1、磁場和磁路第1頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五教學重點1了解直線電流、環形電流以及螺線管電流的磁場，會用右手定則判斷其磁場的方向。2理解磁感應強度、磁通、磁導率、磁場強度的概念。3了解勻強磁場的性質及有關計算。4掌握磁場對電流作用力的有關計算及方向的判斷，了解磁場對通電線圈的作用。5了解鐵磁性物質的磁化、磁化曲線和磁滯回線。6了解磁動勢和磁阻的概念。第2頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五掌握磁路中的歐姆定律。序號 內 容學時1 第一節電流的磁效應 12 第二節磁場的主要物理量 13 第三節磁場對電流的作用力 14 第四節 鐵磁性物質的磁化 15

2、 第五節 磁路的基本概念 16 本章小結 17 本章總學時 6學時分配教學難點第3頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五第五章磁場和磁路第一節電流的磁效應第二節 磁場的主要物理量第三節 磁場對電流的作用力第四節 鐵磁性物質的磁化第五節 磁路的基本概念 本章小結 第4頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五第一節 電流的磁效應一、磁場二、磁感線三、電流的磁場第5頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五1磁場：磁體周圍存在的一種特殊的物質叫磁場。磁體間的相互作用力是通過磁場傳送的。磁體間的相互作用力稱為磁場力，同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸

3、引。 2磁場的性質：磁場具有力的性質和能量性質。 3磁場方向：在磁場中某點放一個可自由轉動的小磁針，它N極所指的方向即為該點的磁場方向。 一、磁場第6頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五二、磁感線1磁感線在磁場中畫一系列曲線，使曲線上每一點的切線方向都與該點的磁場方向相同，這些曲線稱為磁感線。如圖 5-1 所示。圖 5-1磁感線 第7頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五2特點(1)磁感線的切線方向表示磁場方向，其疏密程度表示磁場的強弱。(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；在磁體內部，磁感線的方向由 S 極指向 N

4、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，實際上并不存在。圖 5-2 所示為條形磁鐵的磁感線的形狀。圖 5-2條形磁鐵的磁感線第8頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五3勻強磁場在磁場中某一區域，若磁場的大小、方向都相同，這部分磁場稱為勻強磁場。勻強磁場的磁感線是一系列疏密均勻、相互平行的直線。第9頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五直線電流所產生的磁場方向可用安培定則來判定，方法是：用右手握住導線，讓拇指指向電流方向，四指所指的方向就是磁感線的環繞方向。動畫 M5-1直線電流的磁場1電流的磁場 三、電流的磁場第1

5、0頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五動畫 M5-2環行電流的磁場環形電流的磁場方向也可用安培定則來判定，方法是：用讓右手彎曲的四指和環形電流方向一致，伸直的拇指所指的方向就是導線環中心軸線上的磁感線方向。第11頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五螺線管通電后，磁場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部的磁感線方向。動畫 M5-3螺線管電流磁場 2電流的磁效應電流的周圍存在磁場的現象稱為電流的磁效應。電流的磁效應揭示了磁現象的電本質。第12頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五第二

6、節 磁場的主要物理量一、磁感應強度二、磁通三、磁導率四、磁場強度第13頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五一、磁感應強度動畫 M5-4 磁感應強度 磁場中垂直于磁場方向的通電直導線所受的磁場力F 與電流 I 和導線長度 l 的乘積 Il 的比值叫做通電直導線所在處的磁感應強度 B。即第14頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五磁感應強度是描述磁場強弱和方向的物理量。磁感應強度是一個矢量，它的方向即為該點的磁場方向。在國際單位制中，磁感應強度的單位是：特斯拉(T)。用磁感線可形象地描述磁感應強度 B 的大小，B 較大的地方，磁場較強，磁感線較密；B 較小

