第二章 磁、电磁、电感和电容器

课程结构第二章磁、电磁、电感和电容器第一节磁场的基本知识第二节铁磁物质的磁化和分类第三节磁路的基本定律第四节磁场对通电导体的作用第五节电磁感应第六节自感与互感第七节电容器本章小结第二章磁、电磁、电感和电容器第一节磁场的基本知识一.磁场与磁感应线1.磁铁种类：天然磁铁和人造磁铁两种。

2.磁性：磁铁能吸引某种金属的性质叫磁性。

3.磁铁性质：同极性相斥，异极性相吸4.磁极：磁铁中磁性最强的两端。

5.磁场：在磁铁周围存在着我们眼睛看不到的一种特殊物质，这种物质叫做磁场，它含有能量。

6.磁感应线：为了形象地描述磁场，人们引入的一种闭合曲线（过去称为磁力线）。

在磁铁外部，磁感线的是从N极指向S极；在磁铁内部，从S极指向N极。

二.电流的磁效应实验证明，任何通电导体的周围都存在着磁场。

若将磁针放在通电导体的周围，磁针就会发生偏转，如图所示，这种现象称为电流的磁效应。

1.通电直导线的磁场实验证明，电流越大，磁场越强。

当改变电流方向时，指南针也随着反转180°，这说明磁感应线的方向与电流方向有一定关系。

这个关系通常用右手螺旋定则来确定：右手握住导线，大拇指伸直，以右手拇指的指向表示电流方向，弯曲四指指向就是通电导线周围磁场的方向，如图所示。

2.通电螺旋线圈的磁场通电线圈周围的磁场方向，用右手螺旋定则来确定：以右手弯曲的四指表示电流方向，则右拇指所指的方向为磁场方向。

实验证明，电流越大，线圈的匝数越多，则磁场越强。

三.磁场的基本物理量1.磁感应强度（B）磁感应强度曾称为磁通密度，是用来描述磁场内某点磁场强弱和方向的物理量，用字母B来表示。

2.磁通磁感应强度和与它垂直的某一截面积的乘积叫做通过该面积的磁通量，简称磁通，用Φ来表示。

3.磁场强度磁场强度是在作磁场计算时而引进的一个物理量，用它来确定磁场与电流之间的关系，以字母H表示。

4.磁导率磁导率是一个用来表示磁场媒介质磁性的物理量，用它来衡量物质的导磁能力，以字母μ来表示。

不同的磁介质具有不同的导磁能力，磁导率也不同。

根据物质磁导率的大小，可以把物质分为三类，第一类是逆磁物质，它们的相对磁导率略小于1，如铜、银、铋等；第二类叫顺磁物质，它们的相对磁导率略大于1，如空气、锡、铝等；第三类叫铁磁物质，它们的相对磁导率远大于1，甚至大到几千、几万，如铁、钴、镍及其它们的合金。

第二节铁磁物质的磁化和分类1.铁磁物质的磁化曲线使原来没有磁性的物质具有磁性的过程称为磁化。

凡是铁磁物质都能被磁化。

曲线大致可分为四段：①Oa段的曲线变化较缓。

②ab段的曲线较陡，几乎成直线。

③bc曲线变化平缓。

④c点以后的曲线变得平坦。

铁磁物质的磁化曲线2.反复磁化和基本磁化曲线铁磁材料的磁滞回线软磁材料的磁滞回线3.铁磁物质的分类我们把铁磁材料分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料三类。

（1）软磁材料软磁材料主要特点是：磁导率大，矫顽力小（H c<102A/m），磁滞损耗低。

（2）硬磁材料硬磁材料主要特点是，矫顽力大（H c>102A/m），剩磁Br也大，这种材料磁滞回线较宽，磁滞特性显著。

（3）矩磁材料还有一种铁氧体材料，它的磁滞回线差不多呈矩形，故称为矩磁材料，如图2-11所示。

它的特点是：剩余磁感应强度接近磁饱和值B S，矫顽力很小。

矩磁材料第三节磁路的基本定律磁路第四节磁场对通电导体的作用1.磁场对通电直导线的作用力在均匀磁场中，有一长度为L的通电导体，导体与磁场之间的夹角为α，如图所示实验证明，该导体所受的电磁力大小为F=BILsinα式中 B——磁感应强度，单位为特斯拉（T）；I——通过导体的电流，单位为安（A）；Lsinα——导体在磁场中的有效长度，单位为米（m）；F——导体所受电磁力，单位为牛顿（N）。

通电导体与磁场垂直时，α=90°，则F=BIL通电导线在磁场中的受力方向可以用左手定则来决定：平摊左手，使拇指与其它四个手指垂直，让磁通垂直穿入手心，四指指向电流方向，则姆指的指向就是导线所受力的方向，如图所示。

