1、第第3章章 磁场与电磁感应磁场与电磁感应3.1 磁场磁场3.2 磁场的主要物理量磁场的主要物理量3.3 磁场对电流的作用磁场对电流的作用3.4 磁化与磁性材料磁化与磁性材料3.5 电磁感应电磁感应3.6 自感与互感自感与互感3.7 技能训练：验证楞次定律技能训练：验证楞次定律内内 容容3.1 磁场磁场3.1.1 磁场的基础知识磁场的基础知识3.1.2 电流的磁场电流的磁场3.1.3 电磁铁电磁铁 1.磁性磁性 具有吸引铁、镍、钴等物质的性质称为磁性。具有吸引铁、镍、钴等物质的性质称为磁性。2.磁体磁体 具有磁性的物质称为磁体。磁体有天然磁体和人造磁体两种。具有磁性的物质称为磁体。磁体有天然磁体
2、和人造磁体两种。3.磁极磁极 磁体上磁性最强的地方称为磁极。磁体上磁性最强的地方称为磁极。(1)北极（北极（N极）极）(2)南极（南极（S极）极）4.磁力磁力 磁极间的相互作用力称为磁力。磁极间的相互作用力称为磁力。5.磁场磁场 磁体周围磁力作用的空间称为磁场。磁体周围磁力作用的空间称为磁场。磁场方向：在磁场中，小磁针静止时磁场方向：在磁场中，小磁针静止时N极所指极所指的方向就是磁场方向。的方向就是磁场方向。6.磁感线磁感线 (1)定义：定义：为了直观地把磁场描绘出来，通常引用一些曲线，这些表示磁场为了直观地把磁场描绘出来，通常引用一些曲线，这些表示磁场状态的曲线称为磁感应线，简称为磁感线。状
3、态的曲线称为磁感应线，简称为磁感线。(2)磁感线的特征：磁感线的特征：A.磁感线是互不相交的闭合曲线，在磁体外部由磁感线是互不相交的闭合曲线，在磁体外部由N极指向极指向S极，在极，在磁体内部由磁体内部由S极指向极指向N极。极。B.磁感线上任意一点的切线方向，就是该点的磁场方向。磁感线上任意一点的切线方向，就是该点的磁场方向。C.磁感线越密集的地方磁场越强，磁感线越疏的地方磁场越弱。磁感线越密集的地方磁场越强，磁感线越疏的地方磁场越弱。1.电流的磁效应电流的磁效应 电流能产生磁场的现象，称为电流的磁效应。电流能产生磁场的现象，称为电流的磁效应。2.电流的磁场电流的磁场 (1)通电直导体的磁场通电
4、直导体的磁场-安培定则（右手螺旋定则）安培定则（右手螺旋定则）用右手握住直导体，让伸直的大拇指所指的方向与电流方向一用右手握住直导体，让伸直的大拇指所指的方向与电流方向一致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。(2)通电螺线管的磁场通电螺线管的磁场-安培定则（右手螺旋定则）安培定则（右手螺旋定则）用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向与电流用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向与电流方向一致，大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方方向一致，大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向，也就是通电螺线管的向，也就是通电螺线管的N极。
5、极。1.电磁铁的概念电磁铁的概念 应用电流产生磁场的原理，利用磁能吸引铁的特性应用电流产生磁场的原理，利用磁能吸引铁的特性而制成的一种电器称为电磁铁。而制成的一种电器称为电磁铁。3.1.3 电磁铁电磁铁 2.电磁铁的结构电磁铁的结构 一般由励磁线圈、铁心和衔铁三个主要部分组成。一般由励磁线圈、铁心和衔铁三个主要部分组成。3.电磁铁的工作原理电磁铁的工作原理 当励磁线圈中通过一定数值的电流时，铁心被磁化并对衔铁产生电磁吸当励磁线圈中通过一定数值的电流时，铁心被磁化并对衔铁产生电磁吸力，将衔铁吸向铁心。线圈断电后，电磁吸力消失，衔铁借助反作用弹簧的力，将衔铁吸向铁心。线圈断电后，电磁吸力消失，衔铁
