第五章磁场和磁路（电工技术基础与技能）

,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,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,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,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,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,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,电工技术基础与技能,演示文稿,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,1,电工技术基础与技能,演示文稿,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,1,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,1,5,磁场和磁路,教学重点,1,了解直线电流、环形电流以及螺线管电流的磁场，会用右手定则判断其磁场的方向。,2,理解磁感应强度、磁通、磁导率、磁场强度的概念。,3,了解匀强磁场的性质及有关计算。,4,掌握磁场对电流作用力的有关计算及方向的判断，了解磁场对通电线圈的作用。,5,磁场和磁路,5.1,电流的磁效应,5.2,磁场的主要物理量,5.3,磁场对通电导线的作用力,单元小结,5.1,电流的磁效应,一、磁场,二、磁感线,三、电流的磁场,1,磁场,：,磁体周围存在的一种特殊的物质称为磁场。磁体间的相互作用力是通过磁场传送的。磁体间的相互作用力称为磁场力，同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。,2,磁场的性质,：,磁场具有,力的性质和能量性质,。,3,磁场方向,：,在磁场中某点放一个可自由转动的小磁针，它,N,极所指的方向即为该点的磁场方向。,一、磁场,二、磁感线,1,磁感线,在磁场中画一系列曲线，使曲线上每一点的切线方向都与该点的磁场方向相同，这些曲线称为,磁感线,。如图,5-1,所示。,图,5-1,磁感线,2,特点,(,1,),磁感线的切线方向表示磁场方向，其疏密程度表示磁场的强弱。,(,2,),磁感线是闭合曲线，在磁体外部，磁感线由,N,极出来，绕到,S,极；在磁体内部，磁感线的方向由,S,极指向,N,极,。,(,3,),任意两条磁感线不相交。,说明：磁感线是为研究问题方便人为引入的假想曲线，实际上并不存在。,图,5-2,所示为条形磁铁的磁感线。,图,5-2,条形磁铁的磁感线,3,匀强磁场,在磁场中某一区域，若磁场的大小、方向都相同，这部分磁场称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线是一系列疏密均匀、相互平行的直线。,直线电流所产生的磁场方向可用,安培定则,来判定，方法是：用右手握住导线，让拇指指向电流方向，四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。,1,电流的磁场,三、电流的磁场,环形电流的磁场方向也可用安培定则来判定，方法是：让右手弯曲的四指和环形电流方向一致，伸直的拇指所指的方向就是导线环中心轴线上的磁感线方向。,螺线管通电后，磁场方向仍可用安培定则来判定：用右手握住螺线管，四指指向,电流的方向，拇指所指的就是螺线管内部的磁感线方向。,2,电流的磁效应,电流的周围存在磁场的现象称为,电流的磁效应,。,电流的磁效应揭示了磁现象的电本质。,5.2,磁场的主要物理量,一、磁感应强度,二、磁通,三、磁导率,四、磁场强度,一、磁感应强度,磁场中垂直于磁场方向的通电直导线所受的磁场力,F,与电流,I,和导线长度,l,的乘积,Il,的比值称为通电直导线所在处的磁感应强度,B,，即,磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量。,磁感应强度是一个,矢量,，它的方向即为该点的磁场方向。