工信版(中职）电工与电子技术第五章教学课件.ppt

YCF(中职）电工与电子技术第五章教学课件第五章第五章 电磁基本原理电磁基本原理第一节第一节 磁场的基本知识磁场的基本知识第二节第二节 磁场对电流的作用磁场对电流的作用第三节第三节 电磁感应电磁感应第四节第四节 自感与互感自感与互感返回第一节第一节 磁场的基本知识磁场的基本知识 一、磁场概述一、磁场概述 能够产生磁力的空间存在着磁场。磁场是一种特殊的物质。磁体周能够产生磁力的空间存在着磁场。磁场是一种特殊的物质。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。用一根条形磁铁去吸引铁屑时，我们发现磁铁两端吸引的铁屑最多，用一根条形磁铁去吸引铁屑时，我们发现磁铁两端吸引的铁屑最多，可见两端的磁性最强，我们把磁性最强的两端叫做磁极。如果将条形可见两端的磁性最强，我们把磁性最强的两端叫做磁极。如果将条形磁铁悬挂起来，还发现它的一端指南，一端指北。指北的一端叫北极磁铁悬挂起来，还发现它的一端指南，一端指北。指北的一端叫北极(用用N表示表示)，指南的一端叫南极，指南的一端叫南极(用用S表示表示)。任何磁体都有不可分割的。任何磁体都有不可分割的南北两极。南北两极。把一个原来没有磁性的铁制或钢制物体，接触磁铁的磁极后，发现把一个原来没有磁性的铁制或钢制物体，接触磁铁的磁极后，发现它也能吸引铁屑，就是说它也有了磁性。这种使原来没有磁性的物体它也能吸引铁屑，就是说它也有了磁性。这种使原来没有磁性的物体得到磁性称为磁化。得到磁性称为磁化。下一页返回第一节第一节 磁场的基本知识磁场的基本知识 物体被磁化后，其磁性将有不同程度的保留，这种磁化后保留下来的物体被磁化后，其磁性将有不同程度的保留，这种磁化后保留下来的磁性叫剩磁。不同的材料，剩磁大小不同。剩磁大的材料叫硬磁材料，磁性叫剩磁。不同的材料，剩磁大小不同。剩磁大的材料叫硬磁材料，如钨钢，铝镍钻合金等，适用于制造永久磁体。剩磁小的材料叫软磁如钨钢，铝镍钻合金等，适用于制造永久磁体。剩磁小的材料叫软磁材料，如硅钢片、铸钢和铸铁等，适用于制造电机、变压器和电磁铁材料，如硅钢片、铸钢和铸铁等，适用于制造电机、变压器和电磁铁的铁芯。的铁芯。二、电流的磁场二、电流的磁场 1820年，丹麦物理学家奥斯特发现，放在通电导线周围的小磁针也年，丹麦物理学家奥斯特发现，放在通电导线周围的小磁针也会发生偏转。这说明不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场，磁和会发生偏转。这说明不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场，磁和电是有密切联系的。电是有密切联系的。1.通电直导线的磁场通电直导线的磁场 通电直导线的磁场如通电直导线的磁场如图图5一一1(a)所示。图中的磁力线是以导线上各所示。图中的磁力线是以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在和导线垂直的平面上。磁力线的点为圆心的同心圆，这些同心圆都在和导线垂直的平面上。磁力线的上一页 下一页返回第一节第一节 磁场的基本知识磁场的基本知识方向和电流方向的关系可用右手螺旋定则方向和电流方向的关系可用右手螺旋定则(也叫安培定则也叫安培定则)来确定来确定:用右用右手握住导线，让伸直的大拇指指向电流方向，那么弯曲四指所指的方手握住导线，让伸直的大拇指指向电流方向，那么弯曲四指所指的方向就是磁力线的环绕方向，如图向就是磁力线的环绕方向，如图5一一1(b)所示。所示。例例5一一1用右手螺旋定则判定用右手螺旋定则判定图图5一一2中各导线中的电流方向或磁力线方中各导线中的电流方向或磁力线方向。向。解在图解在图5-2(a)中，用右手握住导线，因导线上方磁力线向外，故四中，用右手握住导线，因导线上方磁力线向外，故四指应从导线上方穿出，则伸直的大拇指指向右方，所以导线中电流的指应从导线上方穿出，则伸直的大拇指指向右方，所以导线中电流的方向是从左向右的。方向是从左向右的。在图在图5-2(b)中，用右手握住导线，因电流方向向外，故伸直的大拇指中，用右手握住导线，因电流方向向外，故伸直的大拇指亦应垂直纸面向外，则弯曲四指为逆时针方向，所以磁力线是逆时针亦应垂直纸面向外，则弯曲四指为逆时针方向，所以磁力线是逆时针方向。磁力线的形状是以导线为圆心的同心圆。方向。磁力线的形状是以导线为圆心的同心圆。上一页 下一页返回第一节第一节 磁场的基本知识磁场的基本知识2.