1、第五章,磁場和磁路,教學(xué)重點,1了解直線電流、環(huán)形電流以及螺線管電流的磁場，會用右手定則判斷其磁場的方向。,2理解磁感應(yīng)強度、磁通、磁導(dǎo)率、磁場強度的概念。,3了解勻強磁場的性質(zhì)及有關(guān)計算。,4掌握磁場對電流作用力的有關(guān)計算及方向的判斷，了解磁場對通電線圈的作用。,5了解鐵磁性物質(zhì)的磁化、磁化曲線和磁滯回線。,6了解磁動勢和磁阻的概念。,掌握磁路中的歐姆定律。,學(xué)時分配,教學(xué)難點,第五章磁場和磁路,第一節(jié)電流的磁效應(yīng),第二節(jié) 磁場的主要物理量,第三節(jié) 磁場對電流的作用力,第四節(jié) 鐵磁性物質(zhì)的磁化,第五節(jié) 磁路的基本概念,本章小結(jié),第一節(jié) 電流的磁效應(yīng),一、磁場,二、磁感線,三、電流的磁場,1磁

2、場：磁體周圍存在的一種特殊的物質(zhì)叫磁場。磁體間的相互作用力是通過磁場傳送的。磁體間的相互作用力稱為磁場力，同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。,2磁場的性質(zhì)：磁場具有力的性質(zhì)和能量性質(zhì)。,3磁場方向：在磁場中某點放一個可自由轉(zhuǎn)動的小磁針，它N極所指的方向即為該點的磁場方向。,一、磁場,二、磁感線,1磁感線 在磁場中畫一系列曲線，使曲線上每一點的切線方向都與該點的磁場方向相同，這些曲線稱為磁感線。如圖 5-1 所示。,圖 5-1磁感線,2特點,(1)磁感線的切線方向表示磁場方向，其疏密程度表示磁場的強弱。 (2)磁感線是閉合曲線，在磁體外部，磁感線由 N 極出來，繞到 S 極；在磁體內(nèi)部，磁感線

3、的方向由 S 極指向 N 極。 (3)任意兩條磁感線不相交。,說明：磁感線是為研究問題方便人為引入的假想曲線，實際上并不存在。,圖 5-2 所示為條形磁鐵的磁感線的形狀。,圖 5-2條形磁鐵的磁感線,3勻強磁場,在磁場中某一區(qū)域，若磁場的大小、方向都相同，這部分磁場稱為勻強磁場。勻強磁場的磁感線是一系列疏密均勻、相互平行的直線。,直線電流所產(chǎn)生的磁場方向可用安培定則來判定，方法是：用右手握住導(dǎo)線，讓拇指指向電流方向，四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向。,1電流的磁場,三、電流的磁場,環(huán)形電流的磁場方向也可用安培定則來判定，方法是：用讓右手彎曲的四指和環(huán)形電流方向一致，伸直的拇指所指的方向就是導(dǎo)

4、線環(huán)中心軸線上的磁感線方向。,螺線管通電后，磁場方向仍可用安培定則來判定：用右手握住螺線管，四指指向電流的方向，拇指所指的就是螺線管內(nèi)部的磁感線方向。,2電流的磁效應(yīng),電流的周圍存在磁場的現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng)。電流的磁效應(yīng)揭示了磁現(xiàn)象的電本質(zhì)。,第二節(jié) 磁場的主要物理量,一、磁感應(yīng)強度,二、磁通,三、磁導(dǎo)率,四、磁場強度,一、磁感應(yīng)強度,磁場中垂直于磁場方向的通電直導(dǎo)線所受的磁場力F 與電流 I 和導(dǎo)線長度 l 的乘積 Il 的比值叫做通電直導(dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強度 B。即,磁感應(yīng)強度是描述磁場強弱和方向的物理量。,磁感應(yīng)強度是一個矢量，它的方向即為該點的磁場方向。在國際單位制中，磁感應(yīng)強度的單

5、位是：特斯拉(T)。,用磁感線可形象地描述磁感應(yīng)強度 B 的大小，B 較大的地方，磁場較強，磁感線較密；B 較小的地方，磁場較弱，磁感線較稀；磁感線的切線方向即為該點磁感應(yīng)強度 B 的方向。,勻強磁場中各點的磁感應(yīng)強度大小和方向均相同。,二、磁通,在磁感應(yīng)強度為 B 的勻強磁場中取一個與磁場方向垂直，面積為 S 的平面，則 B 與 S 的乘積，叫做穿過這個平面的磁通量 ，簡稱磁通。即,即磁感應(yīng)強度 B 可看作是通過單位面積的磁通，因此磁感應(yīng)強度 B 也常叫做磁通密度，并用 Wb/m2 作單位。,磁通的國際單位是韋伯 (Wb) 。由磁通的定義式，可得, = BS,三、磁導(dǎo)率,1磁導(dǎo)率 ,磁場中各

