电磁基本知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/1/3,#,第四章 磁场与电磁感应,电磁基本知识,磁场与电磁感应,一、磁场,二、磁场对电流的作用,三、电磁感应,四、自感和互感,1.,能应用右手螺旋定则正确判断通电长直导线和通电螺线管的磁场方向。,2.,理解磁感应强度、磁通、磁导率的概念。,一,、磁,场,磁场与电磁感应,随着科技的发展，磁的应用日益广泛。在通信设备中更是离不开。例如，电感元件、变压器、继电器、耳机、喇叭等等。下面我们就讨论磁现象及其规律，磁与电的联系和转化等知识。,磁体,及其性质,概 念,物体能够吸引铁、镍、钴等物质的性质称为,磁性,。具有磁性的物体称为,磁体,。磁体分,天然磁体,和,人造磁体,两大类 。,磁场与电磁感应,磁体上磁性最强的两个区域叫,磁极,，分别称为南极（,S,）和北极（,N,）。,N,S,小磁针,N,S,条形磁铁,U,形磁铁,地球的磁极,地理的南北极与地磁的南北极正好相反。,磁场与电磁感应,地球南极,地球北极,地磁北极,地磁南极,N,S,（一）、,磁场与磁感线,当两个磁极靠近时,它们之间会发生相互作用,:,同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引,。,两个磁极互不接触,却存在相互作用力,磁极间的相互作用力称为,磁力,。,这,是因为在磁体周围的空间中存在着一种特殊的物质,磁场,。,磁场与电磁感应,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,。正、负电荷可以独立存在，但磁铁的南极和北极是不能独立存在的。,用一些互不交叉的闭合曲线来描述磁场,这样的曲线称为,磁力线,。,磁力线,的疏密程度表现了各处磁场的强弱。,蹄形磁铁的,磁力线,条形磁铁的,磁力线,磁场与电磁感应,细铁屑形成的磁力线,磁场线具有以下特点：,1.,磁力线是,闭合曲线,。在磁铁外部的磁力线由,N,极指向,S,极,在磁体内部由,S,极指向,N,极；,2.,磁力线,互不相交,。这是因为磁场中任何一点的磁场方向只有一个；,3.,两同性磁极靠近时，它们的磁力线有相互推斥的力量；两异性磁极靠近时，它们的磁力线走捷径，力图缩短，有使两磁极互相吸引的力量；,4.,两同性磁极的磁力线方向相同时，总的磁性加强；两异性磁极的磁力线方向相反时互相抵消，总的磁性减弱。,在,磁场的某一区域里,如果,磁力线,是一些方向相同分布均匀的平行直线,则称这一区域为,匀强磁场,。,匀强磁场,磁场与电磁感应,（二）、,电流的磁场,不仅磁铁能产生磁场，,电流也能产生磁场,。电流产生磁场的这种现象称为,电流的磁效应,。,通电导线使磁针偏转,磁场与电磁感应,通电长直导线及通电螺线管周围的磁场方向可用,右手螺旋定则,(,也称,安培定则,),来确定。,磁场与电磁感应,磁场与电磁感应,【,例题,】,在图中标出磁场的方向,【,例题,】,判断小磁针如何转动,【,例题,】,标出电流,的方向,I,N,（三）、磁,场,的主要物理量,单 位：,特斯拉,（,T,）,均匀磁场：,感应强度大小、方向都相同,大 小：,方 向：,即为该点磁场的方向,定义,：垂直通过单位面积的磁力线数目，叫,磁感应强度，,又叫磁通密度。,磁场与电磁感应,1.,磁感应强度,磁场与电磁感应,放在真空中,式中,B,0,通电线圈的磁感应强度，,T,；,0,真空的磁导率，,H/m,；,N,线圈的匝数；,L,线圈的长度，,m,；,I,线圈中的电流，,A,。,在真空中，通电线圈磁感应强度的大小与,线圈的匝数,、,线圈长度,及,电流强度,有关。,磁感应强度,磁场与电磁感应,磁感应强度与媒介质的磁导率有关。,当把圆环线圈从真空中取出，并在其中放入相对磁导率为,r,的媒介质，则磁感应强度将是真空中的,r,倍，即：,磁感应强度,磁场与电磁感应,（,1,）,磁感应强度是反映磁场本身特性的物理量，跟磁场中是否存在通电导线无关。,（,2,）,B,的大小表示磁场的强弱，,B,越大表示磁场越强。,（,3,）,B,不仅能反映磁场的强弱，还能反映磁场具有方向性，磁场中某一点的磁场方向为该点的磁感应强度的方向。,注意事项,磁场与电磁感应,2.,磁通,符号,：,公式,：,意义,：定量描述磁场在某一面积上的分布。