第二章 磁、電磁、電感和電容器

1、課程結構第二章 磁、電磁、電感和電容器第一節(jié) 磁場的基本知識第二節(jié) 鐵磁物質的磁化和分類第三節(jié) 磁路的基本定律第四節(jié) 磁場對通電導體的作用第五節(jié) 電磁感應第六節(jié) 自感與互感第七節(jié) 電容器 本章小結第二章 磁、電磁、電感和電容器第一節(jié) 磁場的基本知識一.磁場與磁感應線1.磁鐵種類：天然磁鐵和人造磁鐵兩種。2.磁性：磁鐵能吸引某種金屬的性質叫磁性。3.磁鐵性質：同極性相斥，異極性相吸4.磁極：磁鐵中磁性最強的兩端。5.磁場：在磁鐵周圍存在著我們眼睛看不到的一種特殊物質，這種物質叫做磁場，它含有能量。6.磁感應線：為了形象地描述磁場，人們引入的一種閉合曲線（過去稱為磁力線）。在磁鐵外部，磁感線的是從

2、N極指向S極；在磁鐵內部，從S極指向N極。二.電流的磁效應實驗證明，任何通電導體的周圍都存在著磁場。若將磁針放在通電導體的周圍，磁針就會發(fā)生偏轉，如圖所示，這種現(xiàn)象稱為電流的磁效應。1.通電直導線的磁場實驗證明，電流越大，磁場越強。當改變電流方向時，指南針也隨著反轉180°，這說明磁感應線的方向與電流方向有一定關系。這個關系通常用右手螺旋定則來確定：右手握住導線，大拇指伸直，以右手拇指的指向表示電流方向，彎曲四指指向就是通電導線周圍磁場的方向，如圖所示。2.通電螺旋線圈的磁場通電線圈周圍的磁場方向，用右手螺旋定則來確定：以右手彎曲的四指表示電流方向，則右拇指所指的方向為磁場方向。實驗

3、證明，電流越大，線圈的匝數(shù)越多，則磁場越強。三.磁場的基本物理量1.磁感應強度（B）磁感應強度曾稱為磁通密度，是用來描述磁場內某點磁場強弱和方向的物理量，用字母B來表示。2.磁通 磁感應強度和與它垂直的某一截面積的乘積叫做通過該面積的磁通量，簡稱磁通，用來表示。3.磁場強度 磁場強度是在作磁場計算時而引進的一個物理量，用它來確定磁場與電流之間的關系，以字母H表示。4.磁導率 磁導率是一個用來表示磁場媒介質磁性的物理量，用它來衡量物質的導磁能力，以字母來表示。不同的磁介質具有不同的導磁能力，磁導率也不同。根據(jù)物質磁導率的大小，可以把物質分為三類，第一類是逆磁物質，它們的相對磁導率略小于1，如銅、

4、銀、鉍等；第二類叫順磁物質，它們的相對磁導率略大于1，如空氣、錫、鋁等；第三類叫鐵磁物質，它們的相對磁導率遠大于1，甚至大到幾千、幾萬，如鐵、鈷、鎳及其它們的合金。第二節(jié) 鐵磁物質的磁化和分類1.鐵磁物質的磁化曲線使原來沒有磁性的物質具有磁性的過程稱為磁化。凡是鐵磁物質都能被磁化。曲線大致可分為四段：Oa段的曲線變化較緩。ab段的曲線較陡，幾乎成直線。bc曲線變化平緩。c點以后的曲線變得平坦。鐵磁物質的磁化曲線2.反復磁化和基本磁化曲線鐵磁材料的磁滯回線 軟磁材料的磁滯回線3.鐵磁物質的分類我們把鐵磁材料分為軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料三類。（1）軟磁材料 軟磁材料主要特點是：磁導率大，矯頑力

5、?。℉c<10A/m），磁滯損耗低 。（2）硬磁材料 硬磁材料主要特點是，矯頑力大（Hc>10A/m），剩磁Br也大，這種材料磁滯回線較寬，磁滯特性顯著。 22（3）矩磁材料還有一種鐵氧體材料，它的磁滯回線差不多呈矩形，故稱為矩磁材料，如圖2-11所示。它的特點是：剩余磁感應強度接近磁飽和值BS，矯頑力很小。矩磁材料第三節(jié) 磁路的基本定律磁路第四節(jié) 磁場對通電導體的作用1.磁場對通電直導線的作用力在均勻磁場中，有一長度為L的通電導體，導體與磁場之間的夾角為，如圖所示實驗證明，該導體所受的電磁力大小為F=BILsin式中 B磁感應強度，單位為特斯拉（T）；I通過導體的電流，單位為安（

6、A）；Lsin導體在磁場中的有效長度，單位為米（m）；F導體所受電磁力，單位為牛頓（N）。通電導體與磁場垂直時，=90°，則F=BIL通電導線在磁場中的受力方向可以用左手定則來決定：平攤左手，使拇指與其它四個手指垂直，讓磁通垂直穿入手心，四指指向電流方向，則姆指的指向就是導線所受力的方向，如圖所示。電動機的旋轉方向就是用左手定則決定的， 因此，這個方法又稱為電動機左手定則。通電導體在磁場中受力作用的關系 左手定則示意圖2.磁場對通電線圈的作用通電線圈在磁場中受到電磁轉矩的作用而旋轉，這是電動機或磁電式儀表所以能工作的基本原理。第五節(jié) 電磁感應利用變動磁場在導體中產生電動勢或電流的現(xiàn)象

