《磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)》課件

磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)磁學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要分支，研究磁現(xiàn)象及其規(guī)律。磁現(xiàn)象是物質(zhì)的一種基本屬性，它與電現(xiàn)象密切相關(guān)。磁學(xué)概述磁現(xiàn)象磁學(xué)是研究磁現(xiàn)象及其應(yīng)用的物理學(xué)分支。指南針指南針是利用磁鐵的指向性，指示方向的儀器。電磁鐵電磁鐵是由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，可用于制造電機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備。磁懸浮列車磁懸浮列車?yán)么帕朔匦囊?，?shí)現(xiàn)無(wú)接觸懸浮運(yùn)行。自然界中的磁現(xiàn)象地球本身就是一個(gè)巨大的磁體，擁有南北磁極。指南針利用地球磁場(chǎng)來(lái)指示方向，這是最常見(jiàn)的磁現(xiàn)象。磁鐵可以吸引鐵、鈷、鎳等金屬，這是磁性物質(zhì)的特性。磁鐵在生活中有著廣泛的應(yīng)用，例如磁懸浮列車、磁性存儲(chǔ)設(shè)備等。磁性質(zhì)的定量描述磁性材料的性質(zhì)可以通過(guò)磁化強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁化率等參數(shù)來(lái)定量描述。磁化強(qiáng)度是指單位體積磁性材料中磁偶極矩的矢量和，它反映了材料內(nèi)部磁化程度。磁感應(yīng)強(qiáng)度是指磁場(chǎng)對(duì)磁性材料的作用力大小，它反映了磁場(chǎng)對(duì)材料的磁化程度。磁化率是指材料在外磁場(chǎng)作用下被磁化的難易程度，它反映了材料的磁性性質(zhì)。磁性材料的性質(zhì)可以通過(guò)這些參數(shù)進(jìn)行定量描述，這對(duì)于理解磁現(xiàn)象和設(shè)計(jì)磁性器件具有重要意義。磁場(chǎng)的基本概念磁場(chǎng)磁場(chǎng)是由磁鐵或電流產(chǎn)生的。磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，它在空間的每個(gè)點(diǎn)都有大小和方向。磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)強(qiáng)度的物理量，單位為特斯拉(T)。磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小和方向可以用磁場(chǎng)線來(lái)表示。安培環(huán)路定理定理內(nèi)容安培環(huán)路定理描述了電流與磁場(chǎng)之間的關(guān)系，它指出閉合路徑上磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分等于該路徑所包圍的電流的代數(shù)和。應(yīng)用范圍安培環(huán)路定理廣泛應(yīng)用于計(jì)算電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，例如計(jì)算長(zhǎng)直導(dǎo)線、螺線管和環(huán)形電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。重要意義安培環(huán)路定理是磁學(xué)中的重要定理之一，它為計(jì)算和分析磁場(chǎng)提供了有效工具，并揭示了電流與磁場(chǎng)之間密不可分的聯(lián)系。磁通量及磁通量定理磁通量是表示穿過(guò)某一面積的磁力線的數(shù)量，是描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的重要物理量。磁通量定理表明：穿過(guò)閉合曲面的磁通量恒為零，即磁力線是閉合曲線，沒(méi)有起點(diǎn)和終點(diǎn)，不會(huì)從任何地方突然消失或產(chǎn)生。1磁通量Φ=B·S2磁通量定理∮B·dS=03單位韋伯(Wb)4應(yīng)用電磁感應(yīng)現(xiàn)象磁導(dǎo)率及其分類磁導(dǎo)率材料對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)能力。真空磁導(dǎo)率真空中的磁導(dǎo)率，用μ0表示。相對(duì)磁導(dǎo)率材料磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率之比，用μr表示。磁化機(jī)制1原子磁矩原子中的電子繞原子核運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁矩，磁矩方向不同。2磁疇磁矩排列方向一致的區(qū)域形成磁疇。3磁化過(guò)程磁化過(guò)程是外磁場(chǎng)使磁疇排列整齊的過(guò)程。磁化機(jī)制是磁性材料在外磁場(chǎng)作用下磁性發(fā)生變化的過(guò)程。當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，磁疇的排列變得更整齊，磁化強(qiáng)度增加。磁導(dǎo)率與磁性的關(guān)系磁導(dǎo)率磁性衡量物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)能力物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)方式反映物質(zhì)在磁場(chǎng)中被磁化的難易程度磁化后產(chǎn)生的磁性類型磁導(dǎo)率高，物質(zhì)更容易被磁化，磁性強(qiáng)。磁導(dǎo)率低，物質(zhì)難以被磁化，磁性弱。鐵磁體的磁化曲線鐵磁體的磁化曲線描述了鐵磁材料在磁場(chǎng)作用下磁化強(qiáng)度的變化情況。磁化曲線呈現(xiàn)S形，反映了鐵磁體的非線性磁化特性。