通电线圈的磁场通电线圈的磁场 实际应用中，常把导线绕成线圈，称为螺线管。螺线管通电后产生实际应用中，常把导线绕成线圈，称为螺线管。螺线管通电后产生的磁场如的磁场如图图5一一3(a)所示。从图中可看出，通电螺线管和条形磁铁一样所示。从图中可看出，通电螺线管和条形磁铁一样，也存在着两个磁极。线圈磁极的极性和电流方向之间的关系，也可，也存在着两个磁极。线圈磁极的极性和电流方向之间的关系，也可用右手螺旋定则来判定用右手螺旋定则来判定:用右手握住线圈，让弯曲四指和线圈中电流方用右手握住线圈，让弯曲四指和线圈中电流方向一致，伸直的大拇指的方向就是线圈磁极的向一致，伸直的大拇指的方向就是线圈磁极的N极，如图极，如图5一一3(b)所示。所示。例例5-2用右手螺旋定则判定图用右手螺旋定则判定图5-4中线圈内电流方向或线圈磁极的极中线圈内电流方向或线圈磁极的极性。性。解在解在图图5-4(a)中，用右手握住螺线管，因电流从端中，用右手握住螺线管，因电流从端“2”流进，故流进，故四指应沿着端四指应沿着端“2”从螺线管下部伸进去，则伸直大拇指指向右方，从螺线管下部伸进去，则伸直大拇指指向右方，所以线圈磁极的极性应是右所以线圈磁极的极性应是右“N，左，左“S。上一页 下一页返回第一节第一节 磁场的基本知识磁场的基本知识在图在图5一一4(b)中，用右手握住螺线管，因线圈上端为中，用右手握住螺线管，因线圈上端为N极，故伸直的大极，故伸直的大拇指应向上，则弯曲四指环绕线圈指向端拇指应向上，则弯曲四指环绕线圈指向端“1，所以线圈中电流方向，所以线圈中电流方向应从端应从端“2”流进端流进端“1”流出。流出。三、磁场的基本物理量三、磁场的基本物理量1.磁通磁通磁通是通过某一截面积的磁力线总数，用字母磁通是通过某一截面积的磁力线总数，用字母表示，单位为韦伯表示，单位为韦伯(Wb)。工程上还曾用麦克斯韦。工程上还曾用麦克斯韦(Mx)作单位，简称作单位，简称“麦麦”，它们的关系，它们的关系为为上一页 下一页返回第一节第一节 磁场的基本知识磁场的基本知识2.磁感应强度磁感应强度 单位面积上垂直穿过的磁通，即磁通密度叫做磁感应强度，用字母单位面积上垂直穿过的磁通，即磁通密度叫做磁感应强度，用字母B表示，单位为特斯拉，简称表示，单位为特斯拉，简称“特特”(T)。在工程上，磁感应强度也曾。在工程上，磁感应强度也曾使用高斯使用高斯(Gs)作单位，简称作单位，简称“高高”。高斯为非法定计量单位，其换算。高斯为非法定计量单位，其换算关系为关系为磁感应强度不但有大小，而且有方向。磁感应强度的方向就是磁场的磁感应强度不但有大小，而且有方向。磁感应强度的方向就是磁场的方向，也就是小磁针北极在该点的指向。当磁力线与截面垂直时，磁方向，也就是小磁针北极在该点的指向。当磁力线与截面垂直时，磁感应强度和磁通的关系为感应强度和磁通的关系为或或上一页 下一页返回第一节第一节 磁场的基本知识磁场的基本知识3.磁导率磁导率磁导率磁导率w，就是一个用来表示介质对磁场影响的物理量，磁导率的单，就是一个用来表示介质对磁场影响的物理量，磁导率的单位为亨位为亨/米米(H/m).由实验测得真空由实验测得真空(空气空气)中的磁导率中的磁导率u0为为4 x 10-7H/m，为常数。其他，为常数。其他介质的磁导率可采用与介质的磁导率可采用与u0的比值来表示，称为相对磁导率的比值来表示，称为相对磁导率ur即即上一页 下一页返回第一节第一节 磁场的基本知识磁场的基本知识在其他条件相同的情况下，铁磁物质中所产生的磁场要比真空中的磁在其他条件相同的情况下，铁磁物质中所产生的磁场要比真空中的磁场强几千甚至几万倍，且对磁通的阻力场强几千甚至几万倍，且对磁通的阻力(磁阻磁阻)很小，因此在工程上常很小，因此在工程上常用铁磁物质用铁磁物质(如硅钢等如硅钢等)作电机、变压器等电器的铁芯，为磁通提供通作电机、变压器等电器的铁芯，为磁通提供通路路(磁路磁路)，以提高电磁设备的效率。，以提高电磁设备的效率。4.磁场强度磁场强度 为了使磁场计算简便，我们常用磁场强度来确定电流的磁场。磁场为了使磁场计算简便，我们常用磁场强度来确定电流的磁场。磁场中某点的磁感应强度中某点的磁感应强度B与介质磁导率与介质磁导率w的比值，叫做该点的磁场强度，的比值，叫做该点的磁场强度，用用H表示，即表示，即磁场强度的方向和所在点的磁感应强度的方向一致。它的单位为安磁场强度的方向和所在点的磁感应强度的方向一致。它的单位为安/米米(A/m)。