磁路与变压器

课题：模块三磁路与变压器3.1磁场的性质与分析方法课时安排：2课时授课类型：讲授型新课授课方式：讲授法教学目标：1．知道磁场的基本特性是对处在它里面的磁极或电流有磁场力的作用．2．知道磁极和磁极之间、磁极和电流之间、电流和电流之间都是通过磁场发生相互作用的．3．知道什么叫磁感线．4．知道条形磁铁、蹄形磁铁、直线电流、环形电流和通电螺线管的磁感线分布情况．5．会用安培定则判定直线电流、环形电流和通电螺线管的磁场方向．教学重点：（1）理解用场的基本性质一一力的作用和方向性．（2）掌握安培定则及常见几种磁场的磁感线分布．（3）磁场的空间分布与磁感线的对应联系．教学难点：磁场的空间分布与磁感线的对应联系引入新课：我国是世界上最早发现磁现象的国家．早在战国末年就有磁铁的记载．我国古代的四大发明之一的指南针就是其中之一，指南针的发明为世界的航海业作出了巨大的贡献．在现代生活中，利用磁场的仪器或工具随处可见，如我们将要学习的电流表、质谱仪、回旋加速器等等．进人21世纪后，科技的发展突飞猛进、一日千里，作为新世纪的主人，肩负着民族振兴的重任，希望同学们勤奋学习，为攀登科学高峰打好扎实的基础．今天，我们首先认识磁场．（二）新课教学：1、磁场的产生：演示：在玻璃板上放两辆小车，小车上各放置一条形磁铁，通过演示实验1察到，磁体同名磁极相斥，异名磁极相吸，且不需要接触就可以发生力的作用，显然这一力是场力，但磁不带电，不存在电场，它就是另一种场一一磁场。

体周围存在着磁场，常见的条形磁铁、蹄形磁铁周围都存在着磁场．除磁体周围有磁场外，丹麦物理学家奥斯特首先发现电流周围也存在着磁场．观察演示实验2出，当通人电流时，小四针转动，说明电流周围也有磁场．磁极与磁极之间、电流与磁极之间、电流与电流之间通过演示实验看出都会发生相互作用，这种作用都是通过磁场这种特殊物质发生作用的．2、磁场的性质在磁铁周围的不同由放置一些小磁针，发现小磁针静时，指向各不相如图 3 所示，这表明磁场中不同位置力的作用方向不同，因此磁场具有方向性．与电场对比．在电场中，我们利用检验电荷的受力情来反映电场的方向性，规定正电荷受的电场力方向为电场方向。

在磁场中，我们利用小磁针来规定磁场的方向，规定在磁场中的任意一点小磁针北极受力的方向亦即小磁针静止时北极所指的方向，就是那一点的磁场方向．3、磁感线为了形象地反映电场的方向性，我们引进了电场线的概念．同理，在研究磁场时，我们引进磁感线来反映磁场的方向性，磁感线是一些有方向的曲线，在这些曲线上，每一点的切线方向都跟该点的磁场方向相同（即为小磁针的北极指向），利用磁感线，我们就可以比较直观描述磁场的方向性．不同的磁场，磁感线的空间分布是不一样的，常见的磁场的磁感线空间分布情况如下：演示：（l）条形磁铁的磁场取一块玻璃板，在其上面撒上碎铁屑，下面放条形磁铁，轻轻敲击玻璃板，碎铁屑等效于无数个小磁针，形象地显现出磁场的方向，即为磁感线的平面分布情况，所以条形磁铁的磁感线分布如图4。

（2）、蹄形磁铁的磁场：（图5）（3）、直线电流的磁场：（图6）（4）、环形电流的磁场：（图7）：（5）、通电螺线管的磁场：（图8）（6）磁感线的特点：①磁感线是不存在不相交的闭合曲线。

②磁感线某点的切线方向表示该点的磁场方向。

③磁感线的疏密表示磁场的强弱。

4、安培定则：（1）直线电流：用右手握住导线，让大拇指所指的方向跟电流的方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。