7、，稱為電磁感應現(xiàn)象，也稱“動磁生電”。由電磁感應而產生的電動勢，稱感應電動勢；由感應電動勢而形成的電流稱感應電流。導線切割磁力線的產生感應電動勢示意圖 右手定則示意圖從上述實驗分析可以得出產生感應電動勢的條件是：導線必須作切割磁通的運動。左圖為導線切割磁力線產生感應電動勢示意圖，右圖為右手定則示意圖。感應電動勢的方向可以用右手定則來判斷。如圖所示，平攤右手，使拇指與其余四指垂直，讓磁感應線垂直穿過掌心，拇指指向導體切割磁感應線運動方向，則四指所指的方向就是感應電動勢的方向。發(fā)電機繞組中感應電動勢的方向用右手定則的方法來判斷，所以這個定則也稱為發(fā)電機右手定則。感應電動勢的大小為 e=BVLsin

8、式中 B磁感應強度（T）；V導線運動的速度（m/s）；Lsin導體在磁場中的有效長度（m）；e感應電動勢（V）。當導線運動方向與磁感應線方向垂直時，=90°，感應電動勢最大，E=BvL；當導線運動方向與磁感應線方向平等時，=0°或180°，則感應電動勢為零。2.線圈中產生的感應電動勢首先，我們來做一個實驗，如圖所示。把一條條形磁鐵N極插入線圈時，電流計指針向右偏轉，見圖（a）。當磁鐵插入線圈后不動時，電流計指針在零位不動，見圖（b）。當磁鐵從線圈中拔出時，電流計指針向左偏轉，見圖（c）。條形磁鐵在線圈中運動 的參考方向與e的參考方向通過上述實驗，可以得到在線圈中產

9、生感應電動勢的條件是：穿過線圈內的磁通量發(fā)生變化。感應電動勢的大小和方向，其表達式可書寫為對于有N匝的線圈來說（設線圈繞得密集，可以認為通過各匝的磁通相同），則其感應電動勢為單匝線圈的N倍，即第六節(jié) 自感與互感1.自感現(xiàn)象由于流過線圈本身的電流變化，而引起的電磁感應現(xiàn)象叫自感現(xiàn)象，簡稱自感。線圈中產生的感應電動勢就稱為自感電動勢，用eL表示。2.電感和自感電動勢（1）電感 圖中設線圈中的交變電流為i，如果線圈中沒有鐵心，那么線圈中任一點的磁感應強度B的大小與電流i成正比，又線圈中磁鏈與B成正比，所以線圈中的磁鏈與電流i也成正比，這種正比關系可以表示為=Li 式中的比例系數(shù)L被稱為線圈的自感系數(shù)

10、，或稱為電感量，簡稱電感。電感的單位是亨利（H），在工程實用時，電感的單位還有毫亨（mH）和（H）它們之間的關系為：(2)自感電動勢1mH=10H 1H=10H=10mH -3-6-3自感現(xiàn)象例圖3.互感簡介任何兩個鄰近的線圈，當一個線圈中的電流變化時，另一個線圈中就會產生感應電動勢，如圖所示。這種電磁感應現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象。由互感現(xiàn)象所產生的感應電動勢稱為互感電動勢，用符號eM表示。4.渦流當變化的磁通穿過整塊鐵心或其它導電金屬時，其中產生感應電動勢，從而引起自成回路的旋渦形電流，稱為渦流，如圖所示。第七節(jié) 電容器電容器與電感一樣，也是一種儲能元件，它是儲存電荷和電能的容器，是電工和電子設備中

11、廣泛應用的電路基本元件之一。1.電容器的基本結構和工作原理任何兩塊非常接近的金屬導體，中間隔以不導電的絕緣物質（例如空氣、蠟紙、云母片、滌綸薄膜、陶瓷等），就形成一個電容器。通常我們把組成電容器的兩塊金屬導體叫做極板，而中間的絕緣物質叫介質.電容器的電容量，簡稱電容，用C 表示，電容器的基本結構式中 q極板上帶的電量（C）；u兩極板之間的電壓（V）；C電容（F）。實際上法拉的單位太大，我們經常用微法（F）、皮法（pF）作為電容的單位，它們之間的關系為 1F=10F 1PF=10F -6-122.電容器種類電容器種類很多，按電容量是否可變分為固定電容器、可變電容器和半可變電容器三類。按電介質的不

12、同，又分為空氣、紙質、云母、陶瓷、滌綸、玻璃釉、電解電容器等幾類。部分電容器的名稱、符號和外形如圖所示。3.電容器的串聯(lián)和并聯(lián)（1）電容器的串聯(lián) 兩個或兩個以上的電容器依次相聯(lián)，中間無分支的聯(lián)接方式，叫做電容器的串聯(lián)，如圖所示。兩個電容器串聯(lián)有以下幾個特點：每一個電容器上所帶的電量都相等，它等于電容器串聯(lián)后的等效電容上所帶的電量q，即 q1=q2=q總電壓等于各電容器兩端電壓的和，即U=U1+U2電容器串聯(lián)的等效電容量的倒數(shù)等于各電容器電容量的倒數(shù)之和。兩個電容器串聯(lián)，每個電容器兩端所承受的電壓為用q=UC代入上式得：（2）電容器的并聯(lián) 兩個或兩個以上的電容器，聯(lián)接在相同的兩個端點之間，這種聯(lián)接方式叫做電容器的并聯(lián)，圖是兩個電容器的并聯(lián)電路。兩個電容器并聯(lián)有以下幾個特點：1）各個電容器兩端的電壓相同，都等于外加電壓，即U1=U2=U2）并聯(lián)電容器的等效電容所帶的電量，等于各電容器所帶電量的和，即q=