第1版教案磁场和磁路要点.pdf

《第1版教案磁场和磁路要点.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1版教案磁场和磁路要点.pdf（13页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、电工基础配套多媒体CAI 课件电子教案 40 第五章磁场和磁路 第一节电流的磁效应 一、磁场 1磁场 ：磁体周围存在的一种特殊的物质叫磁场。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。 序号内容学时 1 第一节电流的磁效应1 2 第二节磁场的主要物理量1 3 第三节磁场对电流的作用力1 4 第四节铁磁性物质的磁化1 5 第五节磁路的基本概念1 6 习题和小结1 7 本章总学时6 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

2、、 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了解铁磁性物质的磁化、磁化曲线和磁滞回线。 6了解磁动势和磁阻的概念。 掌握全电流定律和磁路中的欧姆定律。 电工基础配套多媒体CAI 课件电子教案 41 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。 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。 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

3、) 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的形状。 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。 三、电流的磁场 1电流的磁场 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。 图 5-2 条形磁铁的磁感线 图 5-1 磁感线 动

4、画 M5-1 直线电流的磁场 动画 M5-2 环行电流的磁场 电工基础配套多媒体CAI 课件电子教案 42 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。 第二节磁场的主要物理量 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

5、的比值叫做通电直导线所在处的磁感应强度B。即 Il F B 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：特斯拉(T)。 用磁感线 可形象的描述磁感应强度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，叫做穿过这个平面的磁通量，简称磁通。即 动画 M5-3 螺

6、线管电流磁场 动画 M5-4 磁感应强度 电工基础配套多媒体CAI 课件电子教案 43 = BS 磁通的国际单位是韦伯(Wb)。 由磁通的定义式，可得 S B 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也常叫做 磁通密度 ， 并用 Wb/m 2 作单位。 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 (又叫做 磁介质 )的导磁性质有关。在磁场中放入磁介质时，介质的磁感应强度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：亨利/米(H/m) 。不同的物质磁 导

7、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，其比值叫 相对磁导率 ，用 r表示，即 0 r 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 叫做

8、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率 材料相对磁导率材料相对磁导率 钴 未经退火的铸铁 已经退火的铸铁 镍 软钢 174 240 620 1120 2180 已经退火的铁 变压器钢片 在真空中熔化的电解铁 镍铁合金 “C”型玻莫合金 7000 7500 12 950 60 000 115 000 电工基础配套多媒体CAI

9、课件电子教案 44 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 HHB B H r0 磁场强度H 也是矢量，其方向与磁感应强度B 同向，国际单位是：安培/米(A/m) 。 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。 第三节磁场对电流的作用力 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 Il F B 可得 BIlF (2) 当电

10、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，B1 = Bcos ；另一个与电流 I 垂直的分量， B2 = Bsin 。B1 对电流没有力的作用，磁场对电流的作用力是由B2产生的。 因此， 磁场对直线电流的作用 力为 sin 2 BIlIlBF 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 图 5-4磁场对通电矩形线圈的作用力 电工基础配套多媒体CAI 课件电子教案 45 2单位 公

11、式中各物理量的单位均采用用国际单位制：安培力F 的单位用牛顿( N) ；电流 I 的 单位用安培 ( A) ；长度 l 的单位用米 ( m) ；磁感应强度B 的单位用特斯拉( T) 。 3左手定则 安培力 F 的方向可用左手定则判断：伸出左手，使拇指跟其他四指垂直，并都跟手掌 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：FB，FI，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， 线圈的顶边ad 和底边 bc 所受的 磁场力 Fad、

12、Fbc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Fab、Fcd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 。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。 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。 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

13、，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弹簧流入线圈的。 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，它的平面都跟磁感线平行。 因此，线圈受到的偏转磁力矩M1就不随偏角而改变。通电线圈 所受的的磁力矩M1的大小与电流I 成正比，即 M1 = k1I 式中 k1为比例系数。 线圈偏转使弹簧扭紧或扭松，于是弹簧产生一个阻碍线圈偏 转的力矩M2，线圈偏转的角度越大，弹簧的力矩也越大， M2与偏转角 成正比，即 M2 = k2 图 5-5 电流表的结构 图 5-6 磁电式电表的磁场

14、 电工基础配套多媒体CAI 课件电子教案 46 式中 k2为比例系数。 当 M1、M2平衡时， 线圈就停在某一偏角上，固定在转轴上的指针也转过同样的偏角， 指到刻度盘的某一刻度。 比较上述两个力矩，因为M1 = M2，所以 k1I = k2 ，即 kII k k 2 1 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

15、阻，就可改装成量程较大的电流表；欧姆表也是由电流表改装的。 第四节铁磁性物质的磁化 一、铁磁性物质的磁化 1磁化 本来不具备磁性的物质，由于受磁场的作用而具有了磁性的现象称为该物质被磁化 。 只有 铁磁性物质 才能被磁化。 2被磁化的原因 (1) 内因：铁磁性物质是由许多被称为磁畴 的磁性小区域组成的，每一个磁畴相当于 一个小磁铁。 (2) 外因：有外磁场的作用。 如图 5-7(a)所示，当无外磁场作用时，磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，对外不显 磁性；如图5-7(b)所示，当有外磁场作用时，磁畴将沿着磁场方向作取向排列，形成附加 磁场 ，使磁场显著加强。有些铁磁性物质在撤去磁场后，磁畴的一部

