第二章磁场与电磁感应PPT讲稿.ppt

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1、第二章磁场与电磁感应第二章磁场与电磁感应第1页，共43页，编辑于2022年，星期三目录目录2-1 磁场磁场 1.磁场；2.磁感线；3.磁感应强度；4.磁通；5.磁导率；2-2 磁场对电流的作用磁场对电流的作用 1.磁场对电流的作用；2.直流电动机的工作原理；2-3电磁感应电磁感应 1.电磁感应现象；2.感应电动势；3.自感；4.涡流；5.互感；第2页，共43页，编辑于2022年，星期三&2-1 磁磁 场场学习目标学习目标1.会应用右手螺旋定则确定通电长直导线和通电螺线管的磁场方向。会应用右手螺旋定则确定通电长直导线和通电螺线管的磁场方向。2.理解磁感应强度、磁通、磁导率的概念。理解磁感应强度、

2、磁通、磁导率的概念。3、了解铁磁材料的分类和应用。、了解铁磁材料的分类和应用。4、会应用左手定则判断通电导体在磁场中所受电磁力的方向。、会应用左手定则判断通电导体在磁场中所受电磁力的方向。第3页，共43页，编辑于2022年，星期三一、磁场一、磁场当两个磁极靠近时，它们之间就会发生相互作用，同同名名磁磁极极相相互互排排斥斥，异异名名刺刺激激相互吸引相互吸引。两个磁极互不接触，却存在相互作用力，这是为什么呢？原来在磁体周围的空间中存在着一种特殊的物质磁场。磁磁铁铁并并不不是是磁磁场场的的唯唯一一来来源源。如下图：当把一根水平放置的通电导线平行地移近一磁针上方时，磁针立即发生偏转。上述现象说明，电流

3、周围存在着磁场。电流周围存在着磁场。第4页，共43页，编辑于2022年，星期三二、磁感线二、磁感线 在玻璃板上均匀地撒一层细铁屑，然后把一块蹄型磁体放在玻璃板下面。轻敲玻璃板，铁屑转动静止后，便有序地排列起来。观察铁屑的分布情况，可以看出，在磁极附近，铁屑最为密集，表明磁场最强。再在玻璃板上不同位置放一些小磁针，根据铁屑的分布和磁场中各点的小磁针N极的指向，人们可以画出曲线来描述磁场。这样的曲线成为磁磁感感线线。在在这这些些曲曲线线上上，每每一一点点的的切切线线方方向向就就是是该该点点的的磁磁场场方方向向，也也就就是是放放在在该该点点的的磁磁针针N极极所所指指的的方方向向。磁磁感感线线的的方方

4、向向：在在磁磁体体外外部部由由N极极指指向向S极，在磁体内部由极，在磁体内部由S极指向极指向N极。极。第5页，共43页，编辑于2022年，星期三实验表明，各种不同形状的磁体或通电导线产生的磁感线是不同的。第6页，共43页，编辑于2022年，星期三通通电电长长直直导导线线及及通通电电螺螺线线管管的的磁磁场场方方向向可可用用右右手手螺螺旋旋定定则则来来确确定定。安培定则安培定则 右右手手握握住住导导线线，让让伸伸直直的的大大拇拇指指所所指指的的方方向向跟跟电电流流的的方方向向一一致致，则弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。则弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。第7页，共43页，编辑于2

5、022年，星期三 右右手手握握住住通通电电螺螺线线管管，让让弯弯曲曲的的四四指指所所指指方方向向跟跟电电流流的的方方向向一一致致，则则大大拇拇指指所所指指的的方方向向就就是是螺螺线线管管内内部部磁磁感感线线的的方方向向，也也就就是是通电螺线管的磁场北极的方向。通电螺线管的磁场北极的方向。第8页，共43页，编辑于2022年，星期三三、磁感应强度三、磁感应强度 磁磁场场的的强强弱弱用用磁磁感感应应强强度度（B B）表表示示。它它的的大大小小是是这这样样定定义义的的：让让1m1m长长的的导导线线垂垂直直于于磁磁场场方方向向放放入入磁磁场场，并并通通以以1A1A的的电电流流是是，如如果果受受到的磁场力