磁化曲線可以分為三個(gè)階段：初始磁化階段、飽和磁化階段和退磁階段。初始磁化階段，磁化強(qiáng)度隨著外磁場(chǎng)的增加而迅速增加。飽和磁化階段，磁化強(qiáng)度基本達(dá)到飽和狀態(tài)，不再隨外磁場(chǎng)的增加而明顯變化。退磁階段，外磁場(chǎng)減弱時(shí)，磁化強(qiáng)度也隨之減弱，但不會(huì)完全恢復(fù)到初始狀態(tài)。鋼鐵的磁性分類軟磁材料軟磁材料易于磁化和去磁化，磁滯回線窄，磁導(dǎo)率高，常用于變壓器、電磁鐵等磁性元件。硬磁材料硬磁材料難以磁化和去磁化，磁滯回線寬，磁導(dǎo)率低，常用于永磁體、磁記錄材料等。半硬磁材料半硬磁材料介于軟磁材料和硬磁材料之間，常用于磁性元件和磁性記錄材料等。軟磁材料的特點(diǎn)11.易磁化在外磁場(chǎng)作用下，很容易被磁化，磁化強(qiáng)度高。22.易退磁外磁場(chǎng)消失后，磁性迅速消失，磁滯回線窄小，剩磁和矯頑力低。33.損耗小在交變磁場(chǎng)中，磁滯損耗小，適合制作交流電磁元件。44.頻率特性好在高頻磁場(chǎng)中，磁導(dǎo)率變化小，適合制作高頻電磁元件。硬磁材料的特點(diǎn)高矯頑力硬磁材料的矯頑力高，磁化后不易退磁。高剩磁硬磁材料具有較高的剩磁，能夠保持較強(qiáng)的磁性。高能量積硬磁材料的能量積高，能夠存儲(chǔ)大量的磁能。穩(wěn)定性好硬磁材料在溫度、磁場(chǎng)等環(huán)境變化下，磁性保持穩(wěn)定。磁體的能量積磁體的能量積是衡量永磁體性能的重要指標(biāo)。它代表了永磁體在磁化過(guò)程中儲(chǔ)存的能量密度。能量積越高，意味著永磁體能夠在相同體積下儲(chǔ)存更多的能量。BHmax最大磁能積磁化曲線下的最大面積，代表著永磁體能夠儲(chǔ)存的最大能量密度。10M應(yīng)用廣泛能量積大于10M的永磁體應(yīng)用廣泛，例如電機(jī)、傳感器等。50磁性材料不同磁性材料的能量積差異很大，例如稀土永磁材料的能量積遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)永磁材料。40材料性能能量積也是評(píng)價(jià)永磁體材料性能的重要指標(biāo)，更高的能量積意味著更強(qiáng)的磁性。磁性元件的工作原理1磁場(chǎng)產(chǎn)生磁力2電磁鐵利用電流產(chǎn)生磁場(chǎng)3磁力吸引或排斥4磁性元件利用磁力實(shí)現(xiàn)功能磁性元件利用磁場(chǎng)和電磁鐵等基本原理，通過(guò)磁力實(shí)現(xiàn)特定功能，例如：繼電器利用電磁鐵控制電路的開(kāi)關(guān)，馬達(dá)利用磁場(chǎng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器利用磁場(chǎng)檢測(cè)目標(biāo)位置或狀態(tài)。電磁感應(yīng)現(xiàn)象磁場(chǎng)變化當(dāng)磁場(chǎng)穿過(guò)閉合電路的回路時(shí)，磁通量發(fā)生變化。感應(yīng)電流閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電流。法拉第定律感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量變化率成正比，方向遵循楞次定律。法拉第電磁感應(yīng)定律1變化的磁場(chǎng)法拉第電磁感應(yīng)定律表明，當(dāng)穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，電路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量變化率成正比，方向遵循楞次定律。3應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律是發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等許多電磁設(shè)備工作原理的基礎(chǔ)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及其應(yīng)用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的定義感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是指導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)或磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，它反映了導(dǎo)體內(nèi)部電荷的定向移動(dòng)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小可以通過(guò)法拉第電磁感應(yīng)定律計(jì)算，它等于磁通量變化率的負(fù)值。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的應(yīng)用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是發(fā)電機(jī)、變壓器、電磁感應(yīng)傳感器等多種電氣設(shè)備的核心原理，在電力、電子、自動(dòng)化等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。自感應(yīng)和互感應(yīng)1自感應(yīng)線圈中電流變化時(shí)產(chǎn)生的磁通量變化2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電流變化率成正比3互感應(yīng)兩個(gè)線圈之間由于電流變化引起的磁通量變化4感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)互感電動(dòng)勢(shì)與電流變化率成正比自感應(yīng)是電流變化時(shí)自身磁場(chǎng)對(duì)自身線圈的作用，而互感應(yīng)則是兩個(gè)線圈的電流變化產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)另一個(gè)線圈的作用。