磁场基础知识

§1-2 磁的基本知识

人们把物体能够吸引铁、钴、镍等金属及其合金的性质叫做磁性。把具有磁性的物体叫做磁铁。

任何磁铁都具有两个磁极，两个磁极是彼此依赖，不可分离的。如果把磁铁折断为二个，则每一个磁铁都变成具有N、S两个磁极的磁铁。也就是说，N极和S极是成对出现的，无论怎样分割磁铁，他总是保持两个异性磁极。

把两个磁铁互相靠近发现，总是同性的磁极互相排斥，异性的磁极互相吸引。这种相互的作用力称为磁力。磁力的存在说明在磁铁周围的空间中存在着一种特殊的物质，这种物质称为磁场。

把磁针放在磁场中不同的位置，将会发现磁针所受磁力的大小是不同的，距离磁极越近，受到的磁力越大，表明磁场越强；距离磁极较远的地方，磁场则很弱，甚至感觉不到。为了形象地描述磁场的强弱和方向，人们通常引入一根假想线——磁感线来表示，如图1-7所示。它具有以下特点：

1.磁感线是互不交叉的闭合曲线；在磁铁的外部由N极指向S极，在磁体内部由S极指向N极。

2.磁感线上任意一点的切线方向，就是该点的磁场方向。

3.磁感线的疏密程度表示磁场的强弱。磁感线越密，则磁场越强；磁感线越

疏，磁场越弱。

图1-7 磁感线

一、电流的磁场和有关物理量

在通有电流的导体周围存在磁场，电流越大磁场越强，这种现象叫做电流的磁效应。电流的方向与由它产生的磁场方向之间的关系可用安培定则（又称为右

手螺旋定则）来判断。

1. 通电直导体周围的磁场

如图1-8所示，右手弯曲握住直导体，大拇指指向电流方向，则弯曲的四指所指的方向就是通电直导体周围产生的磁场方向。

2．通电螺线管的磁场

如图1-9所示，右手弯曲握住螺线管，弯曲的四指指向电流方向，则伸直的大拇指所指的方向就是螺线管内的磁场方向，也就是说，大拇指的指向就是通电螺线管的N 极。

图1-8 通电直导体周围的磁场 图1-9 通电螺线管的磁场

3. 磁感应强度

磁感应强度是描述磁场中各点的磁场强弱和方向的物理量，用符号B 表示，单位是特斯拉（T ）。实验证明：当载流导体与磁场方向垂直时，磁场对载流导体的作用力F 与导体中的电流大小I 及导体在磁场中的有效长度L 的乘积成正比。即

B =IL F （1-5） 载流导体在磁场中受力方向可用左手定则来判断：伸开左手，让大拇指与其余四指垂直，并与掌心在同一平面内，让磁感线垂直的穿过手心，四指指向电流方向，则大拇指所指的方向就是通电导体在磁场中所受的电磁力的方向，如图1-10所示。

图1-10 左手定则

磁感应强度是一个矢量，它的方向是磁力线上某点的切线方向。为了在平面上表示出磁感应强度的方向，常用符号“×”或“·”表示垂直进入纸面或垂直从纸面出来的磁力线、电流或磁感应强度。

若磁场中各点的磁感应强度的大小和方向相同，这种磁场就称为均匀磁场（匀强磁场）。以后若不加说明，均为在均匀磁场范围内讨论问题。

4．磁通

磁通是描述磁场在空间某一范围内分布情况的物理量，用符号Φ表示，单位是韦伯（Wb）。磁通定义为：磁感应强度B和与垂直于磁感应强度方向的面积S 的乘积。即

Φ=BS（1-6）由上式可知，当面积一定时，如果通过该面积的磁感线越多，则磁通越大，磁场越强。这一概念在电气工程上有极其重要的意义。如变压器、电动机和电磁铁等铁心材料的选用，希望其通电线圈产生的磁感线尽可能多地通过铁心的截面，以提高效率。

引入了磁通这一概念之后，反过来也可以把磁感应强度看作是通过单位面积的磁通。因此，磁感应强度又称为磁通密度，并且用Wb/m2作单位。

5. 磁导率

实验证明：通电导体所产生的磁场不仅与电流的大小、导体的形状以及相对位置有关，而且还与磁场内介质的性质有关。

磁导率就是一个用来表示介质导磁性能的物理量，用符号μ表示，单位是亨利/米（H/m）。不同的物质其磁导率也不相同。由实验测得真空中的磁导率μ0=4π×10-7H/ m，且为一个常数。

为了比较各种物质的导磁能力，将任一物质的磁导率μ与真空的磁导率μ0的比值叫做相对磁导率，用μr 表示，即

μr =0μμ （1-7）

由上式可知：相对磁导率是没有单位的，它表明在其他条件相同的情况下，介质中的磁感应强度是真空中的多少倍。

根据各种物质的相对磁导率的不同，一般把物质分为二类：

（1）μr ＜＜1的物质称为非磁物质

（2）μr ＞＞1的物质称为磁性物质

自然界中磁性物质只有很少的几种，如铁、钴、镍及其合金等。由于磁性物质的μr ＞＞1，而且还不是一个常数，在其他条件相同的情况下，这类物质中所

产生的磁场比真空中的磁场强几百到几千倍，甚至十几万倍，所有在电动机、变压器等电磁器件大量采用，因此磁性物质在电工技术方面应用极其广泛。

二、磁化与磁性材料

1．磁性材料的磁化

实验证明：在线圈中通以一个电流以后，有铁心的线圈所产生的磁场远比没有铁心的线圈所产生的磁场强。这是为什么呢？这是由于铁心被磁化致使磁场增强的缘故。我们把原来没有磁性的物质，在外磁场作用下产生磁性的现象叫做磁化。凡是铁磁物质都能被磁化。

磁性物质之所以能被磁化，是因为铁磁物质是由许多被称为磁畴的磁性小区域所组成，每一个磁畴相当于一个小磁铁，在无外磁场作用时，这些小磁畴杂乱无章地排列着，如图1-11a 所示，磁性相互抵消，对外不呈现磁性；只有在外磁场的作用下，磁畴都趋向外磁场，形成一个附加磁场，从而使原磁场显著增强，如图1-11b 所示。

图1-11 铁磁物质的磁化

2. 电磁铁

内部带有铁心的、利用通有电流的线圈使其像磁铁一样具有磁性的装置叫做电磁铁。通常制成条形或蹄形。

电磁铁在生产和日常生活中有极其广泛的应用，如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车等。

（1）电磁铁的基本结构和工作原理。电磁铁的形式虽多，但它们的工作原理均相同。电磁铁主要有励磁线圈、铁心和衔铁三个部分组成，如图1-12所示。

图1-12 电磁铁的组成

电磁铁的工作原理是：当励磁线圈通电后，产生的磁通经过铁心和衔铁形成闭合磁路，使衔铁也被磁化，并产生与铁心不同的异性磁极，从而产生电磁吸力将衔铁吸引，当励磁线圈中的电流切断时，磁场随之减弱，衔铁便被释放。

（2）电磁铁的分类及应用。电磁铁按照励磁电流的性质可以分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类型。按照用途来划分电磁铁，主要可分成以下五种：

1）牵引电磁铁──主要用来牵引机械装置、开启或关闭各种阀门，以执行自动控制任务。