6、點的磁感應(yīng)強度 B 的大小不僅與產(chǎn)生磁場的電流和導(dǎo)體有關(guān)，還與磁場內(nèi)媒介質(zhì)(又叫做磁介質(zhì))的導(dǎo)磁性質(zhì)有關(guān)。在磁場中放入磁介質(zhì)時，介質(zhì)的磁感應(yīng)強度 B 將發(fā)生變化，磁介質(zhì)對磁場的影響程度取決于它本身的導(dǎo)磁性能。,物質(zhì)導(dǎo)磁性能的強弱用磁導(dǎo)率 來表示。 的單位是： 亨利/米(H/m)。不同的物質(zhì)磁導(dǎo)率不同。在相同的條件下， 值越大，磁感應(yīng)強度 B 越大，磁場越強； 值越小，磁感應(yīng)強度 B 越小，磁場越弱。,真空中的磁導(dǎo)率是一個常數(shù)，用 0 表示 0 = 4 107 H/m,2相對磁導(dǎo)率 r,為便于對各種物質(zhì)的導(dǎo)磁性能進行比較，以真空磁導(dǎo)率 0 為基準(zhǔn)，將其他物質(zhì)的磁導(dǎo)率 與 0 比較，其比值叫相對磁

7、導(dǎo)率，用 r 表示，即,根據(jù)相對磁導(dǎo)率 r 的大小，可將物質(zhì)分為三類：,(1) 順磁性物質(zhì)：r 略大于 1，如空氣、氧、錫、鋁、鉛等物質(zhì)都是順磁性物質(zhì)。在磁場中放置順磁性物質(zhì)，磁感應(yīng)強度 B 略有增加。,(2) 反磁性物質(zhì)：r 略小于 1，如氫、銅、石墨、銀、鋅等物質(zhì)都是反磁性物質(zhì)，又叫做抗磁性物質(zhì)。在磁場中放置反磁性物質(zhì)，磁感應(yīng)強度 B 略有減小。,(3) 鐵磁性物質(zhì)：r 1，且不是常數(shù)，如鐵、鋼、鑄鐵、鎳、鈷等物質(zhì)都是鐵磁性物質(zhì)。在磁場中放入鐵磁性物質(zhì)，可使磁感應(yīng)強度 B 增加幾千甚至幾萬倍。,表 5-1 列出了幾種常用的鐵磁性物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。,表 5-1幾種常用鐵磁性物質(zhì)的相對磁導(dǎo)性,

8、四、磁場強度,在各向同性的媒介質(zhì)中，某點的磁感應(yīng)強度 B 與磁導(dǎo)率 之比稱為該點的磁場強度，記做 H。即,磁場強度 H 也是矢量，其方向與磁感應(yīng)強度 B 同向，國際單位是：安培/米 (A/m)。,必須注意：磁場中各點的磁場強度H的大小只與產(chǎn)生磁場的電流I的大小和導(dǎo)體的形狀有關(guān)，與磁介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。,第三節(jié) 磁場對電流的作用力,一、磁場對直線電流的作用力,二、磁場對通電線圈的作用力矩,三、電流表工作原理,一、磁場對直線電流的作用力,1.安培力的大小 磁場對放在其中的通電直導(dǎo)線有力的作用，這個力稱為安培力。 (1)當(dāng)電流 I 的方向與磁感應(yīng)強度 B 垂直時，導(dǎo)線受安培力最大，根據(jù)磁感應(yīng)強度,可得,

9、(2) 當(dāng)電流 I 的方向與磁感應(yīng)強度 B 平行時，導(dǎo)線不受安培力作用。,(3) 如圖 5-3 所示，當(dāng)電流 I 的方向與磁感應(yīng)強度 B 之間有一定夾角時，可將 B 分解為兩個互相垂直的分量：,一個與電流 I 平行的分量，B1 = Bcos；另一個與電流 I 垂直的分量，B2 = Bsin。B1 對電流沒有力的作用，磁場對電流的作用力是由 B2 產(chǎn)生的。因此，磁場對直線電流的作用力為,當(dāng) = 90 時，安培力 F 最大；當(dāng) = 0 時，安培力 F = 0。,圖 5-3磁場對直線電流的作用力,2單位 公式中各物理量的單位均采用用國際單位制：安培力 F的單位用牛頓(N)；電流I的單位用安培(A)；