电动机的旋转方向就是用左手定则决定的，因此，这个方法又称为电动机左手定则。

通电导体在磁场中受力作用的关系左手定则示意图2.磁场对通电线圈的作用通电线圈在磁场中受到电磁转矩的作用而旋转，这是电动机或磁电式仪表所以能工作的基本原理。

第五节电磁感应利用变动磁场在导体中产生电动势或电流的现象，称为电磁感应现象，也称“动磁生电”。

由电磁感应而产生的电动势，称感应电动势；由感应电动势而形成的电流称感应电流。

导线切割磁力线的产生感应电动势示意图右手定则示意图从上述实验分析可以得出产生感应电动势的条件是：导线必须作切割磁通的运动。

左图为导线切割磁力线产生感应电动势示意图，右图为右手定则示意图。

感应电动势的方向可以用右手定则来判断。

如图所示，平摊右手，使拇指与其余四指垂直，让磁感应线垂直穿过掌心，拇指指向导体切割磁感应线运动方向，则四指所指的方向就是感应电动势的方向。

发电机绕组中感应电动势的方向用右手定则的方法来判断，所以这个定则也称为发电机右手定则。

感应电动势的大小为 e=BVLsinα式中 B——磁感应强度（T）；V——导线运动的速度（m/s）；Lsinα——导体在磁场中的有效长度（m）；e——感应电动势（V）。

当导线运动方向与磁感应线方向垂直时，α=90°，感应电动势最大，E=BvL；当导线运动方向与磁感应线方向平等时，α=0°或180°，则感应电动势为零。

2.线圈中产生的感应电动势首先，我们来做一个实验，如图所示。

把一条条形磁铁N极插入线圈时，电流计指针向右偏转，见图（a）。

当磁铁插入线圈后不动时，电流计指针在零位不动，见图（b）。

当磁铁从线圈中拔出时，电流计指针向左偏转，见图（c）。

条形磁铁在线圈中运动Φ的参考方向与e的参考方向通过上述实验，可以得到在线圈中产生感应电动势的条件是：穿过线圈内的磁通量发生变化。

感应电动势的大小和方向，其表达式可书写为对于有N匝的线圈来说（设线圈绕得密集，可以认为通过各匝的磁通相同），则其感应电动势为单匝线圈的N倍，即第六节自感与互感1.自感现象由于流过线圈本身的电流变化，而引起的电磁感应现象叫自感现象，简称自感。

线圈中产生的感应电动势就称为自感电动势，用eL表示。

2.电感和自感电动势（1）电感图中设线圈中的交变电流为i，如果线圈中没有铁心，那么线圈中任一点的磁感应强度B的大小与电流i成正比，又线圈中磁链ψ与B成正比，所以线圈中的磁链ψ与电流i也成正比，这种正比关系可以表示为ψ=Li 式中的比例系数L被称为线圈的自感系数，或称为电感量，简称电感。

电感的单位是亨利（H），在工程实用时，电感的单位还有毫亨（mH）和（μH）它们之间的关系为：(2)自感电动势1mH=10-3H 1μH=10-6H=10-3mH自感现象例图3.互感简介任何两个邻近的线圈，当一个线圈中的电流变化时，另一个线圈中就会产生感应电动势，如图所示。

这种电磁感应现象称为互感现象。

由互感现象所产生的感应电动势称为互感电动势，用符号eM表示。

4.涡流当变化的磁通穿过整块铁心或其它导电金属时，其中产生感应电动势，从而引起自成回路的旋涡形电流，称为涡流，如图所示。

第七节电容器电容器与电感一样，也是一种储能元件，它是储存电荷和电能的容器，是电工和电子设备中广泛应用的电路基本元件之一。

1.电容器的基本结构和工作原理任何两块非常接近的金属导体，中间隔以不导电的绝缘物质（例如空气、蜡纸、云母片、涤纶薄膜、陶瓷等），就形成一个电容器。

通常我们把组成电容器的两块金属导体叫做极板，而中间的绝缘物质叫介质.电容器的电容量，简称电容，用C 表示，电容器的基本结构式中 q——极板上带的电量（C）；u——两极板之间的电压（V）；C——电容（F）。

实际上法拉的单位太大，我们经常用微法（μF）、皮法（pF）作为电容的单位，它们之间的关系为 1μF=10-6F 1PF=10-12F2.电容器种类电容器种类很多，按电容量是否可变分为固定电容器、可变电容器和半可变电容器三类。

按电介质的不同，又分为空气、纸质、云母、陶瓷、涤纶、玻璃釉、电解电容器等几类。

部分电容器的名称、符号和外形如图所示。

3.电容器的串联和并联（1）电容器的串联两个或两个以上的电容器依次相联，中间无分支的联接方式，叫做电容器的串联，如图所示。

两个电容器串联有以下几个特点：①每一个电容器上所带的电量都相等，它等于电容器串联后的等效电容上所带的电量q，即 q1=q2=q②总电压等于各电容器两端电压的和，即U=U1+U2③电容器串联的等效电容量的倒数等于各电容器电容量的倒数之和。

④两个电容器串联，每个电容器两端所承受的电压为用q=UC代入上式得：（2）电容器的并联两个或两个以上的电容器，联接在相同的两个端点之间，这种联接方式叫做电容器的并联，图是两个电容器的并联电路。

两个电容器并联有以下几个特点：1）各个电容器两端的电压相同，都等于外加电压，即U1=U2=U2）并联电容器的等效电容所带的电量，等于各电容器所带电量的和，即q=q1+q23）并联电容器等效电容量可由式求出，即将q=UC，q1=UC1, q2=UC2代有 C=C1+C2可见并联电容器的等效电容量大于任一个电容器的电容量。

在电路中，如果单个电容器的电容量不足时，可以用几个电容器并联使用。

本章小结：本章首先讲解磁场的基本知识、铁磁物质的磁化和分类。

然后叙述了磁路基本定律、磁场对通电导线的作用、电磁感应。

最后分析了自感、互感概念和电容器的特点及计算。