6、为到的磁场力为1N1N，则导线所处的磁场的磁感应强度为，则导线所处的磁场的磁感应强度为1 1特斯拉（特斯拉（T).T).磁磁感感应应强强度度在磁场中，垂直于磁场方向的通电导线，所受电磁力F与电流I和导线长度l的乘积Il的比值，用B表示，单位为特斯拉，简称特（T）。第9页，共43页，编辑于2022年，星期三 磁感应强度是个矢量，它的方向就是该点的磁场的方向。磁感应强度是个矢量，它的方向就是该点的磁场的方向。磁磁感感线线的的疏疏密密程程度度可可以以大大致致反反映映磁磁感感应应强强度度的的大大小小。在在同同一一个个磁磁场场的的磁感线分布图上，磁感线越密的地方，磁感应强度越大，磁场越强。磁感线分布图上

7、，磁感线越密的地方，磁感应强度越大，磁场越强。磁磁场场越越强强，磁磁感感应应强强度度越越大大；磁磁场场越越弱弱，则则磁磁感感应应强强度度越越小小。普通永磁体磁极附近的磁感应强度一般在0.4-0.7T，电动机和变压器铁芯中心的磁感应强度为0.8-1.4T，地面附近地磁场的磁感应强度只有0.00005T。第10页，共43页，编辑于2022年，星期三四、磁通四、磁通 为了定量地描述磁场在某一范围内的分布及变化情况，引入磁通这一物理量。磁磁通通设在磁感应强度为B的均匀磁场中，有一个与磁场方向垂直的平面，面积为S，我们把B与S的乘积定义为穿过这个面积的磁通量，简称磁通，用表示。=BS 磁通的单位是韦伯（

8、Wb），简称韦。第11页，共43页，编辑于2022年，星期三 如如果果磁磁场场不不与与所所讨讨论论的的平平面面垂垂直直，则则应应以以这这个个平平面面在在垂垂直直于于磁场磁场B B的方向的投影面积的方向的投影面积S S与与B B的乘积来表示磁通。的乘积来表示磁通。面面积积一一定定时时，如如果果通通过过该该面面积积的的磁磁感感线线越越多多，则则磁磁通通越越大大，磁磁场场越越强强。这这一一概概念念在在电电气气工工程程上上有有极极其其重重要要的的意意义义，如如变变压压器器、电电动动机机、电电磁磁铁铁等等就就是是通通过过尽尽可可能能地地减减小小漏漏磁磁通通，增增强强一一定定铁铁心心截截面面下下的的磁磁场

9、场强度来提高其工作效率的。强度来提高其工作效率的。第12页，共43页，编辑于2022年，星期三 从从=BS，可得，可得 这这表表示示磁磁感感应应强强度度等等于于穿穿过过单单位位面面积积的的磁磁通通，所所以以磁磁感感应应强强度又称度又称磁通密度磁通密度，并且用，并且用Wb/m2作单位。作单位。第13页，共43页，编辑于2022年，星期三五、磁导率五、磁导率 如如果果用用一一个个插插有有铁铁棒棒的的通通电电线线圈圈去去吸吸引引铁铁屑屑，然然后后把把通通电电线线圈圈中中的的铁铁棒棒换换成成铜铜棒棒再再去去吸吸引引铁铁屑屑，便便会会发发现现在在两两种种情情况况下下吸吸力力大大小小不不同同，前前者者比比

10、后后者者大大得得多多。这这表表明明不不同同的的媒媒介介质质对对磁磁场场的的影影响响不不同同，影影响响的程度与媒介质的导磁性能有关的程度与媒介质的导磁性能有关。磁磁导导率率就就是是一一个个用用来来表表示示媒媒介介质质导导磁磁性性能能的的物物理理量量，用用表表示示，其其单单位位为为H/mH/m。由由实实验验测测得得真真空空中中的的磁磁导导率率 0 0=410=410-7-7H/mH/m，为为一一常常数。数。第14页，共43页，编辑于2022年，星期三 自然界大多数物质对磁场的影响甚微，只有少数物质对磁场有明显的影响。为了比较媒介质对磁场的影响，把任一物质的磁导率与真空的磁导率的比值称作相对磁导率相

