第1版教案磁场和磁路要点.pdf
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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
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