《磁學(xué)基礎(chǔ)知識》課件

磁學(xué)基礎(chǔ)知識磁學(xué)是物理學(xué)的一個重要分支，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，可用于制造電機、發(fā)電機等設(shè)備。磁懸浮列車磁懸浮列車利用磁力克服地心引力，實現(xiàn)無接觸懸浮運行。自然界中的磁現(xiàn)象地球本身就是一個巨大的磁體，擁有南北磁極。指南針利用地球磁場來指示方向，這是最常見的磁現(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)可以通過磁化強度、磁感應(yīng)強度和磁化率等參數(shù)來定量描述。磁化強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)強度是指磁場對磁性材料的作用力大小，它反映了磁場對材料的磁化程度。磁化率是指材料在外磁場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)可以通過這些參數(shù)進行定量描述，這對于理解磁現(xiàn)象和設(shè)計磁性器件具有重要意義。磁場的基本概念磁場磁場是由磁鐵或電流產(chǎn)生的。磁場是一個矢量場，它在空間的每個點都有大小和方向。磁場強度磁場強度是描述磁場強度的物理量，單位為特斯拉(T)。磁場強度的大小和方向可以用磁場線來表示。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之間的關(guān)系，它指出閉合路徑上磁場強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)用于計算電流產(chǎn)生的磁場，例如計算長直導(dǎo)線、螺線管和環(huán)形電流產(chǎn)生的磁場。重要意義安培環(huán)路定理是磁學(xué)中的重要定理之一，它為計算和分析磁場提供了有效工具，并揭示了電流與磁場之間密不可分的聯(lián)系。磁通量及磁通量定理磁通量是表示穿過某一面積的磁力線的數(shù)量，是描述磁場強弱和方向的重要物理量。磁通量定理表明：穿過閉合曲面的磁通量恒為零，即磁力線是閉合曲線，沒有起點和終點，不會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)率材料對磁場的反應(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。磁化機制1原子磁矩原子中的電子繞原子核運動產(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磁化過程磁化過程是外磁場使磁疇排列整齊的過程。磁化機制是磁性材料在外磁場作用下磁性發(fā)生變化的過程。當外磁場強度增加，磁疇的排列變得更整齊，磁化強度增加。磁導(dǎo)率與磁性的關(guān)系磁導(dǎo)率磁性衡量物質(zhì)對磁場的反應(yīng)能力物質(zhì)對磁場的反應(yīng)方式反映物質(zhì)在磁場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。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作用下磁化強度的變化情況。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，磁化強度隨著外磁場的增加而迅速增加。飽和磁化階段，磁化強度基本達到飽和狀態(tài)，不再隨外磁場的增加而明顯變化。退磁階段，外磁場減弱時，磁化強度也隨之減弱，但不會完全恢復(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11.易磁化在外磁場作用下，很容易被磁化，磁化強度高。22.易退磁外磁場消失后，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，能夠保持較強的磁性。高能量積硬磁材料的能量積高，能夠存儲大量的磁能。穩(wěn)定性好硬磁材料在溫度、磁場等環(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。它代表了永磁體在磁化過程中儲存的能量密度。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、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高于傳統(tǒng)永磁材料。40材料性能能量積也是評價永磁體材料性能的重要指標，更高的能量積意味著更強的磁性。磁性元件的工作原理1磁場產(chǎn)生磁力2電磁鐵利用電流產(chǎn)生磁場3磁力吸引或排斥4磁性元件利用磁力實現(xiàn)功能磁性元件利用磁場和電磁鐵等基本原理，通過磁力實現(xiàn)特定功能，例如：繼電器利用電磁鐵控制電路的開關(guān)，馬達利用磁場產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，傳感器利用磁場檢測目標位置或狀態(tài)。電磁感應(yīng)現(xiàn)象磁場變化當磁場穿過閉合電路的回路時，磁通量發(fā)生變化。感應(yīng)電流閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，驅(qū)動感應(yīng)電流。