《电工基础教案》磁场与电磁感应要点.docx
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1、理 论 课 授 课 教 案课程电工根底第四章 磁场与电磁感应名称审 批 签 字20 / 20授课时间打算课时2023 年月日16 课时授课班级有用课时2023 级电工班汉课时教学目的与要求1. 理解电磁感应现象,把握产生电磁感应的条件及感应电流方向的推断。2. 理解感应电动势的概念,把握电磁感应定律及有关的计算。3. 理解自感、互感现象及自感系数、互感系数的概念,了解自感现象和互感现象在实际中的应用。4. 理解互感线圈的同名端概念,把握互感线圈的串联。5. 理解电感器的储能特性及在电路中能量的转化规律,了解磁场能量的计算。6. 了解直线电流、环形电流以及螺线管电流的磁场,会用右手定则推断其磁场
2、的方向。7. 理解磁感应强度、磁通、磁导率、磁场强度的概念。8. 了解匀强磁场的性质及有关计算。9. 把握磁场对电流作用力的有关计算及方向的推断,了解磁场对通电线圈的作用。10. 了解铁磁性物质的磁化、磁化曲线和磁滞回线。11. 了解磁动势和磁阻的概念。1.用楞次定律推断感应电流和感应电动势方向。教学重点与难点2.自感现象、互感现象及有关计算。3. 把握全电流定律和磁路中的欧姆定律。授课类型教具参考资料复习提问理论课多媒体投影设备、电压表、电流表等学生教材、参考教材及网络图文资料教学方法讲授课时安排:序号教 学 过 程 和 内 容时间安排章节名称(课题)教学时数14-1磁场224-2磁场的主要
3、物理量234-3磁场对电流的作用244-4铁磁物质254-5电磁感应264-6自感274-7互感28*4-8磁路欧姆定律2合计16组织教学与复习回忆1. 师生相互问好,组织学生坐端、坐好,进展上课状态。2. 点名考勤,把握旷课、缺课学生状况及去向。3. 预备多媒体投影,期间提示学生回忆上次课程的重、难点内容。4. 以集中提问或个别提问方式对上一节课的教学效果进展了解,同时复习。课导入及开放讲授每次课前占用约 5 分钟时间教 学 过 程 和 内 容第一节 电流的磁效应一、 磁场1. 磁场 :磁体四周存在的一种特别的物质叫磁场。磁体间的相互作用力是通过磁场传送的。磁体间的相互作用力称为磁场力,同名
4、磁极相互排斥,异名磁极相互吸引。2. 磁场的性质:磁场具有力的性质和能量性质。3. 磁场方向:在磁场中某点放一个可自由转动的小磁针,它N极所指的方向即为该点的磁场方向。二、磁感线1. 磁感线在磁场中画一系列曲线,使曲线上每一点的切线方向都与该点的磁场方向一样,这些曲线称为磁感线。如图5-1所示。第一次课时间安排图 5-1 磁感线图 5-2 条形磁铁的磁感线2. 特点(1) 磁感线的切线方向表示磁场方向,其疏密程度表示磁场的强弱。(2)磁感线是闭合曲线,在磁体外部,磁感线由N极出来,绕到S极;在磁体内部,磁感线的方向由S极指向N极。(3) 任意两条磁感线不相交。说明:磁感线是为争论问题便利人为引
5、入的假想曲线,实际上并不存在。图5-2所示为条形磁铁的磁感线的外形。3. 匀强磁场在磁场中某一区域,假设磁场的大小方向都一样,这局部磁场称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线是一系列疏密均匀、相互平行的直线。三、电流的磁场1. 电流的磁场直线电流所产生的磁场方向可用安培定则来判定,方法是:用右手握 住导线,让拇指指向电流方向,四指所指的方向就是磁感线的围绕方向。环形电流的磁场方向也可用安培定则来判定,方法是:让右手弯曲的四指和环形电流方向全都,伸直的拇指所指的方向就是导线环中心轴线上的磁感线方向。螺线管通电后,磁场方向仍可用安培定则来判定:用右手握住螺线管,四指指向电流的方向,拇指所指的就是螺线管内部
