第二章 磁、電磁、電感和電容器

1、課程結(jié)構(gòu)第二章 磁、電磁、電感和電容器第一節(jié) 磁場(chǎng)的基本知識(shí)第二節(jié) 鐵磁物質(zhì)的磁化和分類第三節(jié) 磁路的基本定律第四節(jié) 磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用第五節(jié) 電磁感應(yīng)第六節(jié) 自感與互感第七節(jié) 電容器 本章小結(jié)第二章 磁、電磁、電感和電容器第一節(jié) 磁場(chǎng)的基本知識(shí)一.磁場(chǎng)與磁感應(yīng)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(zhì)叫磁性。3.磁鐵性質(zhì)：同極性相斥，異極性相吸4.磁極：磁鐵中磁性最強(qiáng)的兩端。5.磁場(chǎng)：在磁鐵周圍存在著我們眼睛看不到的一種特殊物質(zhì)，這種物質(zhì)叫做磁場(chǎng)，它含有能量。6.磁感應(yīng)線：為了形象地描述磁場(chǎng)，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(nèi)部，從S極指向N極。二.電流的磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)證明，任何通電導(dǎo)體的周圍都存在著磁場(chǎng)。若將磁針放在通電導(dǎo)體的周圍，磁針就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖所示，這種現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng)。1.通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明，電流越大，磁場(chǎng)越強(qiáng)。當(dāng)改變電流方向時(shí)，指南針也隨著反轉(zhuǎn)180°，這說明磁感應(yīng)線的方向與電流方向有一定關(guān)系。這個(gè)關(guān)系通常用右手螺旋定則來確定：右手握住導(dǎo)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(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的方向，如圖所示。2.通電螺旋線圈的磁場(chǎng)通電線圈周圍的磁場(chǎng)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?yàn)榇艌?chǎng)方向。實(shí)驗(yàn)

3、證明，電流越大，線圈的匝數(shù)越多，則磁場(chǎng)越強(qiáng)。三.磁場(chǎng)的基本物理量1.磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）磁感應(yīng)強(qiáng)度曾稱為磁通密度，是用來描述磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量，用字母B來表示。2.磁通 磁感應(yīng)強(qiáng)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(jiǎn)稱磁通，用來表示。3.磁場(chǎng)強(qiáng)度 磁場(chǎng)強(qiáng)度是在作磁場(chǎng)計(jì)算時(shí)而引進(jìn)的一個(gè)物理量，用它來確定磁場(chǎng)與電流之間的關(guān)系，以字母H表示。4.磁導(dǎo)率 磁導(dǎo)率是一個(gè)用來表示磁場(chǎng)媒介質(zhì)磁性的物理量，用它來衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力，以字母來表示。不同的磁介質(zhì)具有不同的導(dǎo)磁能力，磁導(dǎo)率也不同。根據(jù)物質(zhì)磁導(dǎo)率的大小，可以把物質(zhì)分為三類，第一類是逆磁物質(zhì)，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率略小于1，如銅、

4、銀、鉍等；第二類叫順磁物質(zhì)，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率略大于1，如空氣、錫、鋁等；第三類叫鐵磁物質(zhì)，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)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(zhì)的磁化和分類1.鐵磁物質(zhì)的磁化曲線使原來沒有磁性的物質(zhì)具有磁性的過程稱為磁化。凡是鐵磁物質(zhì)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(diǎn)以后的曲線變得平坦。鐵磁物質(zhì)的磁化曲線2.反復(fù)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(zhì)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(diǎn)是：磁導(dǎo)率大，矯頑力

5、小（Hc<10A/m），磁滯損耗低 。（2）硬磁材料 硬磁材料主要特點(diǎn)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(diǎn)是：剩余磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用1.磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)線的作用力在均勻磁場(chǎng)中，有一長(zhǎng)度為L(zhǎng)的通電導(dǎo)體，導(dǎo)體與磁場(chǎng)之間的夾角為，如圖所示實(shí)驗(yàn)證明，該導(dǎo)體所受的電磁力大小為F=BILsin式中 B磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為特斯拉（T）；I通過導(dǎo)體的電流，單位為安（

6、A）；Lsin導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度，單位為米（m）；F導(dǎo)體所受電磁力，單位為牛頓（N）。通電導(dǎo)體與磁場(chǎng)垂直時(shí)，=90°，則F=BIL通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)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(gè)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(dǎo)線所受力的方向，如圖所示。電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向就是用左手定則決定的， 因此，這個(gè)方法又稱為電動(dòng)機(jī)左手定則。通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力作用的關(guān)系 左手定則示意圖2.磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用通電線圈在磁場(chǎng)中受到電磁轉(zhuǎn)矩的作用而旋轉(zhuǎn)，這是電動(dòng)機(jī)或磁電式儀表所以能工作的基本原理。第五節(jié) 電磁感應(yīng)利用變動(dòng)磁場(chǎng)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)或電流的現(xiàn)象