在国际单位制中，磁感应强度的单位是：,T (,特斯拉,),。,用,磁感线,可形象地描述磁感应强度,B,的大小，,B,较大的地方，磁场较强，磁感线较密，,B,较小的地方，磁场较弱，磁感线较稀，磁感线的切线方向即为该点磁感应强度,B,的方向。,匀强磁场,中各点的磁感应强度大小和方向均相同。,二、磁通,在磁感应强度为,B,的匀强磁场中取一个与磁场方向垂直，面积为,S,的平面，则,B,与,S,的乘积，称为穿过这个平面的磁通量,，简称磁通。即,即磁感应强度,B,可看作是通过单位面积的磁通，因此磁感应强度,B,也常称为,磁通密度,，并用,Wb/m,2,作单位。,磁通的国际单位制单位是,Wb,(,韦伯,),。,由磁通的定义式可得,=,BS,三、磁导率,1,磁导率,磁场中各点的磁感应强度,B,的大小不仅与产生磁场的电流和导体有关，还与磁场内,媒介质,(,又称为,磁介质,),的导磁性质有关。在磁场中放入磁介质时，磁场的磁感应强度,B,将发生变化，磁介质对磁场的影响程度取决于它本身的导磁性能。,物质导磁性能的强弱用,磁导率,来表示。,的单位是,H/m,(,亨,/,米,),。,不同的物质磁导率不同。在相同的条件下，,值越大，磁感应强度,B,越大，磁场越强；,值越小，磁感应强度,B,越小，磁场越弱。,真空中的磁导率是一个常数，用,0,表示,0,= 4,10,7,H/m,2,相对磁导率,r,为便于对各种物质的导磁性能进行比较，以真空磁导率,0,为基准，将其他物质的磁导率,与,0,比较，其比值称为,相对磁导率,，用,r,表示，即,根据相对磁导率,r,的大小，可将物质分为三类：,(,1,),顺磁性物质,：,r,略大于,1,，如空气、氧、锡、铝、铅等物质都是顺磁性物质。在磁场中放置顺磁性物质，磁感应强度,B,略有增加。,(,2,),反磁性物质,：,r,略小于,1,，如氢、铜、石墨、银、锌等物质都是反磁性物质，又称为做抗磁性物质。在磁场中放置,反磁性物质，,磁感应强度,B,略,有减小。,(,3,),铁磁性物质,：,r, 1,，,且不是常数，如铁、钢、铸铁、镍、钴等物质都是铁磁性物质。在磁场中放入铁磁性物质，可使磁感应强度,B,增加几千甚至几万倍。,表,5-1,列出了几种常用的铁磁性物质的相对磁导率。,表,5-1,几种常用铁磁性物质的相对磁导性,材料,相对磁导率,材料,相对磁导率,钴,174,已经退火的铁,7 000,未经退火的铸铁,240,变压器钢片,7 500,已经退火的铸铁,620,在真空中熔化的电解铁,12 950,镍,1 120,镍铁合金,60 000,软钢,2 180,“,C”,形坡莫合金,115 000,四、磁场强度,在各向同性的媒介质中，某点的磁感应强度,B,与磁导率,之比称为该点的,磁场强度，,记做,H,。即,磁场强度,H,也是矢量，其方向与磁感应强度,B,同向，国际单位制单位是,A/m (,安培,/,米,),。,必须注意：磁场中各点的磁场强度,H,的大小只与产生磁场的电流,I,的大小和导体的形状有关，与磁介质的性质无关。,5.3,磁场对电流的作用力,一、磁场对直线电流的作用力,二、磁场对通电线圈的作用力矩,三、电流表工作原理,一、磁场对直线电流的作用力,1,.,安培力的大小,磁场对放在其中的通电直导线有力的作用，这个力称为,安培力,。,(,1,),当电流,I,的方向与磁感应强度,B,垂直时，导线受安培力最大，根据磁感应强度,可得,(,2,),当电流,I,的方向与磁感应强度,B,平行时，导线不受安培力作用。,(,3,),如图,5-3,所示，当电流,I,的方向与磁感应强度,B,之间有一定夹角时，可将,B,分解为两个互相垂直的分量：,一个与电流,I,平行的分量，,B,1,=,B,cos,；,另一个与电流,I,垂直的分量，,B,2,=,B,sin,。,B,1,对电流没有力的作用，磁场对电流的作用力是由,B,2,产生的。因此，磁场对直线电流的作用力,当,= 90,时，安培力,F,最大；当,= 0,时，安培力,F,= 0,。,图,5-3,磁场对直线电流的作用力,2,单位,公式中各物理量的单位均采用用国际单位制：安培力,F,的单位用,N (,牛,),；,电流,I,的单位用,A (,安,),；,长度,l,的单位用,m (,米,),；,磁感应强度,B,的单位用,T (,特,),。