用磁场的应用磁悬浮列车磁悬浮列车基本原理基本原理磁极的同性相斥和异性相吸车身磁场和路面磁场产生浮力使车身悬浮车身磁场与推进磁场产生直线作用力，使车身前进电磁铁的应用电磁铁的应用a电铃与蜂鸣器电铃与蜂鸣器b电话电话敲响敲响返回返回电铃作用原理：电铃作用原理：电磁铁电磁铁铃铛铃铛接触断接触断路器路器铃锤铃锤1.1.电流流过电流流过2.2.拉动铃锤拉动铃锤 敲响铃铛敲响铃铛电磁铁产生电磁铁产生磁性磁性当按下按钮当按下按钮3.3.断断路器路器的的触点触点脱开脱开 切断电流切断电流4.4.铃锤弹铃锤弹回原位回原位 触点触点重新接合重新接合5.5.电磁铁再次通电电磁铁再次通电 以上以上过程不断重复过程不断重复表征磁场的物理量表征磁场的物理量思考：思考：地球有磁场，那么哪个地方磁场最强呢？地球有磁场，那么哪个地方磁场最强呢？磁铁也有磁场，电流也会产生磁场，哪个磁磁铁也有磁场，电流也会产生磁场，哪个磁场大？磁场的大小与那些参数有关呢？场大？磁场的大小与那些参数有关呢？磁感应强度磁感应强度磁场对通电导线的作用力可能和哪些因磁场对通电导线的作用力可能和哪些因素有关呢？素有关呢？电流大小电流大小导体长度导体长度采用什么方法研究呢？采用什么方法研究呢？猜测：猜测：问题：问题：控制变量法控制变量法磁感应强度磁感应强度演示实验：演示实验：实验图：实验图：N N N NS S S SA A A A实验现象：实验现象：当当当当L L一定一定一定一定,电流电流电流电流I I I I增大时，增大时，增大时，增大时，F F F F也增大。也增大。也增大。也增大。实验实验1 1：L L不变，研究不变，研究F F与与I I的关系的关系精确实验表明精确实验表明：L L不变，不变，不变，不变，I IF F实验实验2 2：I 不变，研究F与L的关系F F F F L L L L实验现象：实验现象：当当当当I I I I 一定，通电导线一定，通电导线一定，通电导线一定，通电导线L L L L增大时增大时增大时增大时,F F F F也增大。也增大。也增大。也增大。精确实验表明：精确实验表明：I I I I不变，不变，不变，不变，实验现象：实验现象：逻辑推理：逻辑推理：逻辑推理：逻辑推理：F F F F L L L LF F F F I I I IF F F F ILILILIL 精确实验表明，电流在磁场中所受电磁力的大小，既与精确实验表明，电流在磁场中所受电磁力的大小，既与导线长度导线长度L成正比，又与电流成正比，又与电流I成正比，即与成正比，即与I 和和L得乘积成正得乘积成正比。比。比值叫做磁感应强度。用比值叫做磁感应强度。用 B 表示。表示。而且：比值而且：比值 是一个常量是一个常量 FILv因为仰慕爱迪生，因为仰慕爱迪生，1884年特斯拉被巴切年特斯拉被巴切勒推荐到美国加入爱迪生的公司。勒推荐到美国加入爱迪生的公司。特斯拉特斯拉提出采用交流电系统来代替爱迪生的直流提出采用交流电系统来代替爱迪生的直流电，遭到爱迪生的强烈反对。电，遭到爱迪生的强烈反对。v1880年，特斯拉发明了世界上第一台交年，特斯拉发明了世界上第一台交流电发电机。流电发电机。1889年，特斯拉在美国哥年，特斯拉在美国哥伦比亚，实现了从科罗拉多斯普林斯至纽伦比亚，实现了从科罗拉多斯普林斯至纽约的高压输电实验。约的高压输电实验。1956年是特斯拉诞生年是特斯拉诞生100周年，国际电气技术协周年，国际电气技术协会决定，把国际单位制中磁感应强度的单位命名为特会决定，把国际单位制中磁感应强度的单位命名为特斯拉，简称斯拉，简称“特特”,符号符号“T需要注意：需要注意：（1 1）磁感应强度是反映磁场本身特性的物理量，是）磁感应强度是反映磁场本身特性的物理量，是由磁场自身决定的，与磁场的中有无电流无关，跟由磁场自身决定的，与磁场的中有无电流无关，跟磁场中导线是否受力无关。