11、对磁导率，用 r 表示，即：相对磁导率只是一个比值。它表明在其他条件相同的情况下，媒介质中的磁感应强度是真空中磁感应强度的多少倍。第15页，共43页，编辑于2022年，星期三根据相对磁导率的大小，可把物质分为三类：根据相对磁导率的大小，可把物质分为三类：（1 1）顺磁物质）顺磁物质 相对磁导率稍大于相对磁导率稍大于1 1。如空气、铝、铬、铂等。如空气、铝、铬、铂等。（2 2）反磁物质）反磁物质 相对磁导率稍小于相对磁导率稍小于1 1。如氢、铜等。如氢、铜等。（3 3）铁磁物质）铁磁物质 相相对对磁磁导导率率远远大大于于1 1，其其可可达达几几百百甚甚至至数数万万以以上上，且且不不是是一一个个常

12、常数。如铁、钴、镍、硅钢、坡莫合金、铁氧体等。数。如铁、钴、镍、硅钢、坡莫合金、铁氧体等。第16页，共43页，编辑于2022年，星期三根据不同的特点，可把铁磁材料分为三类：根据不同的特点，可把铁磁材料分为三类：名称特点典型材料及用途硬磁材料不易磁化不易退磁碳钢、钴钢等，适合制作永久磁铁、扬声器的磁钢，在各种电磁式仪表中有较多应用软磁材料容易磁化容易退磁硅钢、电解铁、铁镍合金等，适合制作电动机、变压器、继电器等设备中的铁心，如汽车的发电机定子、启动机转子、高压线圈的铁心等矩磁材料很易磁化很难退磁锰镁铁氧体，锂锰铁氧体等，适合制作磁带、适合制作磁带、计算机的磁盘。第17页，共43页，编辑于2022

13、年，星期三&2-2 磁场的电流的作用磁场的电流的作用学习目标学习目标1.会应用左手定则判断通电导体在磁场中所受磁力的方向。会应用左手定则判断通电导体在磁场中所受磁力的方向。2.理解直流发动机的工作原理。理解直流发动机的工作原理。3、了解霍尔元件的特性及其在汽车电路中的应用。、了解霍尔元件的特性及其在汽车电路中的应用。第18页，共43页，编辑于2022年，星期三一、磁场对电流的作用一、磁场对电流的作用 既既然然磁磁场场是是由由电电流流产产生生的的，那那么么磁磁场场必必定定会会对对电电流流产产生生力力的的作作用用，这一作用力称为电磁力这一作用力称为电磁力 通电直导体在磁场内的受力方向可用左手定则左

14、手定则来判断。平伸左手，使大拇指与其余四个手指垂直，并且都跟手掌在同一个平面内，让磁感线垂直穿入掌心，并使四指指向电流的方向，则大拇指所指的方向就是通电导体所受电磁力的方向。第19页，共43页，编辑于2022年，星期三 一一个个垂垂直直于于磁磁场场的的通通电电直直导导线线在在磁磁场场中中受受到到的的磁磁场场力力F的的大大小小由由下下式决定式决定 F=BIl式中式中 B-磁感应强度，磁感应强度，T；I-电流，电流，A；L-导线长度，导线长度，m.如如果果通通电电导导线线与与磁磁场场不不垂垂直直，则则磁磁场场对对电电流流的的作作用用力力比比垂垂直直时时要小；如果两者平行，则作用力为零。要小；如果两

15、者平行，则作用力为零。第20页，共43页，编辑于2022年，星期三 如如果果电电流流方方向向与与磁磁场场方方向向不不垂垂直直，而而是是有有一一个个夹夹角角，这这时时通通电电导导线线的有效长度为的有效长度为lsin。电磁力的计算式变为。电磁力的计算式变为 F=BIlsin第21页，共43页，编辑于2022年，星期三二、直流电动机的工作原理二、直流电动机的工作原理 利利用用磁磁场场对对电电流流的的作作用用，人人们们制制成成了了电电动动机机。图图即即为为直直流流电电动动机机的的原原理理图图及及结结构构图图。它它主主要要由由定定子子绕绕组组或或称称励励磁磁绕绕组组（或或永永磁磁磁磁极极）、转子、电刷、