7、的地方，磁場較弱，磁感線較稀；磁感線的切線方向即為該點磁感應強度 B 的方向。勻強磁場中各點的磁感應強度大小和方向均相同。第15頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五二、磁通 在磁感應強度為 B 的勻強磁場中取一個與磁場方向垂直，面積為 S 的平面，則 B 與 S 的乘積，叫做穿過這個平面的磁通量 ，簡稱磁通。即即磁感應強度 B 可看作是通過單位面積的磁通，因此磁感應強度 B 也常叫做磁通密度，并用 Wb/m2 作單位。磁通的國際單位是韋伯 (Wb) 。由磁通的定義式，可得 = BS第16頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五三、磁導率1磁導率 磁場中各

8、點的磁感應強度 B 的大小不僅與產生磁場的電流和導體有關，還與磁場內媒介質(又叫做磁介質)的導磁性質有關。在磁場中放入磁介質時，介質的磁感應強度 B 將發生變化，磁介質對磁場的影響程度取決于它本身的導磁性能。 物質導磁性能的強弱用磁導率 來表示。 的單位是：亨利/米(H/m)。不同的物質磁導率不同。在相同的條件下， 值越大，磁感應強度 B 越大，磁場越強； 值越小，磁感應強度 B 越小，磁場越弱。真空中的磁導率是一個常數，用 0 表示 0 = 4 107 H/m第17頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五2相對磁導率 r為便于對各種物質的導磁性能進行比較，以真空磁導率 0

9、為基準，將其他物質的磁導率 與 0 比較，其比值叫相對磁導率，用 r 表示，即第18頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五 根據相對磁導率 r 的大小，可將物質分為三類：(1) 順磁性物質：r 略大于 1，如空氣、氧、錫、鋁、鉛等物質都是順磁性物質。在磁場中放置順磁性物質，磁感應強度 B 略有增加。(2) 反磁性物質：r 略小于 1，如氫、銅、石墨、銀、鋅等物質都是反磁性物質，又叫做抗磁性物質。在磁場中放置反磁性物質，磁感應強度 B 略有減小。(3) 鐵磁性物質：r 1，且不是常數，如鐵、鋼、鑄鐵、鎳、鈷等物質都是鐵磁性物質。在磁場中放入鐵磁性物質，可使磁感應強度 B 增加

10、幾千甚至幾萬倍。第19頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五表 5-1 列出了幾種常用的鐵磁性物質的相對磁導率。表 5-1幾種常用鐵磁性物質的相對磁導性材料相對磁導率材料相對磁導率鈷174已經退火的鐵7 000未經退火的鑄鐵240變壓器鋼片7 500已經退火的鑄鐵620在真空中融化的電解鐵12 950鎳1 120鎳鐵合金60 000軟鋼2 180“C”型坡莫合金115 000第20頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五四、磁場強度在各向同性的媒介質中，某點的磁感應強度 B 與磁導率 之比稱為該點的磁場強度，記做 H。即 磁場強度 H 也是矢量，其方向與磁

11、感應強度 B 同向，國際單位是：安培/米 (A/m)。必須注意：磁場中各點的磁場強度H的大小只與產生磁場的電流I的大小和導體的形狀有關，與磁介質的性質無關。第21頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五第三節 磁場對電流的作用力一、磁場對直線電流的作用力二、磁場對通電線圈的作用力矩三、電流表工作原理第22頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五一、磁場對直線電流的作用力1.安培力的大小磁場對放在其中的通電直導線有力的作用，這個力稱為安培力。(1)當電流 I 的方向與磁感應強度 B 垂直時，導線受安培力最大，根據磁感應強度可得(2) 當電流 I 的方向與磁感應

12、強度 B 平行時，導線不受安培力作用。 第23頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五(3) 如圖 5-3 所示，當電流 I 的方向與磁感應強度 B 之間有一定夾角時，可將 B 分解為兩個互相垂直的分量：一個與電流 I 平行的分量，B1 = Bcos；另一個與電流 I 垂直的分量，B2 = Bsin。B1 對電流沒有力的作用，磁場對電流的作用力是由 B2 產生的。因此，磁場對直線電流的作用力為當 = 90 時，安培力 F 最大；當 = 0 時，安培力 F = 0。 圖 5-3磁場對直線電流的作用力第24頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五2單位 公式中各