上一页 下一页返回第一节第一节 磁场的基本知识磁场的基本知识对于如对于如图图5-5所示的环形线圈，通电后线圈中的磁场强度和磁感应强所示的环形线圈，通电后线圈中的磁场强度和磁感应强度分别为度分别为:式中式中1-线圈中的电流线圈中的电流(A);N-线圈的匝数线圈的匝数;l线圈的平均长度线圈的平均长度(m);u线圈中介质的磁导率线圈中介质的磁导率(H/m);H-一线圈中的磁场强度一线圈中的磁场强度(A/m);B线圈中的磁感应强度线圈中的磁感应强度(T)。由此可见，磁场强度只决定于电流的大小和线圈的几何形状，与磁介由此可见，磁场强度只决定于电流的大小和线圈的几何形状，与磁介质无关，而磁感应强度还与磁导率有关。质无关，而磁感应强度还与磁导率有关。上一页返回第二节第二节 磁场对电流的作用磁场对电流的作用一、磁场对通电直导体的作用力一、磁场对通电直导体的作用力 1.磁场对通电直导体有力的作用磁场对通电直导体有力的作用 如如图图5一一6(a)所示，在一个马蹄形磁铁的两个磁极中间，水平悬挂所示，在一个马蹄形磁铁的两个磁极中间，水平悬挂一根直导线，导线两端分别连接于电源的两个电极上。当导线中没有一根直导线，导线两端分别连接于电源的两个电极上。当导线中没有电流通过时，直导线在磁场中不动，当导线中通人电流后，导线就向电流通过时，直导线在磁场中不动，当导线中通人电流后，导线就向一边运动。若改变电流的方向，导线运动方向亦改变。这说明磁场对一边运动。若改变电流的方向，导线运动方向亦改变。这说明磁场对通电直导线有力的作用，这种作用力叫电磁力。通电直导线有力的作用，这种作用力叫电磁力。2.电磁力的大小电磁力的大小 电磁力的大小与磁感应强度、导体中的电流强度、磁场中导线长度电磁力的大小与磁感应强度、导体中的电流强度、磁场中导线长度有关。当导线和磁场垂直时，电磁力大小为有关。当导线和磁场垂直时，电磁力大小为下一页返回第二节第二节 磁场对电流的作用磁场对电流的作用式中式中B匀强磁场的磁感应强度匀强磁场的磁感应强度(Wb/m2);I-导体中的电流强度导体中的电流强度(A);l导体在磁场中的长度导体在磁场中的长度(m);F导体受到的电磁力导体受到的电磁力(N)。当通电导体和磁场平行时，导体受到的电磁力为当通电导体和磁场平行时，导体受到的电磁力为0.3.电磁力的方向电磁力的方向 电磁力的方向垂直于磁场方向和电流方向。可用左手定则来判断，电磁力的方向垂直于磁场方向和电流方向。可用左手定则来判断，如图如图5一一6(b)所示。平摊左手，使大拇指和其余四指垂直，让磁力线所示。平摊左手，使大拇指和其余四指垂直，让磁力线垂直进入手心，若四指指向电流方向，那么大拇指所指的方向就是电垂直进入手心，若四指指向电流方向，那么大拇指所指的方向就是电磁力的方向。左手定则又叫做电动机定则，常用来判断电动机的运动磁力的方向。左手定则又叫做电动机定则，常用来判断电动机的运动方向。方向。上一页 下一页返回第二节第二节 磁场对电流的作用磁场对电流的作用 例例5一一3在匀强磁场中，磁感应强度在匀强磁场中，磁感应强度B=0.5T，将通有电流，将通有电流1=8A的直导的直导体放人磁场中，若磁场中导体长度体放人磁场中，若磁场中导体长度l=1.2m，求导体与磁场垂直时，求导体与磁场垂直时，导体所受电磁力的大小。导体所受电磁力的大小。解当导体和磁场垂直时解当导体和磁场垂直时 例例5一一4用左手定则判定用左手定则判定图图5一一7中导体电流方向或导体受力方向。中导体电流方向或导体受力方向。解在图解在图5-7(a)中，将左手放进磁极间，大拇指向上，掌心对着中，将左手放进磁极间，大拇指向上，掌心对着N极，极，则四指垂直纸面向里，故导线中电流方向是垂直纸面向里。则四指垂直纸面向里，故导线中电流方向是垂直纸面向里。在图在图5-7(b)中，先判断环形线圈左边导线受力方向，将左手放进磁中，先判断环形线圈左边导线受力方向，将左手放进磁极间，掌心向左，四指垂直纸面向外，则大拇指向上，故左边受到的极间，掌心向左，四指垂直纸面向外，则大拇指向上，故左边受到的电磁力向上，同理可判断出右边导线受到的电磁力向下，因此线圈在电磁力向上，同理可判断出右边导线受到的电磁力向下，因此线圈在电磁力作用下将顺时针方向旋转。电磁力作用下将顺时针方向旋转。上一页 下一页返回第二节第二节 磁场对电流的作用磁场对电流的作用二、磁场对通电线圈的作用二、磁场对通电线圈的作用 1.匀强磁场中通电线圈的受力分析匀强磁场中通电线圈的受力分析 磁场对通电线圈的作用原理，如磁场对通电线圈的作用原理，如图图5一一8所示。所示。abcda是放在匀强磁是放在匀强磁场中的矩形线圈。它的平面跟磁力线平行。当线圈中电流沿场中的矩形线圈。它的平面跟磁力线平行。