第四章 模块三电磁和电磁感应
磁与电有着密切的联系。本部分主要介绍磁场的物理量、磁性材料以及磁路的基本概念，磁场对电流的作用及电磁感应定律，变压器的基本结构和工作原理。
3.1磁场和磁场线
在磁体的周围都存在着磁场，磁场和电场一样，也是一种特殊的物质，具有力和能的性质。
磁场可以用磁力线来描述。磁力线是在磁场中所画的一系列假想的有方向的曲线，曲线上每一点的切线方向就是该点的磁场方向，图3-1所示为条形磁铁的磁力线分布情况。
磁力线具有以下特点。
①磁力线在磁体外部由N极出来，进入S极；在磁体内部由S极回到N极，组成不相交的闭合曲线。
②磁力线不会彼此相交。
③磁力线的疏密反映了磁场的强弱。
1．电流的磁效应
磁铁并不是磁场的唯一来源，1820年，丹麦物理学家奥斯特通过实验首先发现了电流也能产生磁场。
通电直导线产生磁场
通电直导线的磁力线是以导体为圆心的同心圆，并且在与导体垂直的平面上。可以使用安培定则来判定直线电流产生的磁场方向，即右手握住导线，让伸直的大拇指指向电流的方向，则弯曲的四指所指的方向就是磁力线的方向，如图3-2所示。
环形电流产生磁场
如图3-3所示，其磁力线是一系列围绕环形导线的闭合曲线。在环形导线的中心轴上，磁力线和环形导线平面垂直。环形电流产生磁场的方向也可以用安培定则判定，即让右手弯曲的四指指向与环形电流的方向一致，则伸直的大拇指所指方向就是磁力线方向。
螺线管线圈产生磁场
如图3-4所示，把导线一圈圈地绕在空心圆筒上制成螺线管，通电后，由于每匝线圈产生的磁场相互叠加，因而内部能产生较强的磁场。通电螺线管的磁场与条形磁铁相似，一端为N极，一端为S极。磁力线的方向可以用另一种解释的安培定则来确定：用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向与电流的方向一致，那么大拇指所指的方向就是螺线管内部磁力线方向。
3.2磁场的基本物理量
3.2.1磁感应强度
磁感应强度是用来描述磁场中某点的磁场大小和方向的物理量，用B表示。
在磁场中的某一点放置一段长度为l，通电电流为I的导体，且使导体与磁场方向垂直，若导体受到的磁场力大小为F，则该点的磁感应强度大小为
磁感应强度的方向与该点的磁场方向一致。
磁感应强度的单位是特斯拉，简称为特作为磁感应强度的单位，注意
若空间中磁场的某个区域内，每一点的磁感应强度的大小相等且方向相同，那么这个区域内的磁场就可以称为匀强磁场，如图3-5所示。
特斯拉
特斯拉，1856年7月10日出生于克罗地亚的史密里安，后加入美国国籍，发明了交流发电机、高频发电机和高频变压器。1893年，他在芝加哥举行的世界博览会上用交流电做了出色的表演，并用他制成的「特斯拉线圈」证明了交流电的优点和安全性。1889年，特斯拉在美国哥伦比亚实现了从科罗拉多斯普林斯至纽约的高压输电实验。从此，交流电开始进入实用阶段。此后，他还从事高频电热医疗器械、无线电广播、微波传输电能及电视广播等方面的研制。
为表彰他早在1896年—1899年实现200kV、架空57.6m的高压输电成果，以及制成著名的特斯拉线圈和在交流电领域的贡献，用他的名字作为磁感强度的单位。
磁通是描述磁场中某个面上的磁场情况的物理量，用符号φ来表示。当匀强磁场垂直于磁通面时，磁通等于磁感应强度与面积的乘积，即
φ=BS
磁通的单位是韦。
韦伯
韦伯，1804年生，德国物理学家。1832年韦伯协助高斯提出磁学量的绝对单位。1833年又与高斯合作发明了世界上第一台有线电报。韦伯还发明了许多电磁仪器，如双线电流表、电功率表、地磁感应器等。韦伯提出了电磁作用的基本定律，将库仑静电定律、安培电动力定律和法拉第电磁感应定律统一在一个公式中，用他的名字命名为磁通量的国际单位。
在图3-6所示的实验中，在通电螺旋管中插入铜棒去吸引铁屑时，可观察到只有少量铁屑被吸起；当插入铁棒去吸引铁屑时，可观察到有大量铁屑被吸起，磁场力增大了很多。这表明：磁场的强弱不仅与电流和导体的形状有关，还与磁场中媒介质的导磁性能有关。
媒介质导磁性能的强弱用磁导率μ来表示，μ的单位是亨每米。不同的媒介质有不同的磁导率。
真空中的磁导率μ是个常数，由实验测定
与电介质的介电常数类似，媒介质的磁导率也引入相对磁导率的概念：任一媒介质的磁导率μ与真空的磁导率μ的比值，即