,单位,：韦伯（,Wb,）,定义,：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,。,磁场与电磁感应,讨论,:,如果磁场不与所讨论的平面垂直，那分布在面积,s,上的磁通应该怎样计算？,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。,说明：,当面积一定时，如果通过该面积的磁感线越多，则磁通越大，磁场越强。,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,，并且用,Wb/m,2,作单位。,磁通,3.,磁导率,磁导率,就是一个用来表示媒介质导磁性能的物理量,用,表示,其单位为,H/m(,亨,/,米,),。,为了比较媒介质对磁场的影响,把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,:,磁场与电磁感应,磁场与电磁感应,物理意义,：,是一个用来表示媒介质导磁性能的,物理量。,符号,：,单位,：,H/m,。,由实验测得真空中的磁导率,0,=410,-7,H/m,，为一常数。,磁导率,磁场与电磁感应,注：,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。,了 解,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：,磁场与电磁感应,根据相对磁导率的大小，可把物质分为三类：,顺磁物质,r,1,。如空气、铝、铬、,铂、锡等,。,反磁物质,r,1,。如氢、,铜、银、锌等,。,铁磁物质,r,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,、铁氧体等。,了 解,磁场与电磁感应,该点的磁感应强度,B,与媒介质磁导率,的比值即为磁场中某点的磁场强度，用,H,表示，即：,将 带入可得,磁场强度的单位为,A/m,。,4,、,磁场强度,表明，在一定电流值下，同一点的磁场强度不因磁场媒介质的不同而改变,。磁场强度,也是一个矢量，在均匀媒介质中，它的方向和磁感应强度的方向一致。,1.,理解磁场对电流的作用力,(,电磁力,),，能用左手定则正确判断电磁力的方向。,2.,了解磁场对通电线圈的作用及其应用。,二、,磁场对电流的作用,磁场与电磁感应,（一）、,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,也称,安培力,。,通电导线长度一定时,电流越大,电流所受电磁力越大；电流一定时,通电导线越长,电磁力也越大。,通电直导体在磁场中受到的电磁力,磁场与电磁感应,通电直导体在磁场内的受力方向可用,左手定则,来判断。,左手定则,磁场与电磁感应,伸开左手，磁感线垂直穿过手心，四指指向电流方向，则拇指所指方向就是导体受力方向。,磁场对电流的作用,电磁力,F,的大小,当导体,垂直,于磁场方向放置时，导体所受的电磁力与导体电流,I,、导体的有效长度,L,及磁感应强度,B,成正比。,F,ILB,B,与,L,垂直时：,L,B,B,=,F,/,Il,磁场对电流的作用,B,与,L,不垂直时：,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,l,sin,。电磁力的计算式变为,：,F,=,BIl,sin,（二）、,通电平行直导线间的作用,通入同方向电流的,通,入反方向电流的,平行导线相互吸引,平行导线相互排斥,磁场与电磁感应,磁场对电流的作用,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。,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。,。 。,（三）、,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。,直流电动机的原理,磁电式仪表的结构,磁场与电磁感应,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。,在均匀磁场中放入一个线圈，当给线圈通入电流时，它就会在电磁力的作用下旋转起来。