当线圈中电流沿abcda方方向流动时，因线圈的两边向流动时，因线圈的两边da,be和磁场和磁场B的方向平行，所受的电磁力的方向平行，所受的电磁力为为0。而线圈的另两边。而线圈的另两边ab,cd和磁场和磁场B的方向垂直，它们将受到电磁力的方向垂直，它们将受到电磁力作用。其中作用。其中ab边受力边受力F1的方向为从里向外，的方向为从里向外，cd边受力边受力F2的方向为从外的方向为从外向里，向里，F1和和F2大小相等，方向相反，但由于它们不在一条直线上，线大小相等，方向相反，但由于它们不在一条直线上，线圈对竖直轴圈对竖直轴OO产生电磁转动力矩，使线圈逆时针转动产生电磁转动力矩，使线圈逆时针转动(犹如驾驶员两犹如驾驶员两手作用于方向盘上的两力，使方向盘转动一样手作用于方向盘上的两力，使方向盘转动一样)。当线圈平面转到跟磁。当线圈平面转到跟磁力线垂直时，线圈受到的力矩变为力线垂直时，线圈受到的力矩变为0o通电线圈在磁场中受电磁转矩作用而旋转的原理，就是电动机和磁电通电线圈在磁场中受电磁转矩作用而旋转的原理，就是电动机和磁电式仪表的工作原理。式仪表的工作原理。上一页 下一页返回第二节第二节 磁场对电流的作用磁场对电流的作用 2.直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 直流电动机的工作原理如直流电动机的工作原理如图图5一一9所示。它有一对磁极。在磁极所示。它有一对磁极。在磁极N,S之间，是固定在转轴上的圆柱形铁芯，它上面绕有线圈之间，是固定在转轴上的圆柱形铁芯，它上面绕有线圈abcd，线圈两，线圈两端分别接在两个铜制的滑环上端分别接在两个铜制的滑环上(统称为电枢统称为电枢)，每个滑环上安置一个电，每个滑环上安置一个电刷，当电枢线圈接通直流电源后，在图示瞬间，线圈中电流方向为刷，当电枢线圈接通直流电源后，在图示瞬间，线圈中电流方向为abcd，线圈边，线圈边ab受到一进入纸面的电磁力，线圈边受到一进入纸面的电磁力，线圈边cd受到一离开纸受到一离开纸面的电磁力，电枢上产生一个逆时针方向的电磁转矩，电枢按逆时针面的电磁力，电枢上产生一个逆时针方向的电磁转矩，电枢按逆时针方向旋转。当线圈转过方向旋转。当线圈转过90时，线圈中无电流，转矩为时，线圈中无电流，转矩为0，但由于惯性，但由于惯性，电枢仍能继续旋转而越过这一位置。此后，线圈边电枢仍能继续旋转而越过这一位置。此后，线圈边ab移到移到S极区，线极区，线圈边圈边cd移到移到N极区，但同一磁极下导体中电流方向保持不变，从而使极区，但同一磁极下导体中电流方向保持不变，从而使导体所受电磁力方向不变。这样，线圈就继续沿逆时针方向旋转，故导体所受电磁力方向不变。这样，线圈就继续沿逆时针方向旋转，故电动机就是这样连续运转的。电动机就是这样连续运转的。上一页 下一页返回第二节第二节 磁场对电流的作用磁场对电流的作用 3.磁电式电流计的工作原理磁电式电流计的工作原理 磁电式电流计的工作原理如磁电式电流计的工作原理如图图5一一10所示。在永久磁铁的两极间有所示。在永久磁铁的两极间有一个固定的圆柱形软铁芯，铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框，一个固定的圆柱形软铁芯，铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框，铝框上绕有线圈，铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针，线圈铝框上绕有线圈，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。两端分别接在这两个螺旋弹簧上。当被测电流由接线柱经过两弹簧通人线圈时，电流与磁场相互作用而当被测电流由接线柱经过两弹簧通人线圈时，电流与磁场相互作用而产生电磁转矩产生电磁转矩(电磁转矩的大小和电流强度成正比电磁转矩的大小和电流强度成正比)，使线圈偏转，并，使线圈偏转，并带动轴上指针和两个螺旋弹簧而偏转，当电磁转矩与弹簧偏转时产生带动轴上指针和两个螺旋弹簧而偏转，当电磁转矩与弹簧偏转时产生的阻力转矩相等时，指针就稳定在某一位置，由分度尺可读出被测电的阻力转矩相等时，指针就稳定在某一位置，由分度尺可读出被测电流值。流值。例例5一一5试定性分析试定性分析图图5一一11所示的两根平行载流导线间的相互作用所示的两根平行载流导线间的相互作用力。力。上一页 下一页返回第二节第二节 磁场对电流的作用磁场对电流的作用 解如图解如图5-11(a)所示，设所示，设I1和和I2同方向，先分析载流导线同方向，先分析载流导线2的受力情况的受力情况:载流导线载流导线1在载流导线在载流导线2处产生磁场处产生磁场B1，根据右手螺旋定则可判定出其，根据右手螺旋定则可判定出其方向向下。