相对磁导率是个倍率，没有单位。表3-1所示为常用铁磁性材料的相对磁导率。
3.2.4磁场强度
磁感应强度B的大小不仅与导体形状和通过的电流有关，还与周围介质有关。为方便计算，引入了磁场强度这个物理量来描述磁场的性质。磁场强度的大小仅与导体形状和通过的电流有关，与磁场中的媒介质性质无关。
用磁感应强度B与媒介质磁导率μ的比值来定义该点的磁场强度，用H来表示，即
H的单位是安每米等。
3.3铁磁性材料
自然界的物质按其磁性能可分为弱磁性物质和铁性物质，其中铁磁材料包括铁、钴、镍及其合金和铁氧化体等。它是制造变压器、电机及电器等各种电气设备的主要材料，磁性材料的磁性能对电磁器件的性能和工作状态有很大影响。
3.3.1铁磁性材料的磁化
本来不具磁性的物质，由于受磁场的作用而具有了磁性的现象叫做该物质被磁化。只有铁磁性物质才能被磁化，而非铁磁性物质是不能被磁化的。
铁磁性物质能够被磁化的内因，铁磁性物质是由许多被叫做磁畴的磁性小区域所组成的，每一个磁畴相当于一个小磁铁，在无外磁场作用时，磁畴排列杂乱无章，如图3-7所示。有些铁磁性物质在去掉外磁场以后，磁畴的一部分或大部分仍然保持取向一致，对外仍显示磁性，这就成了永久磁铁。
铁磁性物质被磁化的性能，广泛地应用于电子和电气设备中。例如，变压器、继电器、电机等，采用相对磁导率高的铁磁性物质作为绕组的铁心，可使同样容量的变压器、继电器和电机的体积大大缩小，质量大大减轻；半导体收音机的天线线圈绕在铁氧体磁棒上，可以提高收音机的灵敏度。
各种铁磁性物质，由于其内部结构不同，磁化后的磁性各有差异，下面通过分析磁化曲线来了解各种铁磁性物质的特性。
3.3.2磁化曲线
铁磁材料的磁饱和性体现在因磁化而产生的磁感应强度B
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磁性材料的磁化特性可用磁化曲线B=f(H)来表示，磁性材料的磁化曲线如图3-8所示。其中B是如果磁场内不存在磁性材料时的磁感应强度，将B直线和B
当磁场中有磁性材料存在时，B与H不成正比，磁性材料的磁导率μ不是常数，它将随着H的变化而变化，图3-9所示为μ=f(H)曲线。由于磁通φ与磁感应强度B成正比，产生磁通的励磁电流I与H成正比，因此在有磁性材料的情况下，磁通φ与励磁电流I也不成正比，对于不同的磁性材料，其磁化曲线也不相同。
3.3.3磁滞回线
铁磁材料在交变磁场中反复磁化时，磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化，这种现象称为磁性材料的磁滞性。此时，表示磁感应强度B与磁场强度H变化关系的封闭曲线称为磁滞回线。
由图3-10可见，当铁磁材料被磁化，磁场强度H由零增加到某值（H=+H
3.3.4铁磁性物质的分类
铁磁性物质根据磁滞回线的形状可以分为软磁性物质、硬磁性物质和矩磁性物质3大类。
软磁性物质
软磁性物质的磁滞回线窄而陡，回线所包围的面积比较小，如图3-10所示。因而在交变磁场中的磁滞损耗小，比较容易磁化，但撤去外磁场，磁性基本消失，即剩磁和矫顽磁力都较小。
这种物质适用于需要反复磁化的场合，可以用来制造电机、变压器、仪表和电磁铁的铁心。软磁性物质主要有硅钢、坡莫合金和软磁铁氧体等。
硬磁性物质
硬磁性物质的磁滞回线宽而平，回线所包围的面积比较大，如图3-11所示。因而在交变磁场中的磁滞损耗大，必须用较强的外加磁场才能使它磁化，但磁化以后撤去外磁场，仍能保留较大的剩磁，而且不易去磁，即矫顽磁力也较大。
这种物质适合于制成永久磁铁。硬磁性物质主要有钨钢、铬钢、钴钢和钡铁氧体等。
矩磁性物质
这是一种具有矩形磁滞回线的铁磁性物质，如图3-12所示。它的特点是当很小的外磁场作用时，就能使它磁化并达到饱和，去掉外磁场时，磁感应强度仍然保持与饱和时一样。计算机中作为存储元件的环形磁心就是使用的这种物质。矩磁性物质主要有锰镁铁氧体和锂锰铁氧体等。
此外，还有压磁性物质。它是一种磁致伸缩效应比较显著的铁磁性物质。在外磁场的作用下，磁体的长度会发生改变，这种现象就叫做磁致伸缩效应。如果外加交变磁场，则磁致伸缩效应会使这种物质产生振动。压磁性物质可用来制造超声波发生器和机械滤波器等。
3.4磁路的基本概念
3.4.1磁路
