第五章 磁場(chǎng)和磁路 （電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 ）.ppt

5磁場(chǎng)和磁路 教學(xué)重點(diǎn) 1 了解直線電流 環(huán)形電流以及螺線管電流的磁場(chǎng) 會(huì)用右手定則判斷其磁場(chǎng)的方向 2 理解磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通 磁導(dǎo)率 磁場(chǎng)強(qiáng)度的概念 3 了解勻強(qiáng)磁場(chǎng)的性質(zhì)及有關(guān)計(jì)算 4 掌握磁場(chǎng)對(duì)電流作用力的有關(guān)計(jì)算及方向的判斷 了解磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用 5磁場(chǎng)和磁路 5 1電流的磁效應(yīng) 5 2磁場(chǎng)的主要物理量 5 3磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力 單元小結(jié) 5 1電流的磁效應(yīng) 一 磁場(chǎng) 二 磁感線 三 電流的磁場(chǎng) 1 磁場(chǎng) 磁體周圍存在的一種特殊的物質(zhì)稱為磁場(chǎng) 磁體間的相互作用力是通過磁場(chǎng)傳送的 磁體間的相互作用力稱為磁場(chǎng)力 同名磁極相互排斥 異名磁極相互吸引 2 磁場(chǎng)的性質(zhì) 磁場(chǎng)具有力的性質(zhì)和能量性質(zhì) 3 磁場(chǎng)方向 在磁場(chǎng)中某點(diǎn)放一個(gè)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的小磁針 它N極所指的方向即為該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向 一 磁場(chǎng) 二 磁感線 1 磁感線在磁場(chǎng)中畫一系列曲線 使曲線上每一點(diǎn)的切線方向都與該點(diǎn)的磁場(chǎng)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(diǎn) 1 磁感線的切線方向表示磁場(chǎng)方向 其疏密程度表示磁場(chǎng)的強(qiáng)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(shí)際上并不存在 圖5 2所示為條形磁鐵的磁感線 圖5 2條形磁鐵的磁感線 3 勻強(qiáng)磁場(chǎng) 在磁場(chǎng)中某一區(qū)域 若磁場(chǎng)的大小 方向都相同 這部分磁場(chǎng)稱為勻強(qiáng)磁場(chǎng) 勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng) 三 電流的磁場(chǎng) 環(huán)形電流的磁場(chǎng)方向也可用安培定則來判定 方法是 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)線環(huán)中心軸線上的磁感線方向 螺線管通電后 磁場(chǎng)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(chǎng)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) 5 2磁場(chǎng)的主要物理量 一 磁感應(yīng)強(qiáng)度 二 磁通 三 磁導(dǎo)率 四 磁場(chǎng)強(qiáng)度 一 磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向的通電直導(dǎo)線所受的磁場(chǎng)力F與電流I和導(dǎo)線長(zhǎng)度l的乘積Il的比值稱為通電直導(dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 即 磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量 磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)矢量 它的方向即為該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向 在國(guó)際單位制中 磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是 T 特斯拉 用磁感線可形象地描述磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小 B較大的地方 磁場(chǎng)較強(qiáng) 磁感線較密 B較小的地方 磁場(chǎng)較弱 磁感線較稀 磁感線的切線方向即為該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向 勻強(qiáng)磁場(chǎng)中各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和方向均相同 二 磁通 在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中取一個(gè)與磁場(chǎng)方向垂直 面積為S的平面 則B與S的乘積 稱為穿過這個(gè)平面的磁通量 簡(jiǎn)稱磁通 即 即磁感應(yīng)強(qiáng)度B可看作是通過單位面積的磁通 因此磁感應(yīng)強(qiáng)度B也常稱為磁通密度 并用Wb m2作單位 磁通的國(guó)際單位制單位是Wb 韋伯 由磁通的定義式可得 BS 三 磁導(dǎo)率 1 磁導(dǎo)率 磁場(chǎng)中各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小不僅與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流和導(dǎo)體有關(guān) 還與磁場(chǎng)內(nèi)媒介質(zhì) 又稱為磁介質(zhì) 的導(dǎo)磁性質(zhì)有關(guān) 在磁場(chǎng)中放入磁介質(zhì)時(shí) 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B將發(fā)生變化 磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)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(qiáng)弱用磁導(dǎo)率 來表示 的單位是H m 亨 米 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(qiáng)度B越大 磁場(chǎng)越強(qiáng) 值越小 磁感應(yīng)強(qiáng)度B越小 磁場(chǎng)越弱 真空中的磁導(dǎo)率是一個(gè)常數(shù) 用 0表示 0 4 10 7H m 2 相對(duì)磁導(dǎo)率 r 為便于對(duì)各種物質(zhì)的導(dǎo)磁性能進(jìn)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 其比值稱為相對(duì)磁導(dǎo)率 用 r表示 即 根據(jù)相對(duì)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(chǎng)中放置順磁性物質(zhì) 磁感應(yīng)強(qiáng)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) 又稱為做抗磁性物質(zhì) 在磁場(chǎng)中放置反磁性物質(zhì) 磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)中放入鐵磁性物質(zhì) 可使磁感應(yīng)強(qiáng)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(duì)磁導(dǎo)率 表5 1幾種常用鐵磁性物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)性 四 磁場(chǎng)強(qiáng)度 