16、分或大部分仍然保持 取向一致，对外仍显磁性，即成为永久磁铁。 3不同的铁磁性物质，磁化后的磁性不同。 4铁磁性物质被磁化的性能，被广泛地应用于电子和电气设备中，如变压器、继电 图 5-7 铁磁性物质的磁化 电工基础配套多媒体CAI 课件电子教案 47 器、电机等。 二、磁化曲线 1磁化曲线的定义 磁化曲线是用来描述铁磁性物质的磁化特性的。铁磁性物质的磁感应强度B 随磁场强 度 H 变化的曲线，称为磁化曲线，也叫BH 曲线。 2磁化曲线的测定 图 5-8 中，(a)是测量磁化曲线装置的示意图，(b)是根据测量值做出的磁化曲线。由图 5-8(b)可以看出， B 与 H 的关系是非线性的，即 H B

17、 不是常数。 3分析 (1) 0 1 段：曲线上升缓慢，这是由于磁畴的惯性，当H 从零开始增加时，B 增加缓 慢，称为 起始磁化段 。 (2) 1 2 段：随着H 的增大， B 几乎直线上升，这是由于磁畴在外磁场作用下，大部 分都趋向H 方向， B 增加很快，曲线很陡，称为直线段 。 (3) 2 3 段：随着H 的增加， B 的上升又缓慢了，这是由于大部分磁畴方向已转向H 方向，随着H 的增加只有少数磁畴继续转向，B 增加变慢。 (4) 3 点以后： 到达 3点以后，磁畴几乎全部转到了外磁场方向，再增大H 值，B 也几 乎不再增加，曲线变得平坦，称为饱和段 ，此时的磁感应强度叫饱和磁感应强度。

18、 不同的铁磁性物质，B 的饱和值不同，对同一种材料，B 的饱和值是一定的。 电机和变压器，通常工作在曲线的2 3 段，即接近饱和的地方。 4磁化曲线的意义 在磁化曲线中，已知H 值就可查出对应的B 值。因此，在计算介质中的磁场问题时， 动画 M5-5 磁化曲线 图 5-8 磁化曲线的测定 电工基础配套多媒体CAI 课件电子教案 48 磁化曲线是一个很重要的依据。 图 5-9 给出了几种不同铁磁性物质的磁化曲线，从曲线上可看出，在相同的磁场强度 H 下，硅钢片的B 值最大，铸铁的B 值最小，说明硅钢片的导磁性能比铸铁要好得多。 三、磁滞回线 磁化曲线只反映了铁磁性物质在外磁场由零逐渐增强的磁化过

19、程，而很多实际应用 中，铁磁性物质是工作在交变磁场中的。所以，必须研究铁磁性物质反复交变磁化的问题。 1. 磁滞回线的测定 2分析 图 5-10 为通过实验测定的某种铁磁性物质的磁滞回线。 (1) 当 B 随 H 沿起始磁化曲线达到饱和值以后，逐渐减小H 的数值，由图可看出，B 并不沿起始磁化曲线减小，而是沿另一条在它上面的曲线ab 下降。 (2) 当 H 减小到零时， B0，而是保留一定的值称为剩磁 ，用 Br表示。永久性磁铁 就是利用剩磁很大的铁磁性物质制成的。 (3) 为消除剩磁，必须加反向磁场，随着反向磁场的增强，铁磁性物质逐渐退磁 ，当 反向磁场增大到一定值时，B 值变为 0，剩磁完

20、全消失， 如图 bc 段。bc 段曲线叫 退磁曲线 ， 这时 H 值是为克服剩磁所加的磁场强度，称为矫顽磁力 ，用 HC表示。矫顽磁力的大小反 映了铁磁性物质保存剩磁的能力。 (4) 当反向磁场继续增大时，B 值从 0 起改变方向，沿曲线cd 变化，并能达到反向饱 和点 d。 (5) 使反向磁场减弱到0，BH 曲线沿 de 变化，在 e 点 H=0，再逐渐增大正向磁场， BH 曲线沿 efa 变化，完成一个循环。 图 5-9 几种铁磁性物质的磁化曲线 图 5-10 磁滞回线 动画 M5-6 磁滞回线 电工基础配套多媒体CAI 课件电子教案 49 (6) 从整个过程看，B 的变化总是落后于H 的

21、变化，这种现象称为磁滞现象 。经过多 次循环，可得到一个封闭的对称于原点的闭合曲线(abcdefa)， 称为 磁滞回线 。 (7) 改变交变磁场强度H 的幅值，可相应得到一系列 大小不一的磁滞回线，如图5-11 所示。连接各条对称 的磁滞回线的顶点，得到一条磁化曲线，叫基本磁化曲线。 3磁滞损耗 铁磁性物质在交变磁化时，磁畴要来回翻转，在这个过 程中，产生了能量损耗，称为磁滞损耗 。磁滞回线包围的面 积越大，磁滞损耗就越大，所以剩磁和矫顽磁力越大的铁 磁性物质，磁滞损耗就越大。因此，磁滞回线的形状常被用来 判断铁磁性物质的性质和作为选择材料的依据。 第五节磁路的基本概念 一、磁路 1主磁通和漏