载流导线方向向下。载流导线2处在处在B1的磁场中，必受到电磁力的磁场中，必受到电磁力F2的作用，其的作用，其方向可由左手定则判定为向左。方向可由左手定则判定为向左。经过同样的分析可知，载流导线经过同样的分析可知，载流导线1受到的电磁力受到的电磁力F1的方向向右。所以，的方向向右。所以，两根载有方向相同电流的导线之间有相互吸引的作用力。两根载有方向相同电流的导线之间有相互吸引的作用力。当当I1和和I2反方反方.向时，如图向时，如图5一一11(b)所示，根据同样分析可知，两根所示，根据同样分析可知，两根平行载流导线将相互抖听。需要指出的是平行载流导线将相互抖听。需要指出的是:当电路发生短路时，导线中当电路发生短路时，导线中的电流极大，则两导线的作用力也很大，有可能损坏导线。的电流极大，则两导线的作用力也很大，有可能损坏导线。上一页返回第三节第三节 电磁感应电磁感应 1820年年H.C.奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁能否产生电，磁能否对电作用的问题，的逆效应，提出了磁能否产生电，磁能否对电作用的问题，1822年年D.F.J.阿喇戈和阿喇戈和A.von洪堡在测量地磁强度时，偶然发现金属对附近磁洪堡在测量地磁强度时，偶然发现金属对附近磁针的振荡有阻尼作用。针的振荡有阻尼作用。1824年，阿喇戈根据这个现象做了铜盘实验，年，阿喇戈根据这个现象做了铜盘实验，发现转动的铜盘会带动上方自由悬挂的磁针旋转，但磁针的旋转与铜发现转动的铜盘会带动上方自由悬挂的磁针旋转，但磁针的旋转与铜盘不同步，稍滞后。电磁阻尼和电磁驱动是最早发现的电磁感应现象，盘不同步，稍滞后。电磁阻尼和电磁驱动是最早发现的电磁感应现象，但由于没有直接表现为感应电流，当时未能予以说明。但由于没有直接表现为感应电流，当时未能予以说明。1831年年8月，月，M.法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈，其一为闭合法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈，其一为闭合回路，在导线下端附近平行放置一磁针，另一与电池组相连，接开关，回路，在导线下端附近平行放置一磁针，另一与电池组相连，接开关，形成有电源的闭合回路。实验发现，合上开关，磁针偏转形成有电源的闭合回路。实验发现，合上开关，磁针偏转;切断开关，切断开关，磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第立即意识到，这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他做了几十个实验，立即意识到，这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他做了几十个实验，下一页返回第三节第三节 电磁感应电磁感应把产生感应电流的情形概括为把产生感应电流的情形概括为5类类:变化的电流，变化的磁场，运动的变化的电流，变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定名为电磁感应。进而，法拉第发现，在相同条件下不同金属导体回路名为电磁感应。进而，法拉第发现，在相同条件下不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电中产生的感应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路，没有感流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路，没有感应电流，感应电动势依然存在。应电流，感应电动势依然存在。后来，给出了确定感应电流方向的楞次定律以及描述电磁感应定量规后来，给出了确定感应电流方向的楞次定律以及描述电磁感应定量规律的法拉第电磁感应定律。并按产生原因的不同，把感应电动势分为律的法拉第电磁感应定律。并按产生原因的不同，把感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种，前者起源于洛伦兹力，后者起源于变动生电动势和感生电动势两种，前者起源于洛伦兹力，后者起源于变化磁场产生的有旋电场。化磁场产生的有旋电场。