,3,左手定则,安培力,F,的方向可用左手定则判断：伸出左手，使拇指与其他四指垂直，并都与手掌在一个平面内，让磁感线穿入手心，四指指向电流方向，大拇指所指的方向即为通电直导线在磁场中所受安培力的方向。,由左手定则可知：,F,B,，,F,I,，即,F,垂直于,B,、,I,所决定的平面。,二、磁场对通电线圈的作用力矩,将一矩形线圈,abcd,放在匀强磁场中，如图,5-4,所示,图,5-4,磁场对通电矩形线圈的作用力矩,线圈的顶边,ad,和底边,bc,所受的磁场力,F,ad,、,F,bc,大小相等，方向相反，在一条直线上，彼此平衡；而作用在线圈两个侧边,ab,和,cd,上的磁场力,F,ab,、,F,cd,虽然大小相等，方向相反，但不在一条直线上，产生了力矩，称为,磁力矩,。,当线圈平面与磁感线平行时，力臂最大，线圈受磁力矩最大；,当线圈平面与磁感线垂直时，力臂为零，线圈受磁力矩也为零。,电流表就是根据上述原理工作的。,这个力矩使线圈绕,OO,转动，转动过程中，随着线圈平面与磁感线之间夹角的改变，力臂在改变，磁力矩也在改变。,三、电流表工作原理,1,结构,电流表的结构如图,5-5,所示。,在一个很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁心，铁心外套有一个可以绕轴转动的铝框，铝框上绕有线圈，铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针，线圈两端分别接在这两个螺旋弹簧上，被测电流就是经过这两个螺旋弹簧流入线圈的。,图,5-5,电流表的结构,2,工作原理,如图,5-6,所示，蹄形磁铁和铁心间的磁场是均匀地辐向分布，这样，不论通电线圈转到什么方向，它的平面都与磁感线平行。因此，线圈受到的偏转磁力矩,M,1,就不随偏转角度而改变。,通电线圈所受的的磁力矩,M,1,的大小与电流,I,成正比，即,M,1,=,k,1,I,式中,k,1,为比例系数。,图,5-6,磁电式电表的磁场,线圈偏转使螺旋弹簧扭紧或扭松，于是螺旋弹簧产生一个阻碍线圈偏转的力矩,M,2,，,线圈偏转的角度越大，螺旋弹簧的力矩也越大，,M,2,与偏转角,成正比，即,M,2,=,k,2,(,式中,k,2,为比例系数,),当,M,1,、,M,2,平衡时，线圈就停在某一偏转角度上，固定在转轴上的指针也转过同样的偏转角度，指到刻度盘的某一刻度。,比较上述两个力矩，因为,M,1,=,M,2,，,所以,k,1,I,=,k,2,，即,即测量时偏转角度,与所测量的电流成正比。这就是电流表的工作原理。这种利用永久性磁铁来使通电线圈偏转达到测量目的的仪表称为,磁电式仪表,。,3,磁电式仪表的特点,(,1,),刻度均匀，灵敏度高，准确度高。,(,2,),负载能力差，价格较昂贵。,(,3,),给电流表串联一个阻值很大的分压电阻，就可改装成量程较大的电压表；并联一个阻值很小的分流电阻，就可改装成量程较大的电流表；电阻表也是由电流表改装的。,单元小结,一、磁场,二、电流的磁效应,三、描述磁场的物理量,四、磁场对电流的作用力,一、磁场,1,磁场是磁体周围存在的一种特殊物质，磁体通过磁场发生相互作用。,2,磁场的大小和方向可用磁感线来形象地描述：磁感线的疏密表示磁场的强弱，磁感线的切线方向表示磁场的方向。,二、电流的磁效应,1,通电导线周围存在着磁场，说明电可以产生磁，由电产生磁的现象称为电流的磁效应。电流具有磁效应说明磁现象具有电本质。,2,电流产生的磁场方向与电流的方向有关，可用安培定则，即右手螺旋定则来判断。,三、描述磁场的物理量,1,磁感应强度,B,B,是描述磁场强弱和磁场方向的物理量，它描述了磁场的力效应。当通电直导线与磁场垂直时，通过观察导线受力可知导线所在处的磁感应强度,2,磁通,匀强磁场中，穿过与磁感线垂直的某一截面的磁感线的条数，称为穿过这个面的磁通，,=,BS,。,3,磁导率,磁导率是描述媒介质导磁性能的物理量。某一媒介质的磁导率与真空磁导率之比，称为这种媒介质的相对磁导率,0,= 4 10,-,7,H/m,4,磁场强度,磁感应强度,B,与磁导率,之比称为该点的磁场强度,四、磁场对电流的作用力,1,磁场对放置于其中的直线电流有力的作用，其大小,F,=,BIl,sin,，,方向可用左手定则判断。,2,通电线圈放在磁场中将受到磁力矩的作用。,