16、和换向器等组成。转子、电刷、和换向器等组成。I第22页，共43页，编辑于2022年，星期三 线线圈圈的的旋旋转转方方向向可可按按左左手手定定则则判判断断，当当线线圈圈平平面面与与磁磁感感线线平平行行时时，线线圈圈在在N极极一一侧侧的的部部分分所所受受电电磁磁力力向向下下，在在S极极一一侧侧的的部部分分所所受受的的电电磁磁力力相相上上，线线圈圈按按顺顺时时针针方方向向转转动动，这这时时线线圈圈所所产产生生的的转转矩矩最最大大。当当线线圈圈平平面面与与磁磁感感线线垂垂直直时时，电电磁磁转转矩矩为为零零，但但线线圈圈靠靠惯惯性性仍仍继继续续转转动动。通通过过换换向向器器的的作作用用，与与电电源源负负

17、极极相相连连的的电电刷刷A始始终终与与转转到到N极极一一侧侧的的导导线线相相连连，电电流流方方向向恒恒为为由由A流流出出线线圈圈；与与电电源源正正极极相相连连的的电电刷刷B始始终终与与转转到到S极极一一侧侧的的导导线线相相连连，电电流流方方向向恒恒为为由由B流流入入线线圈圈。因因此此，线线圈圈始始终终能能按按顺顺时时针针方方向向连连续续旋旋转。转。第23页，共43页，编辑于2022年，星期三&2-3 电磁感应电磁感应学习目标学习目标1.理解感应电动势的概念，会应用右手定则确定感应电动势的方向。2.了解楞次定律、法拉第电磁感应定律。3.理解发电机的工作原理。4.了解自感和互感的应用，会判断互感线

18、圈的同名端。5.了解涡流的利与害。第24页，共43页，编辑于2022年，星期三一、电磁感应现象一、电磁感应现象 在在上上图图所所示示实实验验中中，当当导导体体垂垂直直于于磁磁感感线线在在水水平平方方向向作作切切割割磁磁感感线线运运动动时时，可可以以明明显显地地观观察察到到检检流流计计指指针针有有偏偏转转。说说明明导导体体回回路路中中有有电电流流通通过过。而而当当导导体体平平行行于于磁磁感感线线方方向向运运动动时时，检检流流计计指指针针不偏转，说明导体回路中不产生电流。不偏转，说明导体回路中不产生电流。第25页，共43页，编辑于2022年，星期三 在在上上图图所所示示实实验验中中，当当用用一一块

19、块条条形形磁磁铁铁快快速速插插入入线线圈圈时时，会会观观察察到到检检流流计计指指针针向向一一个个方方向向偏偏转转；如如果果条条形形磁磁铁铁在在线线圈圈内内静静止止不不动动，检检流流计计指指针针不不偏偏转转；再再将将条条形形磁铁由线圈中迅速拔出时，又会观察到检流计指针向另一个方向偏转。磁铁由线圈中迅速拔出时，又会观察到检流计指针向另一个方向偏转。上上述述两两实实验验说说明明：当当导导体体做做切切割割磁磁感感线线运运动动或或者者线线圈圈中中的的磁磁通通发发生生变变化化时时，在在导导体体或或线线圈圈中中都都会会产产生生感感应应电电动动势势。若若导导体体或或线线圈圈构构成成闭闭合合回回路路，则则导导体

20、体或线圈中将有电流流过。或线圈中将有电流流过。第26页，共43页，编辑于2022年，星期三二、感应电动势二、感应电动势1.直导体中的感应电动势直导体中的感应电动势（1）感应电动势的方向）感应电动势的方向 做切割磁感线运动的导体产生的感应电动势的方向可由右右手手定定则则来确定：伸出右手，伸直四指，并使拇指与四指垂直；让磁感线垂直穿过掌心，使拇指指向导体运动方向，四指所指的方向就是感应电动势的方向（或感应电流的方向），如下图所示。第27页，共43页，编辑于2022年，星期三注意：注意：1、判断感应电动势方向时，要把导体看成是一个电源。电源。2、在导体内部，感应电动势的方向是由负极负极指向正极正极。