在图3-13中，当线圈中通以电流后，大部分磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路，这部分磁通叫做主磁通。还有一小部分磁通，它们没有经过工作气隙和衔铁，而经空气自成回路，这部分磁通叫做漏磁通。
磁通经过的闭合路径叫做磁路。磁路也像电路一样，分为无分支磁路。在无分支磁路中，通过每一个横截面的磁通都相等。
3.4.2磁路的基本概念
磁动势
通电线圈要产生磁场，磁场的强弱与什么因素有关呢？电流是产生磁场的原因，电流越大，磁场越强，磁通越多；通电线圈的每一匝都要产生磁通，这些磁通是彼此相加的，线圈的匝数越多，磁通也就越多。因此，线圈所产生磁通的数目，随着线圈匝数和所通过的电流的增大而增加。换句话说，通电线圈产生的磁通与线圈匝数和所通过的电流的乘积成正比。
通过线圈的电流和线圈匝数的乘积，叫做磁动势，用符号E
E
磁阻
电路中有电阻，电阻表示电流在电路中所受到的阻碍作用。与此类似，磁路中也有磁阻，表示磁通通过磁路时所受到的阻碍作用，用符号R
与导体的电阻相似，磁路中磁阻的大小与磁路的长度l成正比，与磁路的横截面积S成反比，并与组成磁路的材料的性质有关，写成公式为
式中，磁导率μ以H/m为单位，长度l和截面积S分别以m和m
3.4.3磁路的欧姆定律
由上述可知，通过磁路的磁通与磁动势成正比，而与磁阻成反比，其公式为
式与电路的欧姆定律相似，磁通对应于电流，磁动势对应于电动势，磁阻对应于电阻，故叫做磁路的欧姆定律。
从上面的分析可知，磁路中的某些物理量与电路中的某些物理量有对应关系，同时磁路中某些物理量之间与电路中某些物理量之间也有相似的关系。
如图3-15所示为相对应的两种电路和磁路，表3-2列出磁路与电路对应的物理量及其关系式。
3.5电磁感应
3.5.1电磁感应现象
电磁感应是指因为磁通量变化产生感应电动势的现象。
电磁感应现象的发现，是电磁学领域中最伟大的成就之一。它不仅揭示了电与磁之间的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础，为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，在实用上有重大意义。电磁感应现象的发现，标志着一场重大的工业和技术革命的到来。事实证明，电磁感应在电工、电子技术、电气化、自动化方面的广泛应用对推动社会生产力和科学技术的发展发挥了重要的作用。
实验一：如图3-16所示，固定于水平桌面上的金属框架cdef，处在竖直向下的匀强磁场中，金属棒ab搁在框架上，可无摩擦滑动。由实验可知，当闭合回路中一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，回路中就有电流产生。
实验二：如图3-17所示，在一个空心纸筒上绕上一组和电流计联接的导体线圈，当磁棒插进线圈的过程中，电流计的指针发生了偏转，而在磁棒从线圈内抽出的过程中，电流计的指针则发生反方向的偏转，磁棒插进或抽出线圈的速度越快，电流计偏转的角度越大.但是当磁棒不动时，电流计的指针不会偏转。
实验表明：当穿过闭合线圈的磁通发生变化时，线圈中有电流产生。
在一定条件下，由磁产生电的现象，称为电磁感应现象，产生的电流叫感应电流。
电磁感应产生的条件是：闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动；穿过闭合电路的磁通发生变化。不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生。
若穿过没有闭合的回路的磁通发生了变化，则会产生感应电动势，而没有感应电流产生。
3.5.2感应电流的方向
1．右手定则
当闭合回路中一部分导体作切割磁感线运动时，所产生的感应电流方向可用右手定则来判断。
判断方法：伸开右手，使拇指与四指垂直，并都跟手掌在一个平面内，让磁感线穿入手心，拇指指向导体运动方向，四指所指的即为感应电流的方向，如图3-18所示。
电磁学中，右手定则判断的主要是与力无关的方向。为了方便记忆，并与左手定则区分，可以记忆成：左力右电。或者左力右感、左生力右通电。
2．楞次定律
电工基础
袁成华;陈佳彤
社会科学
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