13、物理量的單位均采用用國際單位制：安培力 F的單位用牛頓(N)；電流I的單位用安培(A)；長度l的單位用米(m)；磁感應強度 B 的單位用特斯拉(T)。3左手定則 安培力 F 的方向可用左手定則判斷：伸出左手，使拇指跟其他四指垂直，并都跟手掌在一個平面內，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線在磁場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。第25頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五二、磁場對通電線圈的作用力矩 將一矩形線圈 abcd 放在勻強磁場中，如圖 5-4 所示圖 5-4磁場對通電矩形線圈的作用

14、力矩 線圈的頂邊 ad 和底邊 bc 所受的磁場力 Fad、Fbc 大小相等，方向相反，在一條直線上，彼此平衡；而作用在線圈兩個側邊 ab 和 cd 上的磁場力 Fab、Fcd 雖然大小相等，方向相反，但不在一條直線上，產生了力矩，稱為磁力矩。第26頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五當線圈平面與磁感線平行時，力臂最大，線圈受磁力矩最大；當線圈平面與磁感線垂直時，力臂為零，線圈受磁力矩也為零。電流表就是根據上述原理工作的。這個力矩使線圈繞 OO 轉動，轉動過程中，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。第27頁，共60頁，2022年，5月20日，1

15、0點10分，星期五三、電流表工作原理1結構電流表的結構如圖 5-5 所示。在一個很強的蹄形磁鐵的兩極間有一個固定的圓柱形鐵心，鐵心外套有一個可以繞軸轉動的鋁框，鋁框上繞有線圈，鋁框的轉軸上裝有兩個螺旋彈簧和一個指針，線圈兩端分別接在這兩個螺旋彈簧上，被測電流就是經過這兩個彈簧流入線圈的。圖 5-5電流表的結構第28頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五2工作原理如圖 5-6 所示，蹄形磁鐵和鐵心間的磁場是均勻地輻向分布，這樣，不論通電線圈轉到什么方向，它的平面都跟磁感線平行。因此，線圈受到的偏轉磁力矩 M1 就不隨偏角而改變。通電線圈所受的的磁力矩 M1 的大小與電流 I

16、成正比，即 M1 = k1I式中 k1 為比例系數。圖 5-6磁電式電表的磁場 第29頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五線圈偏轉使彈簧扭緊或扭松，于是彈簧產生一個阻礙線圈偏轉的力矩 M2 ，線圈偏轉的角度越大，彈簧的力矩也越大，M2 與偏轉角 成正比，即 M2 = k2 (式中 k2 為比例系數)當 M1、M2 平衡時，線圈就停在某一偏角上，固定在轉軸上的指針也轉過同樣的偏角，指到刻度盤的某一刻度。比較上述兩個力矩，因為 M1 = M2 ，所以 k1I = k2 ，即即測量時偏轉角度 與所測量的電流成正比。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達到測

17、量目的的儀表稱為磁電式儀表。第30頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五3磁電式儀表的特點(1) 刻度均勻，靈敏度高，準確度高。(2) 負載能力差，價格較昂貴。(3) 給電流表串聯一個阻值很大的分壓電阻，就可改裝成量程較大的電壓表；并聯一個阻值很小的分流電阻，就可改裝成量程較大的電流表；歐姆表也是由電流表改裝的。第31頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五第四節 鐵磁性物質的磁化一、鐵磁性物質的磁化二、磁化曲線三、磁滯回線第32頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五一、鐵磁性物質的磁化1磁化本來不具備磁性的物質，由于受磁場的作用而具有

18、了磁性的現象稱為該物質被磁化。只有鐵磁性物質才能被磁化。2被磁化的原因(1)內因：鐵磁性物質是由許多被稱為磁疇的磁性小區域組成的，每一個磁疇相當于一個小磁鐵。(2)外因：有外磁場的作用。第33頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五如圖 5-7(a) 所示，當無外磁場作用時，磁疇排列雜亂無章，磁性相互抵消，對外不顯磁性；如圖 5-7(b) 所示，當有外磁場作用時，磁疇將沿著磁場方向作取向排列，形成附加磁場，使磁場顯著加強。有些鐵磁性物質在撤去磁場后，磁疇的一部分或大部分仍然保持取向一致，對外仍顯磁性，即成為永久磁鐵。 圖 5-7鐵磁性物質的磁化 不同的鐵磁性物質，磁化后的磁性

