5磁場和磁路 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磁場和磁路 5 1電流的磁效應 5 2磁場的主要物理量 5 3磁場對通電導線的作用力 單元小結 5 1電流的磁效應 一 磁場 二 磁感線 三 電流的磁場 1 磁場 磁體周圍存在的一種特殊的物質稱為磁場 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 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 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 圖5 2條形磁鐵的磁感線 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 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 1 電流的磁場 三 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 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 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 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 5 2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 一 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的比值稱為通電直導線所在處的磁感應強度B 即 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 T 特斯拉 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 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 稱為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也常稱為磁通密度 并用Wb m2作單位 磁通的國際單位制單位是Wb 韋伯 由磁通的定義式可得 BS 三 磁導率 1 磁導率 磁場中各點的磁感應強度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 又稱為磁介質 的導磁性質有關 在磁場中放入磁介質時 磁場的磁感應強度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H m 亨 米 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 10 7H m 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為基準 將其他物質的磁導率 與 0比較 其比值稱為相對磁導率 用 r表示 即 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 又稱為做抗磁性物質 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增加幾千甚至幾萬倍 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 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 其方向與磁感應強度B同向 國際單位制單位是A m 安培 米 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 5 3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 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的方向與磁感應強度B平行時 導線不受安培力作用 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 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 2 單位公式中各物理量的單位均采用用國際單位制 安培力F的單位用N 牛 電流I的單位用A 安 長度l的單位用m 米 磁感應強度B的單位用T 特 3 左手定則安培力F的方向可用左手定則判斷 伸出左手 使拇指與其他四指垂直 并都與手掌在一個平面內 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 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 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 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螺旋彈簧流入線圈的 圖5 5電流表的結構 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 它的平面都與磁感線平行 因此 線圈受到的偏轉磁力矩M1就不隨偏轉角度而改變 通電線圈所受的的磁力矩M1的大小與電流I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 線圈偏轉使螺旋彈簧扭緊或扭松 于是螺旋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 螺旋彈簧的力矩也越大 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 線圈就停在某一偏轉角度上 固定在轉軸上的指針也轉過同樣的偏轉角度 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量目的的儀表稱為磁電式儀表 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 電阻表也是由電流表改裝的 單元小結 一 磁場 二 電流的磁效應 三 描述磁場的物理量 四 磁場對電流的作用力 一 磁場 1 磁場是磁體周圍存在的一種特殊物質 磁體通過磁場發生相互作用 2 磁場的大小和方向可用磁感線來形象地描述 磁感線的疏密表示磁場的強弱 磁感線的切線方向表示磁場的方向 二 電流的磁效應 1 通電導線周圍存在著磁場 說明電可以產生磁 由電產生磁的現象稱為電流的磁效應 電流具有磁效應說明磁現象具有電本質 2 電流產生的磁場方向與電流的方向有關 可用安培定則 即右手螺旋定則來判斷 三 描述磁場的物理量 1 磁感應強度B B是描述磁場強弱和磁場方向的物理量 它描述了磁場的力效應 當通電直導線與磁場垂直時 通過觀察導線受力可知導線所在處的磁感應強度 2 磁通 勻強磁場中 穿過與磁感線垂