22、磁通 如图5-12 所示，当线圈中通以电流后，大部分磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成 回路，这部分磁通称为主磁通 ；还有一部分磁通，没有经过气隙和衔铁，而是经空气自成 回路，这部分磁通称为漏磁通 。 2磁路 磁通经过的闭合路径叫磁路 。磁路和电路一样，分为有分支磁路 和无分支磁路 两种类 型。图 5-12 给出了无分支磁路，图5-13 给出了有分支磁路。在无分支磁路中，通过每一 个横截面的磁通都相等。 二、磁路的欧姆定律 1磁动势 通电线圈产生的磁通与线圈的匝数N 和线圈中所通过的电流I 的乘积成正比。 把通过线圈的电流I 与线圈匝数N 的乘积，称为 磁动势 ，也叫 磁通势 ，即 图 5-11

23、 基本磁化曲线 图 5-12 主磁通和漏磁通图 5-13 有分支磁路 电工基础配套多媒体CAI 课件电子教案 50 Em = NI 磁动势 Em的单位是安培(A) 。 2磁阻 磁阻就是磁通通过磁路时所受到的阻碍作用，用Rm表示。磁路中磁阻的大小与磁路 的长度 l 成正比，与磁路的横截面积S成反比，并与组成磁路的材料性质有关。因此有 S l Rm 式中，为磁导率，单位H/m，长度 l 和截面积S的单位分别为m 和 m2。因此，磁阻Rm 的单位为1/亨 (H 1 )。由于磁导率不是常数，所以Rm也不是常数。 3磁路欧姆定律 (1) 磁路欧姆定律 通过磁路的磁通与磁动势成正比，与磁阻成反比，即 m

24、m R E 上式与电路的欧姆定律相似，磁通对 应于电流I，磁动势Em对应于电动势E，磁 阻 Rm对应于电阻R。因此，这一关系称为磁 路欧姆定律 。 (2) 磁路与电路的对应关系 磁路中的某些物理量与电路中的某些物 理量有对应关系，同时磁路中某些物理量之 间与电路中某些物理量之间也有相似的关 系。 图 5-14 是相对应的两种电路和磁路。 表 5-2 列出了电路与磁路对应的物理量 及其关系式。 三、全电流定律 表 5-2 磁路和电路中对应的物理量及其关系式 电路磁路 电流I 电阻 S l R 电阻率 电动势E 电路欧姆定律 R E I 磁通 磁阻 S l Rm 磁导率 磁动势INEm 磁路欧姆定

25、律 m m R E 图 5-14 对应的电路和磁路 电工基础配套多媒体CAI 课件电子教案 51 根据磁路的欧姆定律 m m R E ，将 S l RNIEBS mm 、 代入，可得 l IN B 将上式与HB对照，可得 l IN H或HlIN 即磁路中磁场强度H 与磁路的平均长度l 的乘积，在数值上等于激发磁场的磁动势， 这就是 全电流定律 。 磁场强度 H 与磁路平均长度l 的乘积，又称磁位差 ，用 Um表示，即 Um=Hl 磁位差 Um的单位为安培(A) 。 若所研究的磁路具有不同的截面，并且是由不同的材料构成的，则可以把磁路分成许 多段来考虑，于是有 nnl HlHlHIN 2211

26、或 m UHlIN 解：A9.39801.039809m/A39809 104 105 m 7 2 0 HlU BB H， 本 章 小 结 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的描述：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

27、物理量，它描述了磁场的力效应。当通电直导线与磁 【例 5-1】匀强磁场的磁感应强度为5 10 2T，媒 介质是空气，与磁场方向平行的线段长10cm，求这一 线段上的磁位差。 电工基础配套多媒体CAI 课件电子教案 52 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 Il F B 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，叫穿过这个面的磁通， =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，叫 这种介质的相对磁导率 0 r 。 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 l IN H B H，或。 四、磁场对电

28、流的作用力 1磁场对放置于其中的直线电流有力的作用，其大小为sinBIlF，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。 五、铁磁性物质的磁化 1铁磁性物质都能够磁化。铁磁性物质在反复磁化过程中，有饱和、剩磁、磁滞现 象，并且有磁滞损耗。 2 铁磁性物质的B 随 H 而变化的曲线称为磁化曲线，它表示了铁磁性物质的磁性能。 磁滞回线常用来判断铁磁性物质的性质和作为选择材料的依据。 六、磁路 1 磁通经过的闭合路径称为磁路。磁路中的磁通、磁动势和磁阻的关系，可用磁路 欧姆定律来表示，即 m m R E ，其中 S l Rm。 2由于铁磁性物质的磁导率不是常数，因此磁路欧姆定律一般不能直接用来进行 磁路计算，只用于定性分析。