6、的磁感线方向。2. 电流的磁效应电流的四周存在磁场的现象称为电流的磁效应。电流的磁效应提醒了磁现象的电本质。其次节 磁场的主要物理量其次次课一、磁感应强度磁场中垂直于磁场方向的通电直导线,所受的磁场力 F 与电流 I 和导线长度 l 的乘积 Il的比值叫做通电直导线所在处的磁感应强度B。即教 学 过 程 和 内 容时间安排磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度是一个矢量,它的方向即为该点的磁场方向。在国际单位制中,磁感应强度的单位是:特斯拉(T)。用磁感线可形象的描述磁感应强度 B 的大小,B 较大的地方,磁场较强,磁感线较密;B 较小的地方,磁场较弱,磁感线较稀;磁感线的切线方向
7、即为该点磁感应强度B 的方向。匀强磁场中各点的磁感应强度大小和方向均一样。二、磁通在磁感应强度为 B 的匀强磁场中取一个与磁场方向垂直,面积为 S 的平面,则 B 与 S的乘积,叫做穿过这个平面的磁通量F,简称磁通。即F = BS磁通的国际单位是韦伯(Wb)。由磁通的定义式,可得即磁感应强度 B 可看作是通过单位面积的磁通,因此磁感应强度 B 也常叫做磁通密度, 并用Wb/m2 作单位。三、磁导率1. 磁导率 m磁场中各点的磁感应强度 B 的大小不仅与产生磁场的电流和导体有关,还与磁场内媒介质(又叫做磁介质)的导磁性质有关。在磁场中放入磁介质时,介质的磁感应强度 B 将发生变化,磁介质对磁场的
8、影响程度取决于它本身的导磁性能。物质导磁性能的强弱用磁导率m 来表示。m 的单位是:亨利/米(H/m)。不同的物质磁导率不同。在一样的条件下,m 值越大,磁感应强度 B 越大,磁场越强;m 值越小,磁感应强度 B 越小,磁场越弱。m真空中的磁导率是一个常数,用表示m0r2. 相对磁导率 m0 = 4p 10-7 H/mm为便于对各种物质的导磁性能进展比较,以真空磁导率m0为基准,将其他物质的磁导0率 m 与m比较,其比值叫相对磁导率,用r表示,即m依据相对磁导率r的大小,可将物质分为三类:r(1) 顺磁性物质:m略大于 1,如空气、氧、锡、铝、铅等物质都是顺磁性物质。在磁场中放置顺磁性物质,磁
9、感应强度 B 略有增加。(2) 反磁性物质:mr 略小于 1,如氢、铜、石墨、银、锌等物质都是反磁性物质,又叫做抗磁性物质。在磁场中放置反磁性物质,磁感应强度B 略有减小。(3) 铁磁性物质:mr 1,且不是常数,如铁、钢、铸铁、镍、钴等物质都是铁磁性物质。在磁场中放入铁磁性物质,可使磁感应强度B 增加几千甚至几万倍。表 5-1 列出了几种常用的铁磁性物质的相对磁导率。四、磁场强度在各向同性的媒介质中,某点的磁感应强度B 与磁导率 m 之比称为该点的磁场强度, 记做 H。即教 学 过 程 和 内 容磁场强度 H 也是矢量,其方向与磁感应强度 B 同向,国际单位是:安培/米(A/m)。必需留意:
10、磁场中各点的磁场强度 H 的大小只与产生磁场的电流 I 的大小和导体的形状有关,与磁介质的性质无关。第三节 磁场对电流的作用力一、磁场对直线电流的作用力1安培力的大小磁场对放在其中的通电直导线有力的作用,这个力称为安培力。(1) 当电流I的方向与磁感应强度B垂直时,导线受安培力最大,依据磁感应强度可得(2) 当电流I的方向与磁感应强度B平行时,导线不受安培力作用。(3)如图5-3所示,当电流I的方向与磁感应强度B之间有肯定夹角时,可将B分解为两个相互垂直的重量:图5-3磁场对直线电流的作用力图 5-4磁场对通电矩形线圈的作用力时间安排第三次课一个与电流I平行的重量,B1=Bcosq;另一个与电