7、，稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，也稱“動(dòng)磁生電”。由電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，稱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而形成的電流稱感應(yīng)電流。導(dǎo)線切割磁力線的產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)示意圖 右手定則示意圖從上述實(shí)驗(yàn)分析可以得出產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的條件是：導(dǎo)線必須作切割磁通的運(yùn)動(dòng)。左圖為導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)示意圖，右圖為右手定則示意圖。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(yīng)線垂直穿過掌心，拇指指向?qū)w切割磁感應(yīng)線運(yùn)動(dòng)方向，則四指所指的方向就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。發(fā)電機(jī)繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則的方法來判斷，所以這個(gè)定則也稱為發(fā)電機(jī)右手定則。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為 e=BVLsin

8、式中 B磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；V導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的速度（m/s）；Lsin導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度（m）；e感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（V）。當(dāng)導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)線方向垂直時(shí)，=90°，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，E=BvL；當(dāng)導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)線方向平等時(shí)，=0°或180°，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。2.線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)首先，我們來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，如圖所示。把一條條形磁鐵N極插入線圈時(shí)，電流計(jì)指針向右偏轉(zhuǎn)，見圖（a）。當(dāng)磁鐵插入線圈后不動(dòng)時(shí)，電流計(jì)指針在零位不動(dòng)，見圖（b）。當(dāng)磁鐵從線圈中拔出時(shí)，電流計(jì)指針向左偏轉(zhuǎn)，見圖（c）。條形磁鐵在線圈中運(yùn)動(dòng) 的參考方向與e的參考方向通過上述實(shí)驗(yàn)，可以得到在線圈中產(chǎn)

9、生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的條件是：穿過線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生變化。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向，其表達(dá)式可書寫為對(duì)于有N匝的線圈來說（設(shè)線圈繞得密集，可以認(rèn)為通過各匝的磁通相同），則其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(yīng)現(xiàn)象叫自感現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱自感。線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就稱為自感電動(dòng)勢(shì)，用eL表示。2.電感和自感電動(dòng)勢(shì)（1）電感 圖中設(shè)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(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(guān)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(jiǎn)稱電感。電感的單位是亨利（H），在工程實(shí)用時(shí)，電感的單位還有毫亨（mH）和（H）它們之間的關(guān)系為：(2)自感電動(dòng)勢(shì)1mH=10H 1H=10H=10mH -3-6-3自感現(xiàn)象例圖3.互感簡(jiǎn)介任何兩個(gè)鄰近的線圈，當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，另一個(gè)線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖所示。這種電磁感應(yīng)現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象。由互感現(xiàn)象所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為互感電動(dòng)勢(shì)，用符號(hào)eM表示。4.渦流當(dāng)變化的磁通穿過整塊鐵心或其它導(dǎo)電金屬時(shí)，其中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(chǔ)能元件，它是儲(chǔ)存電荷和電能的容器，是電工和電子設(shè)備中

11、廣泛應(yīng)用的電路基本元件之一。1.電容器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理任何兩塊非常接近的金屬導(dǎo)體，中間隔以不導(dǎo)電的絕緣物質(zhì)（例如空氣、蠟紙、云母片、滌綸薄膜、陶瓷等），就形成一個(gè)電容器。通常我們把組成電容器的兩塊金屬導(dǎo)體叫做極板，而中間的絕緣物質(zhì)叫介質(zhì).電容器的電容量，簡(jiǎn)稱電容，用C 表示，電容器的基本結(jié)構(gòu)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(shí)際上法拉的單位太大，我們經(jīng)常用微法（F）、皮法（pF）作為電容的單位，它們之間的關(guān)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(zhì)的不

12、同，又分為空氣、紙質(zhì)、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(hào)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(gè)或兩個(gè)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(gè)電容器串聯(lián)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：每一個(gè)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(gè)電容器串聯(lián)，每個(gè)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(gè)或兩個(gè)以上的電容器，聯(lián)接在相同的兩個(gè)端點(diǎn)之間，這種聯(lián)接方式叫做電容器的并聯(lián)，圖是兩個(gè)電容器的并聯(lián)電路。兩個(gè)電容器并聯(lián)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）各個(gè)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=