电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化，对其本质的深人研究所揭示的电、磁场之间之间的相互联系和转化，对其本质的深人研究所揭示的电、磁场之间的联系，对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。电磁感应现象的联系，对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。上一页 下一页返回第三节第三节 电磁感应电磁感应 我们知道，电流能够产生磁场，即我们知道，电流能够产生磁场，即“电能生磁电能生磁”，反过来磁是否能生，反过来磁是否能生电呢电呢?英国物理学家法拉第通过实验给出了肯定的回答，即变化的磁英国物理学家法拉第通过实验给出了肯定的回答，即变化的磁场能够在导体中产生感应电动势。这种现象就叫做电磁感应。场能够在导体中产生感应电动势。这种现象就叫做电磁感应。下面我们分两种情况来研究电磁感应现象产生的条件、感应电动势下面我们分两种情况来研究电磁感应现象产生的条件、感应电动势大小的计算和感应电动势方向的判定。大小的计算和感应电动势方向的判定。一、直导体中的感应电动势一、直导体中的感应电动势1.电磁感应现象产生的条件电磁感应现象产生的条件图图5一一12是一根直导体是一根直导体AB放在匀强磁场中，用连接导线和检流计构成放在匀强磁场中，用连接导线和检流计构成闭合回路。闭合回路。当导体当导体AB在磁场中沿着与磁力线垂直的方向向前运动时，检流计指在磁场中沿着与磁力线垂直的方向向前运动时，检流计指针发生偏转，向后运动时，检流计指针反向偏转。并且导体运动速度针发生偏转，向后运动时，检流计指针反向偏转。并且导体运动速度越快，指针偏转越大。越快，指针偏转越大。上一页 下一页返回第三节第三节 电磁感应电磁感应当导体当导体AB不动或在磁场中沿着与磁力线平行的方向上下运动时，检不动或在磁场中沿着与磁力线平行的方向上下运动时，检流计指针不动。流计指针不动。从上面的实验可看出，当导体做切割磁力线运动时，导体中就有电流从上面的实验可看出，当导体做切割磁力线运动时，导体中就有电流产生，这个电流称为感应电流产生，这个电流称为感应电流;闭合电路中有电流通过，说明电路中有闭合电路中有电流通过，说明电路中有电动势，这个电动势称为感应电动势。也就是说，当导体做切割磁力电动势，这个电动势称为感应电动势。也就是说，当导体做切割磁力线运动时，导体中就有感应电动势产生，若导体构造闭合回路，则回线运动时，导体中就有感应电动势产生，若导体构造闭合回路，则回路中就有感应电流，这就是电磁感应现象产生的条件。路中就有感应电流，这就是电磁感应现象产生的条件。2.右手定则右手定则 导体做切割磁力线运动所产生的感应电动势的方向，可用右手定则导体做切割磁力线运动所产生的感应电动势的方向，可用右手定则来判定，如来判定，如图图5一一13所示。平伸右手，使拇指和四指垂直，让磁力线所示。平伸右手，使拇指和四指垂直，让磁力线垂直穿人手心，拇指指向导体运动方向，则四指所指方向就是感应电垂直穿人手心，拇指指向导体运动方向，则四指所指方向就是感应电动势的方向。动势的方向。上一页 下一页返回第三节第三节 电磁感应电磁感应 3.感应电动势的大小感应电动势的大小 实验证明，导体在匀强磁场中做切割磁力线运动，所产生的感应电实验证明，导体在匀强磁场中做切割磁力线运动，所产生的感应电动势的大小，与磁感应强度，导体的有效长度，导体的运动速度有关。动势的大小，与磁感应强度，导体的有效长度，导体的运动速度有关。当导体运动方向与磁力线垂直时，其关系式为当导体运动方向与磁力线垂直时，其关系式为式中式中 B匀强磁场的磁感应强度匀强磁场的磁感应强度(T);l导体在磁场中的有效长度导体在磁场中的有效长度(m);v导体的运动速度导体的运动速度(m/s);e导体的感应电动势导体的感应电动势(V)。当导体运动方向和磁力线平行时，导体两端感应电动势为当导体运动方向和磁力线平行时，导体两端感应电动势为0。上一页 下一页返回第三节第三节 电磁感应电磁感应 例例5一一6如如图图5一一14所示，在所示，在B=0.8T的匀强磁场中，有一导体的匀强磁场中，有一导体AB，其，其有效长度有效长度l=20cm，以，以v=15 m/s的速度向右滑动，试求导体的速度向右滑动，试求导体AB中的感中的感应电动势的大小和回路中感应电流的方向。应电动势的大小和回路中感应电流的方向。解根据式解根据式(5-6)得得用右手定则可判定出感应电动势的方向为用右手定则可判定出感应电动势的方向为B端端“一一”,A端端“+”。