在各向同性的媒介質(zhì)中 某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁導(dǎo)率 之比稱為該點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度 記做H 即 磁場(chǎng)強(qiáng)度H也是矢量 其方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B同向 國(guó)際單位制單位是A m 安培 米 必須注意 磁場(chǎng)中各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H的大小只與產(chǎn)生磁場(chǎng)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) 5 3磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力 一 磁場(chǎng)對(duì)直線電流的作用力 二 磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用力矩 三 電流表工作原理 一 磁場(chǎng)對(duì)直線電流的作用力 1 安培力的大小磁場(chǎng)對(duì)放在其中的通電直導(dǎo)線有力的作用 這個(gè)力稱為安培力 1 當(dāng)電流I的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B垂直時(shí) 導(dǎo)線受安培力最大 根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度 可得 2 當(dāng)電流I的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B平行時(shí) 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(qiáng)度B之間有一定夾角時(shí) 可將B分解為兩個(gè)互相垂直的分量 一個(gè)與電流I平行的分量 B1 Bcos 另一個(gè)與電流I垂直的分量 B2 Bsin B1對(duì)電流沒有力的作用 磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力是由B2產(chǎn)生的 因此 磁場(chǎng)對(duì)直線電流的作用力 當(dāng) 90 時(shí) 安培力F最大 當(dāng) 0 時(shí) 安培力F 0 圖5 3磁場(chǎng)對(duì)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(guó)際單位制 安培力F的單位用N 牛 電流I的單位用A 安 長(zhǎng)度l的單位用m 米 磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位用T 特 3 左手定則安培力F的方向可用左手定則判斷 伸出左手 使拇指與其他四指垂直 并都與手掌在一個(gè)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(chǎng)中所受安培力的方向 由左手定則可知 F B F I 即F垂直于B I所決定的平面 二 磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用力矩 將一矩形線圈abcd放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 如圖5 4所示 圖5 4磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)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(gè)側(cè)邊ab和cd上的磁場(chǎng)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(shí) 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(shí) 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(gè)力矩使線圈繞OO 轉(zhuǎn)動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)很強(qiáng)的蹄形磁鐵的兩極間有一個(gè)固定的圓柱形鐵心 鐵心外套有一個(gè)可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁框 鋁框上繞有線圈 鋁框的轉(zhuǎn)軸上裝有兩個(gè)螺旋彈簧和一個(gè)指針 線圈兩端分別接在這兩個(gè)螺旋彈簧上 被測(cè)電流就是經(jīng)過這兩個(gè)螺旋彈簧流入線圈的 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(chǎng)是均勻地輻向分布 這樣 不論通電線圈轉(zhuǎn)到什么方向 它的平面都與磁感線平行 因此 線圈受到的偏轉(zhuǎn)磁力矩M1就不隨偏轉(zhuǎn)角度而改變 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(chǎng) 線圈偏轉(zhuǎn)使螺旋彈簧扭緊或扭松 于是螺旋彈簧產(chǎn)生一個(gè)阻礙線圈偏轉(zhuǎn)的力矩M2 線圈偏轉(zhuǎn)的角度越大 螺旋彈簧的力矩也越大 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(shí) 線圈就停在某一偏轉(zhuǎn)角度上 固定在轉(zhuǎn)軸上的指針也轉(zhuǎn)過同樣的偏轉(zhuǎn)角度 指到刻度盤的某一刻度 比較上述兩個(gè)力矩 因?yàn)镸1 M2 所以k1I k2 即 即測(cè)量時(shí)偏轉(zhuǎn)角度 與所測(cè)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(dá)到測(cè)量目的的儀表稱為磁電式儀表 3 磁電式儀表的特點(diǎn) 1 刻度均勻 靈敏度高 準(zhǔn)確度高 2 負(fù)載能力差 價(jià)格較昂貴 3 給電流表串聯(lián)一個(gè)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(gè)阻值很小的分流電阻 就可改裝成量程較大的電流表 電阻表也是由電流表改裝的 單元小結(jié) 一 磁場(chǎng) 二 電流的磁效應(yīng) 三 描述磁場(chǎng)的物理量 四 磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力 一 磁場(chǎng) 1 磁場(chǎng)是磁體周圍存在的一種特殊物質(zhì) 磁體通過磁場(chǎng)發(fā)生相互作用 2 磁場(chǎng)的大小和方向可用磁感線來形象地描述 磁感線的疏密表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱 磁感線的切線方向表示磁場(chǎng)的方向 二 電流的磁效應(yīng) 1 通電導(dǎo)線周圍存在著磁場(chǎng) 說明電可以產(chǎn)生磁 由電產(chǎn)生磁的現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng) 電流具有磁效應(yīng)說明磁現(xiàn)象具有電本質(zhì) 2 電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與電流的方向有關(guān) 可用安培定則 即右手螺旋定則來判斷 三 描述磁場(chǎng)的物理量 1 磁感應(yīng)強(qiáng)度B B是描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和磁場(chǎng)方向的物理量 它描述了磁場(chǎng)的力效應(yīng) 當(dāng)通電直導(dǎo)線與磁場(chǎng)垂直時(shí) 通過觀察導(dǎo)線受力可知導(dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度 2 磁通 勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 穿過與磁感線垂