10、長度l的單位用米(m)；磁感應(yīng)強度 B 的單位用特斯拉(T)。,3左手定則 安培力 F 的方向可用左手定則判斷：伸出左手，使拇指跟其他四指垂直，并都跟手掌在一個平面內(nèi)，讓磁感線穿入手心，四指指向電流方向，大拇指所指的方向即為通電直導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向。 由左手定則可知：F B，F(xiàn) I，即F垂直于 B、I 所決定的平面。,二、磁場對通電線圈的作用力矩,將一矩形線圈 abcd 放在勻強磁場中，如圖 5-4 所示,圖 5-4磁場對通電矩形線圈的作用力矩,線圈的頂邊 ad 和底邊 bc 所受的磁場力 Fad、Fbc 大小相等，方向相反，在一條直線上，彼此平衡；而作用在線圈兩個側(cè)邊 ab 和 c

11、d 上的磁場力 Fab、Fcd 雖然大小相等，方向相反，但不在一條直線上，產(chǎn)生了力矩，稱為磁力矩。,當(dāng)線圈平面與磁感線平行時，力臂最大，線圈受磁力矩最大；,當(dāng)線圈平面與磁感線垂直時，力臂為零，線圈受磁力矩也為零。,電流表就是根據(jù)上述原理工作的。,這個力矩使線圈繞 OO 轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中，隨著線圈平面與磁感線之間夾角的改變，力臂在改變，磁力矩也在改變。,三、電流表工作原理,1結(jié)構(gòu),電流表的結(jié)構(gòu)如圖 5-5 所示。,在一個很強的蹄形磁鐵的兩極間有一個固定的圓柱形鐵心，鐵心外套有一個可以繞軸轉(zhuǎn)動的鋁框，鋁框上繞有線圈，鋁框的轉(zhuǎn)軸上裝有兩個螺旋彈簧和一個指針，線圈兩端分別接在這兩個螺旋彈簧上，被測電流

12、就是經(jīng)過這兩個彈簧流入線圈的。,圖 5-5電流表的結(jié)構(gòu),2工作原理,如圖 5-6 所示，蹄形磁鐵和鐵心間的磁場是均勻地輻向分布，這樣，不論通電線圈轉(zhuǎn)到什么方向，它的平面都跟磁感線平行。因此，線圈受到的偏轉(zhuǎn)磁力矩 M1 就不隨偏角而改變。,通電線圈所受的的磁力矩 M1 的大小與電流 I 成正比，即 M1 = k1I 式中 k1 為比例系數(shù)。,圖 5-6磁電式電表的磁場,線圈偏轉(zhuǎn)使彈簧扭緊或扭松，于是彈簧產(chǎn)生一個阻礙線圈偏轉(zhuǎn)的力矩 M2 ，線圈偏轉(zhuǎn)的角度越大，彈簧的力矩也越大，M2 與偏轉(zhuǎn)角 成正比，即 M2 = k2 (式中 k2 為比例系數(shù)),當(dāng) M1、M2 平衡時，線圈就停在某一偏角上，固定

13、在轉(zhuǎn)軸上的指針也轉(zhuǎn)過同樣的偏角，指到刻度盤的某一刻度。,比較上述兩個力矩，因為 M1 = M2 ，所以 k1I = k2 ，即,即測量時偏轉(zhuǎn)角度 與所測量的電流成正比。這就是電流表的工作原理。這種利用永久性磁鐵來使通電線圈偏轉(zhuǎn)達到測量目的的儀表稱為磁電式儀表。,3磁電式儀表的特點,(1) 刻度均勻，靈敏度高，準(zhǔn)確度高。,(2) 負載能力差，價格較昂貴。,(3) 給電流表串聯(lián)一個阻值很大的分壓電阻，就可改裝成量程較大的電壓表；并聯(lián)一個阻值很小的分流電阻，就可改裝成量程較大的電流表；歐姆表也是由電流表改裝的。,第四節(jié) 鐵磁性物質(zhì)的磁化,一、鐵磁性物質(zhì)的磁化,二、磁化曲線,三、磁滯回線,一、鐵磁性物