6、借助反作用弹簧的作用力返回原来位置（复位）。作用力返回原来位置（复位）。4.电磁铁的种类电磁铁的种类 (1)按励磁电流的不同分为：直流电磁铁和交流电磁铁。按励磁电流的不同分为：直流电磁铁和交流电磁铁。(2)按用途和结构特点分为：起重用电磁铁和控制、保护用电磁铁。按用途和结构特点分为：起重用电磁铁和控制、保护用电磁铁。5.电磁铁的特点电磁铁的特点 动作迅速、灵敏、容易控制。动作迅速、灵敏、容易控制。3.2 磁场的主要物理量磁场的主要物理量3.2.1 磁通磁通3.2.2 磁感应强度磁感应强度3.2.3 磁导率磁导率3.2.4 磁场强度磁场强度（）通过与磁场方向垂直的某一面积上的磁感线通过与磁场方向
7、垂直的某一面积上的磁感线的总数，称为通过该面积的磁通量，简称磁通。的总数，称为通过该面积的磁通量，简称磁通。单位：韦伯（单位：韦伯（Wb）F3.2.2 磁感应强度（磁感应强度（B）1.磁感应强度磁感应强度与磁场方向垂直的单位面积上的磁通，称为磁感应强度。与磁场方向垂直的单位面积上的磁通，称为磁感应强度。SBF单位：特斯拉（单位：特斯拉（T）方向：磁感线上某点的切线方向，就是该点磁感应强度的方向。方向：磁感线上某点的切线方向，就是该点磁感应强度的方向。2.均匀磁场均匀磁场 若磁场中各点的磁感应强度的大小和方向都相同，若磁场中各点的磁感应强度的大小和方向都相同，这种磁场称为均匀磁场。这种磁场称为均
8、匀磁场。3.2.3磁导率（磁导率（）1.磁导率磁导率磁导率是衡量物质导磁性能的物理量。磁导率是衡量物质导磁性能的物理量。单位：亨利单位：亨利/米（米（H/m）真空中的磁导率真空中的磁导率0=410-7H/m2.相对磁导率（相对磁导率（r ）任一物质的磁导率与真空中磁导率的比值称为相对磁导率。任一物质的磁导率与真空中磁导率的比值称为相对磁导率。0r 3.物质的种类物质的种类(2)反磁物质（反磁物质（r稍小于稍小于1）：如氢、铜等）：如氢、铜等(1)顺磁物质顺磁物质 (r稍大于稍大于1）：如空气、铝、铬、铂等）：如空气、铝、铬、铂等(3)铁磁物质（铁磁物质（r远大于远大于1）：如铁、镍、钴及其合金
9、等）：如铁、镍、钴及其合金等表表3.1 几种常用铁磁物质的相对磁导率几种常用铁磁物质的相对磁导率铁磁物质铁磁物质 相对磁导率相对磁导率铁磁物质铁磁物质 相对磁导率相对磁导率 钴钴 2180 已经退火的铁已经退火的铁 7000 未经退火的铸铁未经退火的铸铁 1120 硅钢片硅钢片 7500 已经退火的铸铁已经退火的铸铁 620 真空中熔化的电解铁真空中熔化的电解铁 12950 镍镍 240 镍铁合金镍铁合金 60000 软钢软钢 174 C型坡莫合金型坡莫合金 115000 3.2.4 磁场强度磁场强度 1.磁感应强度磁感应强度 通电线圈在真空中的磁感应强度通电线圈在真空中的磁感应强度 lNIB
10、00通电线圈在某种媒介质中的磁感应强度通电线圈在某种媒介质中的磁感应强度 lNIlNIBr0 2.磁场强度（磁场强度（H）磁场中某点的磁感应强度磁场中某点的磁感应强度B与媒介质的磁导率与媒介质的磁导率 的比值，称为该点的磁场的比值，称为该点的磁场强度。强度。lNIBH 单位：安培单位：安培/米（米（A/m）磁场强度的数值只与电流的大小及导线的形状有关，而与磁场媒介质的磁场强度的数值只与电流的大小及导线的形状有关，而与磁场媒介质的磁导率无关。磁导率无关。一空心环形螺管线圈，匝数为一空心环形螺管线圈，匝数为103匝，内径为匝，内径为0.2m，外径为，外径为0.3m，当流入，当流入5A的电流时，试求