如图9所示。

（2）环形电流：让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁感线的方向。

如图10所示。

（3）通电螺线管：用右手握住通电螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向。

如图8所示。

小结：1、磁体周围、电流周围都有磁场，磁场是物质存在的一种形式，其性质是对放入其中的电流和磁体有力的作用。

2、磁场是有方向的，可用磁感线直观形象的反映磁场的方向，须注意磁感线是假象的曲线。

3、通电螺线管内部的磁感线是平行轴线分布的，其外部磁感线由N极出发至S极，其内部是由S极重新回到N极的闭合曲线，所以螺线管内部磁感线最密、磁场最强。

课题：模块三磁路与变压器3.2认识磁路课时安排：2课时授课类型：讲授型新课授课方式：讲授法教学目标：1. 磁场的基本知识，磁场、磁力线、磁感应强度、磁通、磁场强度的基本概念2. 电流的磁效应和安培定则，电磁力和左手定则3. 理解电磁感应现象和电磁感应定律，楞次定律和右手定则教学重点：1. 磁场的基本知识，磁场、磁力线、磁感应强度、磁通、磁场强度的基本概念2. 电流的磁效应和安培定则，电磁力和左手定则教学难点：理解电磁感应现象和电磁感应定律，楞次定律和右手定则变化的电流能产生磁场，磁场在一定条件下又能产生电流，二者密不可分，许多电气设备的工作原理是基于电磁的相互作用，如变压器、电机、电磁铁、电工测量仪表以及其他各种铁磁元件，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问题。

只有同时掌握了电路和磁路的基本理论，才能对各种电工设备的工作原理作全面的分析。

与流经电路中的电流同理，流经磁路的磁通也遵循一定的规律，如磁路的欧姆定律等。

磁路问题是局限于一定路径内的磁场问题，因此磁场的各个基本物理量也适用于磁路。

磁路主要是由具有良好导磁能力的材料构成的，因此本章我们将对这种导磁材料的磁性能加以讨论。

磁路和电路是相关联的，因此本章我们还将研究磁路和电路的关系以及磁和电的关系。

通过以上的基本概念学习后，我们会对分析与计算磁路的基本方法加以讨论，最后，会讨论变压器及电磁铁等应用实例。

磁路的基本概念为了更好地理解磁场的基本性质，掌握磁场的特性，我们可用下列几个在物理学中学过的基本物理量来表示，对此我们做一复习。

磁场的基本物理量1．磁感应强度B磁感应强度是用来描述磁场内某点磁场强弱和方向的物理量，是一个矢量。

它与电流（电流产生磁场）之间的方向关系满足右手螺旋定则，其大小可用通电导体在磁场中某点受到的电磁力与导体中的电流和导体的有效长度的乘积的比值，来表示该点磁场的性质，并称作该点磁感应强度B 。

其数学式为：F B lI= 在SI 制中，B 的单位是特斯拉，简称特（T ）；以前也常用电磁制单位高斯（Gs ）。

两者的关系是1T=104Gs如果磁场内各点磁感应强度B 的大小相等，方向相同，则称为均匀磁场。

在均匀磁场中，B 的大小可用通过垂直于磁场方向的单位截面上的磁力线来表示。

由上式可知，一载流导体在磁场中受电磁力气作用，如图3-1所示。

电磁力的大小F 与磁感应强度B 、电流I 、垂直于磁场的导体有效长度L 成正比。

其数学式为αsin BIL F = （4-1）式中，α为磁场与导体的夹角；B 、F 、I 三者的方向由左手定则确定。

若 90=α，则 BIL F =（4-2） 2．磁通Φ磁感应强度B （如果不是均匀磁场，则取B 的平均值）与垂直于磁场方向的面积S 乘积称为该面积的磁通Φ，即BS =Φ （4-3） 可见，磁感应强度在数值上可以看成为与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称为磁通密度。