14、質(zhì)的磁化,1磁化,本來不具備磁性的物質(zhì)，由于受磁場的作用而具有了磁性的現(xiàn)象稱為該物質(zhì)被磁化。只有鐵磁性物質(zhì)才能被磁化。,2被磁化的原因,(1)內(nèi)因：鐵磁性物質(zhì)是由許多被稱為磁疇的磁性小區(qū)域組成的，每一個磁疇相當(dāng)于一個小磁鐵。,(2)外因：有外磁場的作用。,如圖 5-7(a) 所示，當(dāng)無外磁場作用時，磁疇排列雜亂無章，磁性相互抵消，對外不顯磁性；,如圖 5-7(b) 所示，當(dāng)有外磁場作用時，磁疇將沿著磁場方向作取向排列，形成附加磁場，使磁場顯著加強。,有些鐵磁性物質(zhì)在撤去磁場后，磁疇的一部分或大部分仍然保持取向一致，對外仍顯磁性，即成為永久磁鐵。,圖 5-7鐵磁性物質(zhì)的磁化,不同的鐵磁性物質(zhì)，磁

15、化后的磁性不同。,鐵磁性物質(zhì)被磁化的性能，被廣泛地應(yīng)用于電子和電氣設(shè)備中，如變壓器、繼電器、電機等。,二、磁化曲線,1磁化曲線的定義,磁化曲線是用來描述鐵磁性物質(zhì)的磁化特性的。鐵磁性物質(zhì)的磁感應(yīng)強度 B 隨磁場強度 H 變化的曲線，稱為磁化曲線，也叫 BH 曲線。,2磁化曲線的測定,圖 5-8 中，(a)是測量磁化曲線裝置的示意圖，(b)是根據(jù)測量值做出的磁化曲線。由圖 5-8(b) 可以看出，B 與 H 的 關(guān)系是非線性的，即不是常數(shù)。,圖 5-8 磁化曲線的測定,3分析,(1) 0 1 段：曲線上升緩慢，這是由于磁疇的慣性，當(dāng) H 從零開始增加時，B 增加緩慢，稱為起始磁化段。,(2) 1

16、 2 段：隨著 H 的增大，B 幾乎直線上升，這是由于磁疇在外磁場作用下，大部分都趨向 H 方向，B 增加很快，曲線很陡，稱為直線段。,圖 5-8 磁化曲線的測定,(3) 2 3 段：隨著 H 的增加，B 的上升又緩慢了，這是由于大部分磁疇方向已轉(zhuǎn)向 H 方向，隨著 H 的增加只有少數(shù)磁疇繼續(xù)轉(zhuǎn)向，B 增加變慢。,(4) 3 點以后：到達 3 點以后，磁疇幾乎全部轉(zhuǎn)到了外磁場方向，再增大 H 值，B 也幾乎不再增加，曲線變得平坦，稱為飽和段，此時的磁感應(yīng)強度叫飽和磁感應(yīng)強度。,圖 5-8 磁化曲線的測定,圖 5-8 磁化曲線的測定,不同的鐵磁性物質(zhì)，B 的飽和值不同，對同一種材料，B的飽和值是

17、一定的。,電機和變壓器，通常工作在曲線的 2 3 段，即接近飽和的地方。,4磁化曲線的意義,在磁化曲線中，已知 H 值就可查出對應(yīng)的 B 值。因此，在計算介質(zhì)中的磁場問題時，磁化曲線是一個很重要的依據(jù)。,圖 5-9 給出了幾種不同鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線，從曲線上可看出，在相同的磁場強度 H 下，硅鋼片的 B 值最大，鑄鐵的 B 值最小，說明硅鋼片的導(dǎo)磁性能比鑄鐵要好得多。,圖 5-9幾種鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線,磁化曲線只反映了鐵磁性物質(zhì)在外磁場由零逐漸增強的磁化過程，而很多實際應(yīng)用中，鐵磁性物質(zhì)是工作在交變磁場中的。所以，必須研究鐵磁性物質(zhì)反復(fù)交變磁化的問題。,1磁滯回線的測定,三、磁滯回線,2分

18、析,圖 5-10 為通過實驗測定的某種鐵磁性物質(zhì)的磁滯回線。,(1)當(dāng) B 隨 H 沿起始磁化曲線達到飽和值以后，逐漸減小H 的數(shù)值，由圖可看出，B 并不沿起始磁化曲線減小，而是沿另一條在它上面的曲線 ab 下降。,(2) 當(dāng) H 減小到零時，B 0，而是保留一定的值稱為剩磁，用 Br 表示。永久性磁鐵就是利用剩磁很大的鐵磁性物質(zhì)制成的。,圖 5-10磁滯回線,(3)為消除剩磁，必須加反向磁場，隨著反向磁場的增強，鐵磁性物質(zhì)逐漸退磁，當(dāng)反向磁場增大到一定值時，B 值變?yōu)?0 ，剩磁完全消失，如圖 bc 段。,bc 段曲線叫退磁曲線，這時 H 值是為克服剩磁所加的磁場強度，稱為矯頑磁力，用 HC