11、线圈的的电流时，试求线圈的H、B、值。值。解：螺管线圈的平均长度解：螺管线圈的平均长度 mddl785.0)43.02.0(2)4(221 螺管线圈的横截面积螺管线圈的横截面积 23210963.1)42.03.0(mS磁场强度磁场强度 mAlNIH/1037.6785.051033磁感应强度磁感应强度 THB3371081037.6104磁通磁通 WbBS5331057.110963.1108F3.3 磁场对电流的作用磁场对电流的作用3.3.1 磁场对通电直导体的作用磁场对通电直导体的作用3.3.2 磁场对通电线圈的作用磁场对通电线圈的作用sinBIlF 大小：载流导体在磁场中所受的作用力称
12、为电磁力。载流导体在磁场中所受的作用力称为电磁力。：导体与磁感线方向间的夹角：导体与磁感线方向间的夹角 方向：用左手定则来判断方向：用左手定则来判断 将左手伸平，拇指与四指垂直且在一个平面上，让磁感线垂直穿过手心，将左手伸平，拇指与四指垂直且在一个平面上，让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的受力方向。四指指向电流方向，则拇指所指方向就是导体的受力方向。若这根载流直导体所受的电磁力若这根载流直导体所受的电磁力AIml128.0、30,4.2 NF60F 【例例3.1】如图如图3.10所示，在均匀磁场中放一条所示，在均匀磁场中放一条它与磁感应强度的方向成它与磁感应强度的
13、方向成试求磁感应强度试求磁感应强度B及及时，导体受到的作用力时，导体受到的作用力 。的载流直导体，的载流直导体，得由式解，BIlF：sinTIlFB5.030sin8.0124.2sin，60若则导体受到的作用力则导体受到的作用力NBIlF2.460sin8.0125.0sin3.3.2磁场对通电线圈的作用磁场对通电线圈的作用-转矩转矩转矩转矩 cosNBISM（：线圈平面与磁感线的夹角）：线圈平面与磁感线的夹角）单位：牛顿单位：牛顿米（米（Nm）在磁感应强度为在磁感应强度为0.2T的均匀磁场中，放置一个刚性矩形线圈，其匝数的均匀磁场中，放置一个刚性矩形线圈，其匝数 N=50，线圈的长和宽各为
14、，线圈的长和宽各为 30cm、20cm，若通过的电流为，若通过的电流为5A，求当线圈平，求当线圈平面与磁感应强度方向分别成面与磁感应强度方向分别成0、60、90时的电磁转矩。时的电磁转矩。解：（解：（1）当）当=0时时 mNlNBIlNBISM30cos2.03.052.050coscos21（2）当）当=60时时mNlNBIlNBISM5.160cos2.03.052.050coscos21（3）当）当=90时时090cos2.03.052.050coscos21lNBIlNBISM3.4 磁化与磁性材料磁化与磁性材料3.4.1 物质的磁化物质的磁化3.4.2 磁性材料的分类磁性材料的分类3
15、.4.1 物质的磁化物质的磁化 1.磁化的概念磁化的概念 使原来没有磁性的物质具有磁性的过程称为磁化，凡是铁磁物使原来没有磁性的物质具有磁性的过程称为磁化，凡是铁磁物质都能被磁化。质都能被磁化。2.磁化曲线磁化曲线 铁磁物质（铁心）的铁磁物质（铁心）的B随随H变化的关系曲线，称为磁化曲线。变化的关系曲线，称为磁化曲线。3.磁滞回线磁滞回线 (1)磁滞回线磁滞回线 通过反复磁化得到的通过反复磁化得到的BH关系曲线，称为磁滞回线。关系曲线，称为磁滞回线。(2)磁滞磁滞 铁磁材料在反复磁化的过程中，磁感应强度铁磁材料在反复磁化的过程中，磁感应强度B的变化总是落后于磁的变化总是落后于磁场强度场强度H的
16、变化，这一现象称为磁滞。磁滞形成的原因是由于铁磁材料的变化，这一现象称为磁滞。磁滞形成的原因是由于铁磁材料中磁分子的惯性和摩擦造成的。中磁分子的惯性和摩擦造成的。(3)磁滞损耗磁滞损耗 铁心在反复磁化的过程中，由于要不断克服磁畴惯性将损耗一定的铁心在反复磁化的过程中，由于要不断克服磁畴惯性将损耗一定的能量，称为磁滞损耗。能量，称为磁滞损耗。3.4.2 磁性材料的分类磁性材料的分类名称名称 概念概念 特点特点 典型材料及用途典型材料及用途 硬磁材料硬磁材料 指剩磁和矫顽力均很大的铁指剩磁和矫顽力均很大的铁磁材料磁材料 不易磁化不易磁化不易退磁不易退磁 碳钢、钴钢等，适合制作永碳钢、钴钢等，适合制