在SI 制中，Φ的单位是韦伯，简称韦（Wb ）；在工程上有时用电磁制单位麦克斯韦（Mx ）。

两者的关系是1Wb =108Mx3．磁导率μ磁导率μ是表示磁场媒质磁性的物理量，也就是用来衡量物质导磁能力的物理量。

它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即H B μ= （4-4） 直导体通电后，在周围产生磁场，在导体附近X 点处的磁感应强度X B 与导体中的电流I 、X 点所处的空间几何位置及磁介质的磁导率μ有关。

其数学式为 2X X I B H r μμπ==由（3-4）可见，磁场内某一点的磁场强度H 只与电流大小以及该点的几何位置有关，而与磁场媒质的磁性（μ）无关，就是说在一定电流值下，同一点的磁场强度不因磁场媒质的不同而有异。

但磁感应强度是与磁场媒质的磁性有关的。

当线圈内的媒质不同时，则磁导率μ不同，在同样电流下，同一点的磁感应强度的大小就不同，线圈内的磁通也就不同了。

自然界的物质，就导磁性能而言，可分为铁磁物质(1r μ )和非铁磁物质(1r μ≤)两大类。

非铁磁物质和空气的磁导率与真空磁导率0μ很接近，70104-⨯=πμH/m 。

任意一种物质磁导率μ和真空的磁导率0μ的比值，称为该物质的相对磁导率r μ，即00r rH B H B μμμμμμ⎫=⎪⎪⎬⎪==⎪⎭ （4—5） 在SI 制中，单位是亨/米（H/m ）上式表示相对磁导率就是当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度B 与在同样电流值下在真空中该点的磁感应强度0B 之比所得的倍数。

4．磁场强度H磁场强度H 是计算磁场时所引用的一个物理量，也是矢量。

磁场内某点的磁场强度的大小等于该点磁感应强度除以该点的磁导率，即μBH = （4-6）式中，H 的单位是安每米（A/m ）上式是安培环路定律（或称为全电流定律）的数学表示式。

它是计算磁路的基本公式。

由图3-2可知，X 点的磁场强度X H 为r I B H X X πμ2== （4-7）由式（3-7）可知，磁场强度的大小取决于电流的大小、载流导体的形状及几何位置，而与磁介质无关。

磁性材料的磁性能1．磁性材料主要是指铁、镍、钴及其合金而言。

这些磁性材料具有下列磁性能。

1）．高导磁性磁性材料的磁导率很高，铁磁物质的磁导率比非磁物质的要高很多，如硅钢的相对磁导率可达7000之多。

这就使它们具有被强烈磁化（呈现磁性）的特性。

铁磁性材料的磁化曲线可否用磁感应强度B 随外磁场强度H 的变化关系来表征（由实验结果绘成）。

如图4-1所示的()H f B =曲线。

曲线大致可分为三个段：oa 段、ab 段和bc 段。

oa 段为高导磁性材料段。

正是由于铁磁材料的高导磁性，许多电气设备的线圈都绕制在铁磁性材料上，以便用小的励磁电流（与H 有关）产生较大的磁场、磁通。

如变压器、电机与发电机的铁心都是高导性材料制成。

以降低 图4-1 磁化曲线设备的体积与重量。

2）．磁饱和性 在图4-1中的ab 段，磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限地增强。

当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，全部磁畴的磁场方向都转向与外磁场的方向一致。

这时磁化磁场的磁感应强度B J 即达饱和值。

3）．磁滞性在铁心线圈中通入交流电，铁心被交变的磁场反复磁化，在电流变化一次时，磁感应强度B 随磁场强度H 而变化的关系如图4-2所示，由图可见，当H 已减到零值时，B 并未回到零值。

这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁性物质的磁滞性，由此画出的B-H 曲线称为磁滞回线。

当线圈中电流减小到零值（即H=0）时，铁心在磁化时所获得的磁性还未完全消失。