19、不同。鐵磁性物質被磁化的性能，被廣泛地應用于電子和電氣設備中，如變壓器、繼電器、電機等。第34頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五二、磁化曲線1磁化曲線的定義磁化曲線是用來描述鐵磁性物質的磁化特性的。鐵磁性物質的磁感應強度 B 隨磁場強度 H 變化的曲線，稱為磁化曲線，也叫 BH 曲線。動畫 M5-5磁化曲線第35頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五2磁化曲線的測定圖 5-8 中，(a)是測量磁化曲線裝置的示意圖，(b)是根據測量值做出的磁化曲線。由圖 5-8(b) 可以看出，B 與 H 的關系是非線性的，即不是常數。圖 5-8 磁化曲線的測定第36

20、頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五3分析(1) 0 1 段：曲線上升緩慢，這是由于磁疇的慣性，當 H 從零開始增加時，B 增加緩慢，稱為起始磁化段。(2) 1 2 段：隨著 H 的增大，B 幾乎直線上升，這是由于磁疇在外磁場作用下，大部分都趨向 H 方向，B 增加很快，曲線很陡，稱為直線段。圖 5-8 磁化曲線的測定第37頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五(3) 2 3 段：隨著 H 的增加，B 的上升又緩慢了，這是由于大部分磁疇方向已轉向 H 方向，隨著 H 的增加只有少數磁疇繼續轉向，B 增加變慢。(4) 3 點以后：到達 3 點以后，磁疇幾

21、乎全部轉到了外磁場方向，再增大 H 值，B 也幾乎不再增加，曲線變得平坦，稱為飽和段，此時的磁感應強度叫飽和磁感應強度。圖 5-8 磁化曲線的測定第38頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五圖 5-8 磁化曲線的測定 不同的鐵磁性物質，B 的飽和值不同，對同一種材料，B的飽和值是一定的。電機和變壓器，通常工作在曲線的 2 3 段，即接近飽和的地方。第39頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五4磁化曲線的意義在磁化曲線中，已知 H 值就可查出對應的 B 值。因此，在計算介質中的磁場問題時，磁化曲線是一個很重要的依據。圖 5-9 給出了幾種不同鐵磁性物質的磁

22、化曲線，從曲線上可看出，在相同的磁場強度 H 下，硅鋼片的 B 值最大，鑄鐵的 B 值最小，說明硅鋼片的導磁性能比鑄鐵要好得多。圖 5-9幾種鐵磁性物質的磁化曲線第40頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五磁化曲線只反映了鐵磁性物質在外磁場由零逐漸增強的磁化過程，而很多實際應用中，鐵磁性物質是工作在交變磁場中的。所以，必須研究鐵磁性物質反復交變磁化的問題。1磁滯回線的測定 三、磁滯回線動畫 M5-6磁滯回線第41頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五2分析圖 5-10 為通過實驗測定的某種鐵磁性物質的磁滯回線。(1)當 B 隨 H 沿起始磁化曲線達到飽和

23、值以后，逐漸減小H 的數值，由圖可看出，B 并不沿起始磁化曲線減小，而是沿另一條在它上面的曲線 ab 下降。(2) 當 H 減小到零時，B 0，而是保留一定的值稱為剩磁，用 Br 表示。永久性磁鐵就是利用剩磁很大的鐵磁性物質制成的。圖 5-10磁滯回線 第42頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五(3)為消除剩磁，必須加反向磁場，隨著反向磁場的增強，鐵磁性物質逐漸退磁，當反向磁場增大到一定值時，B 值變為 0 ，剩磁完全消失，如圖 bc 段。bc 段曲線叫退磁曲線，這時 H 值是為克服剩磁所加的磁場強度，稱為矯頑磁力，用 HC 表示。矯頑磁力的大小反映了鐵磁性物質保存剩磁的