磁场中导线是否受力无关。（2 2）B的大小表示磁场的强弱。的大小表示磁场的强弱。B B的方向是该点的磁场方向（既小磁针的方向是该点的磁场方向（既小磁针N N极极在磁场中的在磁场中的 受力的方向）受力的方向）（3 3）反映了磁场反映了磁场力的力的的性的性质的物理量质的物理量（B B的物理意义）的物理意义）。v 匀匀强强磁磁场场：磁磁感感应应强强度度的的大大小小和和方方向向处处处相同的磁场处相同的磁场（1 1）匀匀强强磁磁场场的的实实例例：相相距距很很近近的的两两平平行行的的异异名名磁磁极极间间的的磁磁场场；通通电电的的长长直直螺螺线线管内部（边缘部分除外）的磁场管内部（边缘部分除外）的磁场（2 2）匀匀强强磁磁场场的的磁磁感感线线分分布布是是一一组组等等间间隔的平行线隔的平行线v在在同同一一个个磁磁场场的的磁磁感感线线分分布布图图上上,磁磁感感线线的的疏疏密密程程度度表表示示磁磁感感应应强强度度的的大大小小，磁磁感感线越密的地方表示磁感强度越大线越密的地方表示磁感强度越大 磁通磁通 磁通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，简称磁通，用表示。=BS磁通的单位是韦伯（韦伯（Wb），），简称韦。韦。磁通磁通如果磁场不与所讨论的平面垂直，则应以这个平面在垂直于磁场B的方向的投影面积S与B的乘积来表示磁通。磁通磁通 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。磁导率磁导率v磁导率磁导率是表示磁场空间媒质是表示磁场空间媒质 磁性质的物理量，磁性质的物理量，是物质导磁能力的标志量。是物质导磁能力的标志量。其单位为H/m（亨/米）。真空磁导率真空磁导率0：实验测得，真空的磁导率：实验测得，真空的磁导率磁导率磁导率相对磁导率相对磁导率任一物质的磁导率与真空的磁导率的比值，用r表示，即磁介质的分类磁介质的分类顺磁物质顺磁物质空气、铝、锰、铬、铂等空气、铝、锰、铬、铂等反磁反磁物物质质 铜、氢、汞、硫等铜、氢、汞、硫等铁磁铁磁物物质质铁、镍、钴、硅钢等铁、镍、钴、硅钢等磁性材料分类磁性材料分类磁磁 性性 物物 质质 的的 磁磁 化化 示示 意意 图图(a)无外场，磁畴排列无外场，磁畴排列杂乱无章。杂乱无章。(b)在外场作用下，磁畴在外场作用下，磁畴排列逐渐进入有序化。排列逐渐进入有序化。磁性物质的磁化磁性物质的磁化 磁化磁化 磁畴磁畴 退磁退磁磁性物质的磁化磁性物质的磁化 磁化磁化使原来没有磁性的物质具有磁性的过程。不带磁性的铁片 铁片被磁化 磁性物质的磁化磁性物质的磁化 铁磁材料的分类铁磁材料的分类硬磁材料：不易磁化不易退磁软磁材料：容易磁化容易退磁矩磁材料：很易磁化很难退磁磁性物质的磁化磁性物质的磁化磁性纪录器件磁性纪录器件1.1.磁头和磁带磁头和磁带磁头由三个基本部分组成：环形铁心、线圈和工作气隙。此外还装有金属外壳，起磁屏蔽作用。磁性物质的磁化磁性物质的磁化声音的录入：声音信号电流经放大后，输入到磁带磁头线圈中，磁头紧贴磁带移动，经过磁头工作气隙的磁带就被磁化，声音信号就被纪录了下来。声音的播放：与录入相反，放音磁头紧贴磁带移动，产生感应电流，在经过放大后送给扬声器，便可看到重放的声音。磁性物质的磁化磁性物质的磁化2.2.磁卡磁卡银行的信用卡表面的黑色磁条上纪录着银行代码、户头编号、密码等数据，这些都是利用电磁感应方法写进去的。实际进行磁化时，是用磁性的有与无表示二进制的0和1。磁性的有无表示二进制的0和1磁性物质的磁化磁性物质的磁化在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从温度将从100100度上升。当温度到达大约度上升。