17、作永久磁铁，扬声器的磁钢久磁铁，扬声器的磁钢 软磁材料软磁材料 指剩磁和矫顽力均很小的铁指剩磁和矫顽力均很小的铁磁材料磁材料 容易磁化容易磁化容易退磁容易退磁 硅钢、铸钢、铁镍合金等，硅钢、铸钢、铁镍合金等，适合制作电机、变压器、继适合制作电机、变压器、继电器等设备中的铁心电器等设备中的铁心 矩磁材料矩磁材料 指在很小的磁场作用下就能指在很小的磁场作用下就能磁化，一经磁化便达到饱和磁化，一经磁化便达到饱和值，去掉外磁，磁性仍能保值，去掉外磁，磁性仍能保持在饱和值的铁磁材料持在饱和值的铁磁材料 很易磁化很易磁化很难退磁很难退磁 锰镁铁氧体、锂锰铁氧体等，锰镁铁氧体、锂锰铁氧体等，适合制作磁带、计
18、算机的磁适合制作磁带、计算机的磁盘盘 3.5.1 电磁感应现象及其产生条件电磁感应现象及其产生条件3.5.2 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律3.5.3 楞次定律楞次定律3.5.1 电磁感应现象及其产生条件电磁感应现象及其产生条件1电磁感应电磁感应由于磁通变化而在导体或线圈中产生感应电动势的现象称为电磁感应。由于磁通变化而在导体或线圈中产生感应电动势的现象称为电磁感应。2感应电动势感应电动势由电磁感应产生的电动势称为感应电动势。由电磁感应产生的电动势称为感应电动势。3感应电流感应电流由感应电动势引起的电流由感应电动势引起的电流称为称为感应电流。感应电流。4产生电磁感应的条件：通过线圈回路的
19、磁通必须发生变化。产生电磁感应的条件：通过线圈回路的磁通必须发生变化。3.5.2 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通过同一线圈的磁通变化率（即变化线圈中感应电动势的大小与通过同一线圈的磁通变化率（即变化快慢）成正比，这一规律称为法拉第电磁感应定律。快慢）成正比，这一规律称为法拉第电磁感应定律。2直导体的感应电动势：直导体的感应电动势：sinBlve（：导体运动方向与磁感线的夹角：导体运动方向与磁感线的夹角）当当=0时，即导体运动方向与磁感线平行，则时，即导体运动方向与磁感线平行，则=0，当当=90时，即导体垂直于磁感线运动，则时，即导体垂直于磁感线运动，则=lv（
20、最大）（最大）1线圈的感应电动势：线圈的感应电动势：tNeDDF 【例例3.2】一个一个600匝的线圈，在匝的线圈，在0.1s时间内，线圈的时间内，线圈的磁通由磁通由0增加到增加到510-4Wb，求线圈的感应电动势。，求线圈的感应电动势。解：解：线圈的感应电动势为线圈的感应电动势为VtNtNe31.00-105600412DFFDDF【综合案例综合案例】在图在图3.17（a）中，设切割磁感线导体的长度）中，设切割磁感线导体的长度,5.0 ml水平运动的速度水平运动的速度=2m/s，匀磁场的磁感应强度，匀磁场的磁感应强度B=0.2T，闭合回路的电阻，闭合回路的电阻R=1。试求：。试求：（1）感应
21、电动势）感应电动势e的大小；的大小；（2）感应电流）感应电流I的大小；的大小；（3）电阻）电阻R消耗的功率。消耗的功率。解：（解：（1）感应电动势的大小为）感应电动势的大小为 VBlve2.025.02.0（3）电阻）电阻R消耗的功率为消耗的功率为 WRIP04.012.022(2)感应电流的大小为感应电流的大小为 AReI2.012.03.5.3 楞次定律楞次定律 1.楞次定律楞次定律 感应电流产生的磁场总是阻碍原磁通的变化。也就是说，当线感应电流产生的磁场总是阻碍原磁通的变化。也就是说，当线圈中的磁通增加时，感应电流就要产生与它方向相反的磁通去阻碍圈中的磁通增加时，感应电流就要产生与它方向