,电刷,换向器,当线圈平面与磁感线平行时，线圈在,N,极一侧的部分所受电磁力向下，在,S,极一侧的部分所受电磁力向上，线圈按顺时针方向转动，这时线圈所产生的转矩最大。当线圈平面与磁感线垂直时，电磁转矩为零，但线圈仍靠惯性继续转动。通过换向器的作用，与电源负极相连的电刷,A,始终与转到,N,极一侧的导线相连，电流方向恒为由,A,流出线圈；与电源正极相连的电刷,B,始终与转到,S,极一侧的导线相连，电流方向恒为由,B,流入线圈。因此，线圈始终能按顺时针方向连续旋转。,原 理,磁场对通电线圈的作用,电刷,换向器,A,B,1.,理解感应电动势的概念,能用右手定则正确判断感应电动势的方向。,2.,掌握楞次定律及其应用,理解法拉第电磁感应定律。,三,电磁感应,磁场与电磁感应,（一）、,电磁感应现象,条形磁铁快速插入线圈,条形磁铁快速拔出线圈,电磁感应现象,磁场与电磁感应,这种磁场产生电流的现象称为,电磁感应,现象,产生的电流称为,感应电流,产生感应电流的电动势称为,感应电动势,。,感应电流的产生与磁通的变化有关。,当穿过闭合电路的磁通发生变化时,闭合电路中就有感应电流。,磁场与电磁感应,说明：只要穿过闭合回路的磁通量发生变化，无论电路是否闭合，都会有感应电动势；而只有回路是闭合的时候，回路中才会有感应电流。,（二）、,楞次定律,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要阻碍引起感应电流的磁通的变化。,如果把线圈看成是一个电源,则感应电流流出端,(,如图中线圈的下端,),为电源的正极。,磁场与电磁感应,（三）、,法拉第电磁感应定律,法拉第电磁感应定律：,线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正比。,N,匝线圈的感应电动势的大小为,感应电动势的方向需要根据楞次定律进行判定,在电路计算中,应根据实际方向与参考方向的关系确定其正负。,磁场与电磁感应,磁通量,磁通量的变化量,磁通量的变化率,（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,磁场与电磁感应,感应电动势的方向可用右手定则判断。,如图所示,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。,右手定则,磁场与电磁感应,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,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,导体运动方向与磁感,线方向有一个夹角,磁场与电磁感应,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。,发电机原理示意图,磁场与电磁感应,1.,了解自感现象、互感现象及其应用。,2.,理解自感系数和互感系数的概念。,3.,理解同名端的概念,能正确判断和测定互感线圈的同名端。,四,自感和互感,磁场与电磁感应,（一）、,自感,1.,自感现象,自感实验,电路,磁场与电磁感应,演示,1,：,开关,S,合,上,瞬间，灯,VD1,猛然亮一下，,然后熄灭,。,灯,VD2,不亮。,演示,2,：,当开关,S,断开,瞬间，,灯,VD2,猛然,亮一下，然后熄灭。,这种由于流过线圈自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,。,在自感现象中产生的感应电动势称为,自感电动势,用,e,L,表示,自感电流用,i,L,表示。,自感电动势的方向可,结合楞次定律,和,右手螺旋定则,来确定。,磁场与电磁感应,2.,自感系数,当线圈中通入电流后,这一电流使每匝线圈所产生的磁通称为,自感磁通,。,为了衡量不同线圈产生自感磁通的能力,引入,自感系数,(,又称,电感,),这一物理量,用,L,表示,它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。即,N,线圈匝数,磁通，单位韦伯（,Wb,）,I,通过线圈的电流，单位安培（,A,）,L,线圈的电感量，单位亨利（,H,）,有,铁心的线圈,其电感要比空心线圈的电感大得多。,磁场与电磁感应,3.,自感电动势的大小,自感现象是一种特殊的电磁感应现象,它必然也遵从法拉第电磁感应定律。