它們都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的表現(xiàn)形式，在電路中有著重要的應(yīng)用。變壓器的工作原理1交流電通過(guò)初級(jí)線圈產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)2磁場(chǎng)穿過(guò)次級(jí)線圈在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)3次級(jí)線圈輸出電壓與初級(jí)線圈電壓比值4變壓器原理應(yīng)用電力傳輸、電子設(shè)備變壓器是利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電壓變換的裝置。變壓器可以改變交流電的電壓，但不能改變交流電的頻率。交流電路的磁性分析交流電路中的電流和磁場(chǎng)隨時(shí)間變化。交流電路中的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向隨時(shí)間變化。交流電路中存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，影響電路中的電流和電壓。交流電路中的磁場(chǎng)會(huì)與其他磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生磁力。磁滯回線及其意義磁滯回線是描述鐵磁材料在磁化過(guò)程中磁化強(qiáng)度隨外磁場(chǎng)變化的曲線。當(dāng)外磁場(chǎng)不斷變化時(shí)，磁化強(qiáng)度不會(huì)立即跟隨外磁場(chǎng)變化，而是存在滯后現(xiàn)象，形成閉合的曲線。磁滯回線反映了材料的磁滯特性，包括矯頑力、剩磁、磁導(dǎo)率等。矯頑力反映材料保持磁性的能力，剩磁代表材料在外磁場(chǎng)消失后保留的磁性，磁導(dǎo)率則反映材料磁化容易程度。這些參數(shù)決定了材料的應(yīng)用方向。交流電機(jī)的工作原理磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)交流電通過(guò)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)隨交流電的頻率變化而旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的線圈受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用，產(chǎn)生電流并受到磁場(chǎng)力的作用，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。能量轉(zhuǎn)換交流電的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備工作。電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，構(gòu)成閉合回路，形成電流。電磁繼電器的工作原理1控制電路電流流過(guò)線圈，產(chǎn)生磁場(chǎng)。2磁場(chǎng)磁場(chǎng)吸引銜鐵，銜鐵移動(dòng)，帶動(dòng)觸點(diǎn)閉合。3工作電路觸點(diǎn)閉合，工作電路接通，工作電路電流流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)控制目的。電磁鐵的工作原理1通電線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)2鐵芯增強(qiáng)磁場(chǎng)3磁力吸引或排斥電磁鐵通過(guò)通電線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，鐵芯增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。鐵芯的磁性可以使電磁鐵產(chǎn)生更強(qiáng)的磁力，用于吸引或排斥磁性物質(zhì)。直流電機(jī)的工作原理1電流產(chǎn)生磁場(chǎng)直流電機(jī)通過(guò)線圈中的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。2磁場(chǎng)相互作用轉(zhuǎn)子繞組中的電流與定子磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。3轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)與轉(zhuǎn)軸相連的機(jī)械裝置，完成工作任務(wù)。馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩和功率轉(zhuǎn)矩（牛米）功率（瓦特）馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩和功率是重要的性能指標(biāo)，影響馬達(dá)的負(fù)載能力和工作效率。直流馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩和功率相對(duì)較低，適合輕負(fù)載應(yīng)用，交流馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩和功率較高，適合重負(fù)載應(yīng)用，步進(jìn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩和功率適中，適合精確控制的應(yīng)用。磁學(xué)在電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用磁存儲(chǔ)器磁存儲(chǔ)器利用磁性材料的磁化特性來(lái)存儲(chǔ)信息，例如硬盤驅(qū)動(dòng)器、磁帶等。磁傳感器磁傳感器廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，例如手機(jī)、汽車、醫(yī)療設(shè)備等