19、 表示。矯頑磁力的大小反映了鐵磁性物質(zhì)保存剩磁的能力。,(4)當(dāng)反向磁場繼續(xù)增大時，B 值從 0 起改變方向，沿曲線 cd 變化，并能達到反向飽和點 d。,圖 5-10磁滯回線,(5)使反向磁場減弱到 0，BH 曲線沿 de 變化，在 e 點 H = 0，再逐漸增大正向磁場，BH 曲線沿 efa 變化，完成一個循環(huán)。,(6)從整個過程看，B 的變化總是落后于 H 的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。經(jīng)過多次循環(huán)，可得到一個封閉的對稱于原點的閉合曲線 (abcdefa) ，稱為磁滯回線。,圖 5-10磁滯回線,(7) 改變交變磁場強度 H 的幅值，可相應(yīng)得到一系列大小不一的磁滯回線，如圖 5-11 所

20、示。連接各條對稱的磁滯回線的頂點，得到一條磁化曲線，叫基本磁化曲線。,圖 5-10磁滯回線,圖 5-11基本磁化曲線,3磁滯損耗,鐵磁性物質(zhì)在交變磁化時，磁疇要來回翻轉(zhuǎn)，在這個過程中，產(chǎn)生了能量損耗，稱為磁滯損耗。磁滯回線包圍的面積越大，磁滯損耗就越大，所以剩磁和矯頑磁力越大的鐵磁性物質(zhì)，磁滯損耗就越大。因此，磁滯回線的形狀常被用來判斷鐵磁性物質(zhì)的性質(zhì)和作為選擇材料的依據(jù)。,圖 5-10磁滯回線,圖 5-11基本磁化曲線,第五節(jié) 磁路的基本概念,一、磁路,二、磁路的歐姆定律,一、磁路,1主磁通和漏磁通,如圖 5-12 所示，當(dāng)線圈中通以電流后，大部分磁感線沿鐵心、銜鐵和工作氣隙構(gòu)成回路，這部分

21、磁通稱為主磁通；還有一部分磁通，沒有經(jīng)過氣隙和銜鐵，而是經(jīng)空氣自成回路，這部分磁通稱為漏磁通。,圖 5-12主磁通和漏磁通,2磁路,磁通經(jīng)過的閉合路徑叫磁路。磁路和電路一樣，分為有分支磁路和無分支磁路兩種類型。,圖 5-12 給出了無分支磁路，圖 5-13 給出了有分支磁路。在無分支磁路中，通過每一個橫截面的磁通都相等。,圖 5-13有分支磁路,圖 5-12主磁通和漏磁通,二、磁路的歐姆定律,1磁動勢,通電線圈產(chǎn)生的磁通 與線圈的匝數(shù) N 和線圈中所通過的電流 I 的乘積成正比。,把通過線圈的電流 I 與線圈匝數(shù) N 的乘積，稱為磁動勢， 也叫磁通勢，即 Em = NI,磁動勢 Em 的單位是

22、安培(A)。,2磁阻,磁阻就是磁通通過磁路時所受到的阻礙作用，用 Rm 表示。磁路中磁阻的大小與磁路的長度 l 成正比，與磁路的橫截面積 S 成反比，并與組成磁路的材料性質(zhì)有關(guān)。因此有,式中， 為磁導(dǎo)率，單位 H/m；長度 l 和截面積 S 的單位分別為 m 和 m2 。因此，磁阻 Rm 的單位為 1/亨(H1)。由于磁導(dǎo)率 不是常數(shù)，所以 Rm 也不是常數(shù)。,3磁路歐姆定律,(1) 磁路歐姆定律,通過磁路的磁通與磁動勢成正比，與磁阻成反比，即,上式與電路的歐姆定律相似，磁通 對應(yīng)于電流 I ，磁動勢 Em 對應(yīng)于電動勢 E ，磁阻 Rm 對應(yīng)于電阻 R 。因此，這一關(guān)系稱為磁路歐姆定律。,(2) 磁路與電路的對應(yīng)關(guān)系,磁路中的某些物理量與電路中的某些物理量有對應(yīng)關(guān)系，同時磁路中某些物理量之間與電路中某些物理量之間也有相似的關(guān)系。,圖 5-14 是相對應(yīng)的兩種電路和磁路。,圖 5-14對應(yīng)的電路和磁路,表 5-2 列出了電路與磁路對應(yīng)的物理量及其關(guān)系式。,表 5-2磁路和電路中對應(yīng)的物理量及其關(guān)系式,本章小結(jié),一、磁場,二、電流的磁效應(yīng),三、描述磁場的物理量,四、磁場對電流的作用力,五、鐵磁性物質(zhì)的磁化,