22、相反的磁通去阻碍它的增加；当线圈中的磁通减少时，感应电流就要产生与它方向相它的增加；当线圈中的磁通减少时，感应电流就要产生与它方向相同的磁通去阻碍它的减少。同的磁通去阻碍它的减少。2.判断感应电动势或感应电流方向的具体方法是：判断感应电动势或感应电流方向的具体方法是：(1)明确原磁通的方向及其变化的趋势（是增加还是减少）。明确原磁通的方向及其变化的趋势（是增加还是减少）。(2)根据楞次定律确定感应电流产生磁通方向。如果原有磁通根据楞次定律确定感应电流产生磁通方向。如果原有磁通的变化趋势是增加，则感应磁通与原有磁通方向相反；反之，如果的变化趋势是增加，则感应磁通与原有磁通方向相反；反之，如果原有
23、磁通的变化趋势是减少，则感应磁通与原有磁通方向相同。原有磁通的变化趋势是减少，则感应磁通与原有磁通方向相同。(3)根据感应磁通方向，应用安培定则（右手螺旋定则）判断根据感应磁通方向，应用安培定则（右手螺旋定则）判断出线圈中感应电动势或感应电流的方向。出线圈中感应电动势或感应电流的方向。3.直导体中感应电动势的方向直导体中感应电动势的方向-右手定则右手定则 伸平右手，拇指与其余四指垂直，让磁感线穿过手心，拇指指向导体运伸平右手，拇指与其余四指垂直，让磁感线穿过手心，拇指指向导体运动方向，则四指的方向便是感应电动势或感应电流的方向。动方向，则四指的方向便是感应电动势或感应电流的方向。【案例案例3.
24、1】试分析条形磁铁插入和拔出线圈的感应电流的方向。试分析条形磁铁插入和拔出线圈的感应电流的方向。3.6.1 自感自感3.6.2 互感互感3.6.3 涡流涡流3.6.1 自感自感 1.自感自感 由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应称为自感。由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应称为自感。2.自感电动势（自感电动势（eL）由自感产生的感应电动势称为自感电动势。由自感产生的感应电动势称为自感电动势。大小：大小：tiLeLDD式中：式中：L线圈的电感，单位为亨利（线圈的电感，单位为亨利（H）方向：用楞次定律来判断。方向：用楞次定律来判断。3.6.2 互感互感 1.互感互感 由于一个线
25、圈的电流发生变化而在另一个线圈中产生电磁感应称为由于一个线圈的电流发生变化而在另一个线圈中产生电磁感应称为互感。互感。2.互感电动势互感电动势)(Me由互感产生的感应电动势称为互感电动势。由互感产生的感应电动势称为互感电动势。大小：大小：tiMeMDD12 式中：式中：M线圈的互感系数，单位为亨利线圈的互感系数，单位为亨利(H)方向：用楞次定律来判断方向：用楞次定律来判断 【例例3.3】两个电感线圈的电感分别为两个电感线圈的电感分别为L1=0.64H，L2=0.25H，它们之间的，它们之间的互感系数为互感系数为M=0.2H，当线圈，当线圈L1中的电流变化率为中的电流变化率为2A/s时，试求：时
26、，试求：（1）线圈）线圈L1中的自感电动势；中的自感电动势；（2）线圈）线圈L2中的互感电动势。中的互感电动势。解：（解：（1）线圈）线圈L1中的自感电动势为中的自感电动势为 VtiLeL28.1264.0DD（2）线圈）线圈L2中的互感电动势为中的互感电动势为VtiMeM4.022.012DD 1.涡流涡流 在整块铁心的周围绕有线圈，当线圈中通以交变电流时，就会产在整块铁心的周围绕有线圈，当线圈中通以交变电流时，就会产生交变的磁场，处在该交变磁场中的铁心就要产生自成回路的感应电生交变的磁场，处在该交变磁场中的铁心就要产生自成回路的感应电流，这种感应电流形如水中的漩涡，故称为涡流。流，这种感应电流形如水中的漩涡，故称为涡流。3.6.3 涡流涡流 2.应用：高频感应炉、电度表应用：高频感应炉、电度表