法拉第定律感應(yīng)電動勢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變化的磁場法拉第電磁感應(yīng)定律表明，當穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，電路中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。2感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢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、變壓器、電動機等許多電磁設(shè)備工作原理的基礎(chǔ)。感應(yīng)電動勢及其應(yīng)用感應(yīng)電動勢的定義感應(yīng)電動勢是指導(dǎo)體在磁場中運動或磁場發(fā)生變化時產(chǎn)生的電動勢，它反映了導(dǎo)體內(nèi)部電荷的定向移動。感應(yīng)電動勢的計算感應(yīng)電動勢的大小可以通過法拉第電磁感應(yīng)定律計算，它等于磁通量變化率的負值。感應(yīng)電動勢的應(yīng)用感應(yīng)電動勢是發(fā)電機、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)線圈中電流變化時產(chǎn)生的磁通量變化2感應(yīng)電動勢自感應(yīng)電動勢與電流變化率成正比3互感應(yīng)兩個線圈之間由于電流變化引起的磁通量變化4感應(yīng)電動勢互感電動勢與電流變化率成正比自感應(yīng)是電流變化時自身磁場對自身線圈的作用，而互感應(yīng)則是兩個線圈的電流變化產(chǎn)生的磁場對另一個線圈的作用。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交流電通過初級線圈產(chǎn)生變化的磁場2磁場穿過次級線圈在次級線圈中感應(yīng)出電動勢3次級線圈輸出電壓與初級線圈電壓比值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隨時間變化。交流電路中的磁場強度和方向隨時間變化。交流電路中存在感應(yīng)電動勢，影響電路中的電流和電壓。交流電路中的磁場會與其他磁場相互作用，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程中磁化強度隨外磁場變化的曲線。當外磁場不斷變化時，磁化強度不會立即跟隨外磁場變化，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。交流電機的工作原理磁場旋轉(zhuǎn)交流電通過線圈產(chǎn)生磁場，磁場隨交流電的頻率變化而旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)的線圈受到旋轉(zhuǎn)磁場的作用，產(chǎn)生電流并受到磁場力的作用，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。能量轉(zhuǎn)換交流電的電能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動機械設(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)電動勢，構(gòu)成閉合回路，形成電流。電磁繼電器的工作原理1控制電路電流流過線圈，產(chǎn)生磁場。2磁場磁場吸引銜鐵，銜鐵移動，帶動觸點閉合。3工作電路觸點閉合，工作電路接通，工作電路電流流動，實現(xiàn)控制目的。電磁鐵的工作原理1通電線圈產(chǎn)生磁場2鐵芯增強磁場3磁力吸引或排斥電磁鐵通過通電線圈產(chǎn)生磁場，鐵芯增強磁場強度。鐵芯的磁性可以使電磁鐵產(chǎn)生更強的磁力，用于吸引或排斥磁性物質(zhì)。直流電機的工作原理1電流產(chǎn)生磁場直流電機通過線圈中的電流產(chǎn)生磁場，磁場與定子磁場相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。2磁場相互作用轉(zhuǎn)子繞組中的電流與定子磁場相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。3轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，帶動與轉(zhuǎn)軸相連的機械裝置，完成工作任務(wù)。馬達的轉(zhuǎn)矩和功率轉(zhuǎn)矩（牛米）功率（瓦特）馬達的轉(zhuǎn)矩和功率是重要的性能指標，影響馬達的負載能力和工作效率。直流馬達的轉(zhuǎn)矩和功率相對較低，適合輕負載應(yīng)用，交流馬達的轉(zhuǎn)矩和功率較高，適合重負載應(yīng)用，步進馬達的轉(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)用磁存儲器磁存儲器利用磁性材料的磁化特性來存儲信息，例如硬盤驅(qū)動器、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、汽車、醫(yī)療設(shè)備等