所以。所以感应电流的方向为感应电流的方向为BADC。上一页 下一页返回第三节第三节 电磁感应电磁感应二、线圈中的感应电动势二、线圈中的感应电动势1.电磁感应的条件电磁感应的条件我们仍通过实验来研究这个问题。我们仍通过实验来研究这个问题。图图5一一15所示为空心螺线管，在它所示为空心螺线管，在它的两端接入检流计的两端接入检流计P。用一条形磁铁迅速插入线圈用一条形磁铁迅速插入线圈(即通过线圈的磁通增加即通过线圈的磁通增加)时，检流计指针时，检流计指针偏转。当将磁铁迅速从线圈中抽出偏转。当将磁铁迅速从线圈中抽出(即通过线圈的磁通减小即通过线圈的磁通减小)时，检流时，检流计指针反偏。而且磁铁插入或抽出的速度越快，指针偏转越大。计指针反偏。而且磁铁插入或抽出的速度越快，指针偏转越大。.磁铁进入线圈后静止不动磁铁进入线圈后静止不动(即通过线圈的磁通不变即通过线圈的磁通不变)时，检流计指针时，检流计指针不动。不动。以上实验说明，当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，闭合回路中以上实验说明，当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，闭合回路中将产生感应电动势和感应电流。将产生感应电动势和感应电流。上一页 下一页返回第三节第三节 电磁感应电磁感应 2.楞次定律楞次定律 线圈中的感应电动势或感应电流的方向，可由楞次定律来判定。楞线圈中的感应电动势或感应电流的方向，可由楞次定律来判定。楞次定律的内容是次定律的内容是:感应电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。也就是感应电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。也就是说，当线圈中的磁通增加时，感应电流产生的磁通与原磁通方向相反，说，当线圈中的磁通增加时，感应电流产生的磁通与原磁通方向相反，而当线圈中磁通减少时，感应电流产生的磁通与原磁通方向相同。而当线圈中磁通减少时，感应电流产生的磁通与原磁通方向相同。应用楞次定律判断线圈中感应电动势或感应电流方向的具体步骤有应用楞次定律判断线圈中感应电动势或感应电流方向的具体步骤有如下三条。如下三条。确定原磁通的方向及变化趋势确定原磁通的方向及变化趋势(增加或减小增加或减小);用楞次定律确定感应电流磁通的方向用楞次定律确定感应电流磁通的方向;由右手螺旋定则确定感应电流或感应电动势的方向。由右手螺旋定则确定感应电流或感应电动势的方向。上一页 下一页返回第三节第三节 电磁感应电磁感应例例5-7试用楞次定律分别确定图试用楞次定律分别确定图5一一15实验中，磁铁实验中，磁铁N极插入和抽出线极插入和抽出线圈时，线圈中感应电流的方向。圈时，线圈中感应电流的方向。解解 (1)磁铁插入线圈时磁铁插入线圈时:由磁铁由磁铁N极出发穿过线圈的磁力线方向向下，即原磁通的方向向极出发穿过线圈的磁力线方向向下，即原磁通的方向向下，当磁铁插入线圈时，通过线圈的磁通是增加的下，当磁铁插入线圈时，通过线圈的磁通是增加的;根据楞次定律，线圈感应电流的磁通和原磁通方向相反，即为向根据楞次定律，线圈感应电流的磁通和原磁通方向相反，即为向上方向上方向;根据右手螺旋定则，可判断出感应电动势的方向为根据右手螺旋定则，可判断出感应电动势的方向为A端端“一一”,B端端“+”，感应电流的方向是由，感应电流的方向是由B端流进检流计。端流进检流计。上一页 下一页返回第三节第三节 电磁感应电磁感应(2)磁铁抽出线圈时磁铁抽出线圈时:线圈原磁通方向向下，通过线圈的磁通减少线圈原磁通方向向下，通过线圈的磁通减少;线圈感应电流的磁通应和原磁通方向相同，即为向下方向线圈感应电流的磁通应和原磁通方向相同，即为向下方向;由右手螺旋定则，判断出感应电动势的方向为由右手螺旋定则，判断出感应电动势的方向为A端端“+，B端端“一一”，感应电流的方向由，感应电流的方向由A端流进检流计。端流进检流计。3.法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 线圈中产生的感应电动势的大小由法拉第电磁感应定律计算。当穿线圈中产生的感应电动势的大小由法拉第电磁感应定律计算。当穿过线圈的磁通发生变化时过线圈的磁通发生变化时.线圈两端感应电动势的大小等于磁通量的变线圈两端感应电动势的大小等于磁通量的变化率。即化率。