24、能力。(4)當反向磁場繼續增大時，B 值從 0 起改變方向，沿曲線 cd 變化，并能達到反向飽和點 d。圖 5-10磁滯回線 第43頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五(5)使反向磁場減弱到 0，BH 曲線沿 de 變化，在 e 點 H = 0，再逐漸增大正向磁場，BH 曲線沿 efa 變化，完成一個循環。(6)從整個過程看，B 的變化總是落后于 H 的變化，這種現象稱為磁滯現象。經過多次循環，可得到一個封閉的對稱于原點的閉合曲線 (abcdefa) ，稱為磁滯回線。圖 5-10磁滯回線 第44頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五(7) 改變交變磁場

25、強度 H 的幅值，可相應得到一系列大小不一的磁滯回線，如圖 5-11 所示。連接各條對稱的磁滯回線的頂點，得到一條磁化曲線，叫基本磁化曲線。 圖 5-10磁滯回線 圖 5-11基本磁化曲線第45頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五3磁滯損耗 鐵磁性物質在交變磁化時，磁疇要來回翻轉，在這個過程中，產生了能量損耗，稱為磁滯損耗。磁滯回線包圍的面積越大，磁滯損耗就越大，所以剩磁和矯頑磁力越大的鐵磁性物質，磁滯損耗就越大。因此，磁滯回線的形狀常被用來判斷鐵磁性物質的性質和作為選擇材料的依據。圖 5-10磁滯回線 圖 5-11基本磁化曲線第46頁，共60頁，2022年，5月20日，

26、10點10分，星期五第五節 磁路的基本概念 一、磁路二、磁路的歐姆定律第47頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五一、磁路1主磁通和漏磁通如圖 5-12 所示，當線圈中通以電流后，大部分磁感線沿鐵心、銜鐵和工作氣隙構成回路，這部分磁通稱為主磁通；還有一部分磁通，沒有經過氣隙和銜鐵，而是經空氣自成回路，這部分磁通稱為漏磁通。圖 5-12主磁通和漏磁通 第48頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五2磁路磁通經過的閉合路徑叫磁路。磁路和電路一樣，分為有分支磁路和無分支磁路兩種類型。圖 5-12 給出了無分支磁路，圖 5-13 給出了有分支磁路。在無分支磁路中，

27、通過每一個橫截面的磁通都相等。圖 5-13有分支磁路 圖 5-12主磁通和漏磁通 第49頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五二、磁路的歐姆定律1磁動勢通電線圈產生的磁通 與線圈的匝數 N 和線圈中所通過的電流 I 的乘積成正比。把通過線圈的電流 I 與線圈匝數 N 的乘積，稱為磁動勢，也叫磁通勢，即 Em = NI磁動勢 Em 的單位是安培(A)。第50頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五2磁阻磁阻就是磁通通過磁路時所受到的阻礙作用，用 Rm 表示。磁路中磁阻的大小與磁路的長度 l 成正比，與磁路的橫截面積 S 成反比，并與組成磁路的材料性質有關。因

28、此有式中， 為磁導率，單位 H/m；長度 l 和截面積 S 的單位分別為 m 和 m2 。因此，磁阻 Rm 的單位為 1/亨(H1)。由于磁導率 不是常數，所以 Rm 也不是常數。第51頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五3磁路歐姆定律(1) 磁路歐姆定律通過磁路的磁通與磁動勢成正比，與磁阻成反比，即上式與電路的歐姆定律相似，磁通 對應于電流 I ，磁動勢 Em 對應于電動勢 E ，磁阻 Rm 對應于電阻 R 。因此，這一關系稱為磁路歐姆定律。(2) 磁路與電路的對應關系磁路中的某些物理量與電路中的某些物理量有對應關系，同時磁路中某些物理量之間與電路中某些物理量之間也有相似的關系。第52頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五圖 5-14 是相對應的兩種電路和磁路。 圖 5-14對應的電路和磁路 第53頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五表 5-2 列出了電路與磁路對應的物理量及其關系式。 表 5-2磁路和電路中對應的物理量及其關系式 電路磁路電流I磁通電阻磁阻電阻率磁導率電動勢E磁動勢EI N電路歐姆定律I=E/R磁路歐姆定律 = E/R第54頁，共60頁，2022年，5月20日，10點10分，星期五本章小結一、磁場二