21、3、感应电流的方向与感应电动势的方向相同。4、如果直导体不形成闭合回路时，导体中只产生感应电动势，而无无感应电流。第28页，共43页，编辑于2022年，星期三（2）感应电动势的大小）感应电动势的大小 当当导导体体、导导体体运运动动方方向向和和磁磁感感线线方方向向三三者者互互相相垂垂直直时时，导导体体中的感应电动势为：中的感应电动势为：e=Blv 如如果果导导体体运运动动方方向向与与磁磁感感线线方方向向有有一一夹夹角角，则则导导体体中中的的感感应应电电动动势为势为 e=Blvsin第29页，共43页，编辑于2022年，星期三 当导体的运动方向与磁感线垂直时,导体中感应电动势最大；当导体的运动方向

22、与磁感线平行时，导体中感应电动势为零。例题 如如下下图图所所示示，在在磁磁感感应应强强度度为为B的的匀匀强强磁磁场场中中，有有一一长长度度为为l 的的直直导导体体AB，可可沿沿平平行行导导电电轨轨道道滑滑动动。当当导导体体以以速速度度v向向左左匀匀速运动时，试确定导体中感应电动势的方向和大小。速运动时，试确定导体中感应电动势的方向和大小。第30页，共43页，编辑于2022年，星期三解：解：（1）导导体体向向左左运运动动时时，导导电电回回路路中中磁磁通通将将增增加加，根根据据楞楞次次定定律律判判断断，导导体体中中感感应应电电动动势势的的方方向向是是B端端为为正正，A端端为为负负。用用右右手手定定

23、则则判断，结果相同。判断，结果相同。（2）设设导导体体在在t时时间间内内左左移移距距离离为为d，则则导导电电回回路路中中磁磁通通的的变变化化量量为为 =BS=Bld=Blvt第31页，共43页，编辑于2022年，星期三 发发电电机机就就是是应应用用导导线线切切割割磁磁感感线线产产生生感感应应电电动动势势的的原原理理发发电电的的，实实际际应应用用中中，将将导导线线做做成成线线圈圈，使使其其在在磁场中转动，从而得到连续的电流。磁场中转动，从而得到连续的电流。第32页，共43页，编辑于2022年，星期三2、线圈中的感应电动势、线圈中的感应电动势（1）感应电动势的方向）感应电动势的方向 线圈中的磁通量

24、发生变化时，线圈中会产生感应电动势。感应电动势的方向通常由楞次定律再结合右手螺旋定则来确定。楞楞次次定定律律指指出出：感感应应电电流流的的磁磁场场总总是是要要阻阻碍碍引引起起感感应应电电流流的的磁磁通通量量的的变变化化。当引起感应电流的磁通量增大时，感生电流的磁场与原电流的磁场方向相反；当引起感应电流的磁通量减小时，感生电流的磁场与原电流的磁场方向相同。实际上，直导体中的感应电动势的方向也可用楞次定律判定。第33页，共43页，编辑于2022年，星期三（2）感应电动势的大小）感应电动势的大小 在上图试验中，磁铁插入或拔出的速度越快，指针偏转角度越大，反之越小。而磁铁插入或拔出的速度，反应的是线圈

25、中磁通量变化的速度。即线线圈圈中中感感应应电电动动势势的的大大小小与线圈中磁通的变化率成正比与线圈中磁通的变化率成正比。这就是法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律。第34页，共43页，编辑于2022年，星期三用用表表示示时时间间间间隔隔t内内一一个个单单匝匝线线圈圈中中的的磁磁通通变变化化量量，则则一一个个单单匝线圈产生的感应电动势的大小为匝线圈产生的感应电动势的大小为如果线圈是如果线圈是N匝，则感应电动势的大小为：匝，则感应电动势的大小为：？第35页，共43页，编辑于2022年，星期三三、自感三、自感1、自感现象、自感现象 当当线线圈圈中中的的电电流流发发生生变变化化时时，线线圈圈中中就就会

26、会产产生生感感应应电电动动势势，这这个个电电动势总是动势总是阻碍阻碍线圈中原来电流的变化。线圈中原来电流的变化。合上开关，HL2比HL1亮的慢断开开关，灯泡闪亮一下才熄灭第36页，共43页，编辑于2022年，星期三 自自感感这种由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象称为自感现象，简称自感自感。自感现象自感现象是一种特殊的电磁感应现象，它是由于回路自身电流变化而引起的。当流过线圈的电流发生变化时，导致穿过线圈的磁通量也随之变化，从而产生了自感电动势自感电动势。2、自感电动势的方向、自感电动势的方向 自感电动势的方向可结合楞次定律和右手螺旋定则来确定。当原来的电流增大时，自感电动势与产