当温度到达大约105105度时，由于度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。4 4 电磁感应电磁感应v电流能产生磁场，那么磁场能否产电流能产生磁场，那么磁场能否产生电流呢？生电流呢？v英国科学家用实验来回答了这个问英国科学家用实验来回答了这个问题。题。v 利用磁场产生电流的现象称为电磁感应现象电磁感应现象，产生的电流称为感应电流感应电流。条形磁铁插入和拔出线圈时产生感应电流，产生感应电流的电动势称为感应电动势应电动势。v 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：感应感应电流产生电流产生的磁通总的磁通总是阻碍原是阻碍原磁通的变磁通的变化化。楞次定律楞次定律感应电动势及方向判断感应电动势及方向判断v1感应电流产生的条件：只要穿过闭闭合合电路的磁磁通通量量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流其中“磁通量的变化”可能是：v 导体所围面积的变化；v 磁场与导体相对位置的变化；v 磁场本身强弱的变化。若电电路路不不闭闭合合，就不不会会产产生生感感应应电电流流，但电路中仍有感应电动势仍有感应电动势感应电动势与磁通变化率的关系感应电动势与磁通变化率的关系 线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正比化率成正比。单匝线圈产生的感应电动势的大小：N匝线圈产生感应电动势的大小：金属棒在磁场中作切割磁力线运动时的电磁感应现象010203040GSN 右手定则：右手定则：I感感BV伸开右手，伸开右手，拇指与四指拇指与四指垂直且与手垂直且与手掌在同一平掌在同一平面内面内手心对着手心对着磁感线来磁感线来的方向的方向大姆指是切大姆指是切割方向（运割方向（运动方向）动方向）四指是感应电四指是感应电流的方向流的方向直导体在磁场中运动产生的感应电动势直导体在磁场中运动产生的感应电动势v 导导线线的的切切割割方方向向与与磁磁场场方方向向垂垂直直成成:设设长长为为L L的的导导体体abab，在在磁磁感感强强度度为为B B的的匀匀强强磁磁场场中中以以速速度度v v向向右右匀匀速速运运动动，导导体体产产生生的的感感应应电电动势动势如果导体运动方向不与磁感线方向垂如果导体运动方向不与磁感线方向垂直，则导体中的感应电动势为：直，则导体中的感应电动势为：e=Blvsin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。正弦交流电的产生实际应用发动机例题例题 如下图所示，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。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。（2）设导体在 时间内左移距离为d则导电回路中磁通的变化量为所以感应电动势自感与互感自感与互感 一、自感现象一、自感现象合上开关，HL2比HL1亮的慢实验现象：实验现象：分分 析：析：由于线圈由于线圈L L自身的磁通量增加，而产生了感应电动自身的磁通量增加，而产生了感应电动势，这个感应电动势的作用是阻碍磁通量的增加，即势，这个感应电动势的作用是阻碍磁通量的增加，即原来所加电压相反，阻碍线圈中电流的增加，故通过原来所加电压相反，阻碍线圈中电流的增加，故通过与线圈串联的灯泡的电流不能立即增大到最大值，它与线圈串联的灯泡的电流不能立即增大到最大值，它的亮度只能慢慢增加的亮度只能慢慢增加断开开关，灯泡闪亮一下才熄灭实验现象：实验现象：分分 析：析：断开开关，断开开关，L L的电流突然减小，穿过的电流突然减小，穿过L L的磁通也迅的磁通也迅速减小，速减小，L L中产生一个很强的感应电动势，以阻碍电流中产生一个很强的感应电动势，以阻碍电流的减小。