即上一页 下一页返回第三节第三节 电磁感应电磁感应 应该注意，法拉第电磁感应定律指出了感应电动势的大小决定于线圈应该注意，法拉第电磁感应定律指出了感应电动势的大小决定于线圈的匝数和磁通量变化的快慢，而与磁通本身的大小无关。的匝数和磁通量变化的快慢，而与磁通本身的大小无关。令令=N（称为磁链，单位亦为称为磁链，单位亦为Wb）则则即线圈中感应电动势的大小等于磁链的变化率。即线圈中感应电动势的大小等于磁链的变化率。上一页返回第四节第四节 自感与互感自感与互感一、自感一、自感 当闭合回路中的电流发生变化时，则由这电流所产生的穿过回路本当闭合回路中的电流发生变化时，则由这电流所产生的穿过回路本身的磁通量也发生变化，因此在回路中也将感应出电动势，这现象称身的磁通量也发生变化，因此在回路中也将感应出电动势，这现象称为自感现象，这种感应电动势叫自感电动势。为自感现象，这种感应电动势叫自感电动势。自感现象在电工无线电技术中应用广泛。自感线圈是交流电路或无自感现象在电工无线电技术中应用广泛。自感线圈是交流电路或无线电设备中的基本元件，它和电容器的组合可以构成谐振电路或滤波线电设备中的基本元件，它和电容器的组合可以构成谐振电路或滤波器，利用线圈具有器，利用线圈具有阻碍电流变化的特性可以稳定电路的电流。自感阻碍电流变化的特性可以稳定电路的电流。自感现象有时非常有害，例如具有大自感线圈的电路断开时，因电流变化现象有时非常有害，例如具有大自感线圈的电路断开时，因电流变化很快，会产生很大的自感电动势，导致击穿线圈的绝缘保护，或在电很快，会产生很大的自感电动势，导致击穿线圈的绝缘保护，或在电闸断开的间隙产生强烈电弧，可能烧坏电闸开关，如周围空气中有大闸断开的间隙产生强烈电弧，可能烧坏电闸开关，如周围空气中有大量可燃性尘粒或气体还可引起爆炸。这些都应设法避免。量可燃性尘粒或气体还可引起爆炸。这些都应设法避免。下一页返回第四节第四节 自感与互感自感与互感 图图5-16所示的就是演示自感现象的两个实验。所示的就是演示自感现象的两个实验。L为铁芯线圈，为铁芯线圈，HL1,HL2为两个相同的小灯泡为两个相同的小灯泡,R为电阻。在图为电阻。在图5一一16(a)中，合上开关中，合上开关S时，时，小灯泡小灯泡HL2立即亮起来，而立即亮起来，而HLl却要慢慢亮起来。这就是电惯性现象。却要慢慢亮起来。这就是电惯性现象。这是因为这是因为HL1支路里串有线圈支路里串有线圈L，合上开关瞬时，流过线圈的电流有，合上开关瞬时，流过线圈的电流有突然增加的趋势，则线圈中的磁通也有突然增加的趋势，根据电磁感突然增加的趋势，则线圈中的磁通也有突然增加的趋势，根据电磁感应原理，线圈中要产生感应电动势和感应电流。由楞次定律可知，这应原理，线圈中要产生感应电动势和感应电流。由楞次定律可知，这感应电流的方向和原电流的方向相反，阻碍线圈感应电流的方向和原电流的方向相反，阻碍线圈L和灯泡和灯泡HL1支路中支路中电流的增加，故电流的增加，故HLl不能立即亮起来。不能立即亮起来。对图对图5一一16(b)，先合上开关，先合上开关S使灯使灯HL正常发光，然后再突然断开开关。正常发光，然后再突然断开开关。在断开开关的瞬时，我们可看到灯在断开开关的瞬时，我们可看到灯HL先闪亮一下，然后才熄灭。这也先闪亮一下，然后才熄灭。这也是电惯性现象。也是因为电路中有线圈是电惯性现象。也是因为电路中有线圈L存在的原因。线圈存在的原因。线圈L中的电流中的电流因开关断开而要急剧减小，通过线圈的磁通亦相应要急剧减小，根据因开关断开而要急剧减小，通过线圈的磁通亦相应要急剧减小，根据电磁感应的原理，线圈两端便会产生较高的感应电动势，这感应电动电磁感应的原理，线圈两端便会产生较高的感应电动势，这感应电动势通过灯势通过灯HL形成感应电流，而使灯形成感应电流，而使灯HL闪亮。闪亮。上一页 下一页返回第四节第四节 自感与互感自感与互感从上面两个实验可以看出，由于流过线圈本身电流的变化，而在线圈从上面两个实验可以看出，由于流过线圈本身电流的变化，而在线圈自身中产生感应电动势的现象，叫做自感现象。简称自感。所产生的自身中产生感应电动势的现象，叫做自感现象。简称自感。所产生的感应电动势叫自感电动势，用符号感应电动势叫自感电动势，用符号eL表示。表示。自感线圈中通过电流时，在本线圈产生的磁通叫做自感磁通，用自感线圈中通过电流时，在本线圈产生的磁通叫做自感磁通，用L表示。自感磁通表示。自感磁通L与线圈匝数与线圈匝数N的乘积的乘积NL叫做自感磁链，用叫做自感磁链，用L表示。表示。我们把自感磁链我们把自感磁链L与线圈电流与线圈电流i的比值，称为此线圈的自感，用的比值，称为此线圈的自感，用L表示，表示，即即式中式中i通过线圈的电流通过线圈的电流(