27、生电流的电流电动势方向相反；当原来的电流减小时，自感电动势与产生电流的电源电动势方向相同。第37页，共43页，编辑于2022年，星期三自感系数自感系数 自感电流产生的磁通称为自感电流产生的磁通称为自感磁通自感磁通自感磁通自感磁通。一个线圈中通过单位电流所产生的自感磁通称为一个线圈中通过单位电流所产生的自感磁通称为自感系数自感系数自感系数自感系数（简称（简称电电电电感感感感），用），用L L表示，即表示，即 L L的单位是亨利，用的单位是亨利，用H H表示。常采用较小的单位有毫亨表示。常采用较小的单位有毫亨(mH)(mH)和微和微亨（亨（HH）。）。线线圈圈的的电电感感是是由由线线圈圈本本身身的

28、的特特性性决决定定的的。线线圈圈越越长长，单单位位长长度度上上的的匝匝数数越越多多，截截面面积积越越大大，电电感感就就越越大大。有有铁铁心心的的线线圈圈，其其电电感感要要比比空空心心线线圈的电感大得多。圈的电感大得多。第38页，共43页，编辑于2022年，星期三3、自感电动势的大小、自感电动势的大小 自感电动势 的计算式为式中 L-自感系数，与线圈匝数、形状、大小及周围磁介质的磁导率有关，其单位为亨利，H；-在t时间里，穿过回路磁通量的变化量；i-在t时间时，回路中电流的变化量。第39页，共43页，编辑于2022年，星期三4、涡流、涡流 在在有有铁铁心心的的线线圈圈中中通通入入交交流流电电时时

29、，就就有有交交变变的的磁磁场场闯闯过过铁铁心心，这这时时会会在在铁铁心心内内部部产产生生自自感感电电动动势势并并形形成成电电流流，由由于于这这种种电电流流形形如如旋旋涡涡，故故称称“涡流涡流”。涡涡流流的的热热效效应应既既有有有有益益的的一一面面，也也有有有有害害的的一一面面，工工业业生生产产中中可可以以利利用用涡流的热效应，采用高频电炉来冶炼金属或加热锻件。涡流的热效应，采用高频电炉来冶炼金属或加热锻件。第40页，共43页，编辑于2022年，星期三电电源源变变压压器器的的铁铁心心总总是是由由多多层层组组成成，并并用用薄薄层层绝绝缘缘材材料料将将各各层层隔隔开，以减小涡流损耗。开，以减小涡流损

30、耗。第41页，共43页，编辑于2022年，星期三四、互感四、互感1、互感现象、互感现象 互互感感现现象象是是另另一一个个特特殊殊的的电电磁磁感感应应现现象象：当当一一个个回回路路中中的的电电流流发发生生变变化化时时，将将引引起起附附近近其其他他回回路路的的磁磁通通量量发发生生变变化化，从从而而在在回回路路里里产产生感应电动势。生感应电动势。在开关SA闭合或断开瞬间以及改变RP的阻值，检流计的指针都会发生偏转。这是因为，当线圈 A中的电流发生变化时，通过线圈的磁通也发生变化，该磁通的变化必然又影响线圈B，使线圈B中产生感应电动势和感应电流。第42页，共43页，编辑于2022年，星期三2.互感电动势的大小和方向互感电动势的大小和方向式中式中 N2-发生互感现象的线圈匝数；发生互感现象的线圈匝数；12-在在t时时间间里里，产产生生磁磁通通的的电电流流在在发发生生互互感感现现象象的线圈中磁通量的变化量；的线圈中磁通量的变化量；M12-互互感感系系数数，与与线线圈圈匝匝数数、形形状状、大大小小及及周周围围磁介质的磁导率有关。互感的单位也是亨利，磁介质的磁导率有关。互感的单位也是亨利，H。互感电动势互感电动势方向方向的确定与自感电动势方向的确定类似。的确定与自感电动势方向的确定类似。第43页，共43页，编辑于2022年，星期三