的减小。L L与灯在电源被切断后，由并联变成串联回路。与灯在电源被切断后，由并联变成串联回路。L L中瞬间产生较强的感应电动势，使该回路中瞬间通过中瞬间产生较强的感应电动势，使该回路中瞬间通过较大的感应电流，所以灯泡突然善良。较大的感应电流，所以灯泡突然善良。当线圈中的电流发生变化时，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。自感自感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，简称自感。自感电动势自感电动势自感现象中产生的感应电动势，用eL表示，自感电流用iL表示。自感电流产生的磁通称为自感磁通自感磁通自感系数自感系数（简称电感电感）在数值上等于一个线圈中通过单位电流所产生的自感磁通。用 表示 为线圈匝数 为每一个匝线圈的自感磁通 的单位是亨利，简称亨，用 表示。常用单位毫亨（）微亨（）二二、自感系数与自感电动势、自感系数与自感电动势线圈的电感是由线圈自身的特征决定的：（1）线圈越长线圈越长，电感越大（2）单位长度上的匝数越多单位长度上的匝数越多，电感越大（3）截面积越大截面积越大，电感越大（4）有铁心有铁心的比空心的电感大自感现象是电磁感应现象的一种特殊情况，也遵循法拉第电磁感应定律。把 代入 可得自感电动势大小的计算公式：三、互感现象和互感电动势三、互感现象和互感电动势当线圈当线圈 2 2 中的电流变化，中的电流变化，引起线圈引起线圈 1 1 的磁通量变化，的磁通量变化，线圈线圈 1 1 中产生感应电动势，中产生感应电动势，这种现象称为这种现象称为互感现象互感现象。该电动势叫该电动势叫互感电动势互感电动势。I2I11221 当线圈中的电流发生变化时，使得穿过邻近线圈当线圈中的电流发生变化时，使得穿过邻近线圈的磁通量也要发生变化，邻近线圈中也会有相应的感的磁通量也要发生变化，邻近线圈中也会有相应的感应电动势产生，这种现象称为应电动势产生，这种现象称为互感现象互感现象，简称，简称互感互感，由此产生的电动势称为由此产生的电动势称为互感电动势互感电动势用用 表示表示 线圈B中互感电动势的大小不仅与线圈A中电流变化率的大小有关，而且还与两个线圈的结构以及它们之间的相对位置有关。当两个线圈相互垂直时，互感电动势最小。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。M M为互感电动势为互感电动势 单位单位H H 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，用“”或“*”表示。四、互感线圈的同名端四、互感线圈的同名端互感器：互感器：通过互感线圈能够使能量或信号由一个线通过互感线圈能够使能量或信号由一个线 圈方便地传递到另一个线圈。电工、无线圈方便地传递到另一个线圈。电工、无线 电技术中使用的各种变压器都是互感器件。电技术中使用的各种变压器都是互感器件。感应圈：感应圈：利用低压直流电源获得高压放电。利用低压直流电源获得高压放电。电压互感器电压互感器电流互感器电流互感器感应圈感应圈应用应用变压器同名端：变压器同名端：u1i1u2i2i1i2u1u2 当电流当电流i1、i2分别从两个线圈对应的端纽流入时，分别从两个线圈对应的端纽流入时，磁通相互加强，则这两个端纽称作为同名端。磁通相互加强，则这两个端纽称作为同名端。意意 义：义：若电流若电流i1由由N1的的“”端流入，则在端流入，则在N2中产生的互感电压中产生的互感电压u21的正极在的正极在N2的的“”端。端。v同名端规定：同名端规定：