,自感电动势大小的计算式为,自感电动势的大小与电流的变化率和自感系数之积成正比,电流变化率越大,自感电动势越大,反之亦然。所以，电感,L,也反映了线圈产生自感电动势的能力。,自感电动势的方向应根据楞次定律判定。,磁场与电磁感应,方向,：当线圈中电流增大,时，,e,L,与电流反向；,当,线圈中电流减小时，,e,L,与电流同向。,I,L,+,I,增大,I,减小,+,I,L,（二）、,互感,1.,互感现象,互感实验电路,这种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,简称,互感,。由互感产生的感应电动势称为,互感电动势,用,e,M,表示。,磁场与电磁感应,为描述一个线圈电流的变化在另一个线圈中产生互感电动势的能力,引入,互感系数,(,简称,互感,),这一物理量,用,M,表示,互感的单位也是,H,。,互感系数与两个线圈的匝数、几何形状、相对位置以及周围介质等因素有关。,磁场与电磁感应,2.,互感电动势的大小和方向,互感现象遵从法拉第电磁感应定律。互感电动势大小的计算式为,互感,电动势方向也应根据楞次定律判定。,磁场与电磁感应,互感系数,简称互感,（,2,）单位：,亨利（,H,）,（,1,）物理意义：,反映两线圈产生互感电动势,的能力,的物理量。,3.,同名端,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。,互感线圈的同名端,磁场与电磁感应,1,2,3,4,1,2,3,4,说明：明确同名端的互感线圈在电路中可以不必,画出,其具体绕法。,如下图,：,4.,互感线圈的连接,两个线圈的一对异名端相接称为,顺串,这时两个线圈的磁通方向是相同的。串接后的等效电感,两个互感线圈顺串,磁场与电磁感应,两个线圈的一对同名端相接称为,反串,这时两个线圈的磁通方向是相反的。串接后的等效电感,两个互感线圈反串,磁场与电磁感应,如果将两个相同线圈的同名端接在一起,则两个线圈所产生的磁通在任何时候都是大小相等而方向相反,因而相互抵消。这样接成的线圈就不会有磁通穿过。,在绕制电阻时,将电阻线对折,双线并绕，就可以制成,无感电阻,。,无感电阻,磁场与电磁感应,（,1,）、变压器,磁场与电磁感应,4.,互感应用,10kV,330kV,10kV,380V,变压器是如何工作的？,发电站,用户,发电机,升压,变压器,长距离输,电线路,一次升高,变电所,二次升高,变电所,工厂,低压,变电所,一般用户,变压器,的工作原理,变压器,的工作原理,原线圈,电流电压的输入端线圈。,副线圈,电流电压的输出端线圈。,电压与线圈匝数之间的关系,设副线圈开路，原线圈通过交变电流时原线圈两端的交变电压为,U,1,；副线圈两端的交变电压为,U,2,，则：,变压器原线圈和副线圈两端的电压之比等于它们的匝数之比,式中,k,称为,变压比,电压与线圈匝数之间的关系,当副线圈匝数,N,2,大于原线圈匝数,N,1,时，则副线圈输出的电压比原线圈高，这种变压器称为,升压变压器。,反之，副线圈匝数,N,2,小于原线圈匝数,N,1,时，则变压器就是,降压变压器。,降压变压器的副线圈两端电压比原线圈的低。副线圈匝数,N2,等于原线圈匝数,N1,时，则变压器就是隔离变压器。,电流与线圈匝数之间的关系,设原线圈是的电流为,I,1,；副线圈中的电流为,I,2,。则：,可以采用升高电压的办法来减小电路里的电流强度，从而达到减少电路里热损耗的目的。,在有铁心的线圈中通入交流电时,就有交变的磁场穿过铁心,这时会在铁心内部产生自感电动势并形成电流,由于这种电流形如旋涡,故称涡流。,（,2,）、,涡流,高频感应炉冶炼金属 家用电磁炉示意图,涡流的利用,磁场与电磁感应,4.,互感应用,单层铁心涡流损耗大 多层铁心涡流损耗小,采用多层铁心减小涡流损耗,磁场与电磁感应,（,3,）、,互感器,互感器有两个或两个以上绕组,它利用互感原理使交流电从一个绕组传向另一个,(,或几个,),绕组,以实现电能或信号的“隔空” 传递。,多绕组变压器,钳形电流表,互感原理的应用示例,磁场与电磁感应,电流互感器 电压互感器 收音机中的中,频变压器,互感原理的应用示例,磁场与电磁感应,漏电保护器原理图,三极,(,组合式,),二极,两种漏电保护器外形,漏电保护器,（,4,）、,汽车点火线圈,汽车点火线圈的外形 点火线圈的电路结构,磁场与电磁感应,