11、流I垂直的重量,B=Bsinq。B对电流没有力的作用,磁场对电流的作用力是由B1产生的。因此,磁场对直线电22流的作用力为当q = 90时,安培力F最大;当q = 0时,安培力F = 0。2单位公式中各物理量的单位均承受用国际单位制:安培力F的单位用牛顿(N);电流I的单位用安培(A);长度l的单位用米(m);磁感应强度B的单位用特斯拉(T)。3左手定则安培力F的方向可用左手定则推断:伸出左手,使拇指跟其他四指垂直,并都跟手掌 在一个平面内,让磁感线穿入手心,四指指向电流方向,大拇指所指的方向即为通电直导线在磁场中所受安培力的方向。由左手定则可知:FB,F I,即F垂直于B、I所打算的平面。二
12、、磁场对通电线圈的作用力矩a将一矩形线圈abcd放在匀强磁场中,如图5-4所示,线圈的顶边ad和底边bc所受的磁场力F、F 大小相等,方向相反,在一条直线上,彼此平衡;而作用在线圈两个侧边dbc教 学 过 程 和 内 容abcd和 上的磁场力F 、F 虽然大小相等,方向相反,但不在一条直线上,产生了力abcd矩,称为磁力矩。这个力矩使线圈绕OO转动,转动过程中,随着线圈平面与磁感线之间夹角的转变,力臂在转变,磁力矩也在转变。当线圈平面与磁感线平行时,力臂最大,线圈受磁力矩最大; 当线圈平面与磁感线垂直时,力臂为零,线圈受磁力矩也为零。电流表就是依据上述原理工作的。三、电流表工作原理1. 构造电
13、流表的构造如图5-5所示。在一个很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁心, 铁心外套有一个可以绕轴转动的铝框,铝框上绕有线圈,铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针,线圈两端分别接在这两个螺旋弹簧上,被测电流就是经过这两个弹簧流入线圈的。2. 工作原理如图5-6所示,蹄形磁铁和铁心间的磁场是均匀地辐向分布,这样,不管通电线圈转到什么方向,它的平面都跟磁感线平行。因此,线圈受到的偏转磁力矩M 就不随偏角而转变。通电线1圈所受的的磁力矩M 的大小与电流I成正比,即1=Mk I11时间安排式中k 为比例系数。1线圈偏转使弹簧扭紧或扭松,于是弹簧产生一个阻碍线圈偏图 5-5 电流表的构造转的力矩M
14、 ,线圈偏转的角度越大,弹簧的力q2矩也越大,M与偏转角q 成正比,即2M = k q22式中k 为比例系数。2当M 、M平衡时,线圈就停在某一偏角上,固定在转轴12q=上的指针也转过同样的偏角,指到刻度盘的某一刻度。 比较上述两个力矩,由于MM ,所以k Ik,即1212图 5-6 磁电式电表的磁场即测量时偏转角度q与所测量的电流成正比。这就是电流表的工作原理。这种利用永久性磁铁来使通电线圈偏转到达测量目的的仪表称为磁电式仪表。3. 磁电式仪表的特点(1) 刻度均匀,灵敏度高,准确度高。四次课(2) 负载力量差,价格较昂贵。(3)给电流表串联一个阻值很大的分压电阻,就可改装成量程较大的电压表
15、;并联一个阻值很小的分流电阻,就可改装成量程较大的电流表;欧姆表也是由电流表改装的。第四节 铁磁性物质的磁化一、铁磁性物质的磁化1. 磁化原来不具备磁性的物质,由于受磁场的作用而具有了磁性的现象称为该物质被磁化。只有铁磁性物质才能被磁化。2. 被磁化的缘由(1)内因:铁磁性物质是由很多被称为磁畴的磁性小区域组成的,每一个磁畴相当于一个小磁铁。(2) 外因:有外磁场的作用。教 学 过 程 和 内 容时间安排图 5-7 铁磁性物质的磁化如图5-7(a)所示,当无外磁场作用时,磁畴排列杂乱无章,磁性相互抵消,对外不显 磁性;如图5-7(b)所示,当有外磁场作用时,磁畴将沿着磁场方向作取向排列,形成附
16、加 磁场,使磁场显著加强。有些铁磁性物质在撤去磁场后,磁畴的一局部或大局部仍旧保持取向全都,对外仍显磁性,即成为永久磁铁。3. 不同的铁磁性物质,磁化后的磁性不同。4. 铁磁性物质被磁化的性能,被广泛地应用于电子和电气设备中,如变压器、继电器、电机等。二、磁化曲线1. 磁化曲线的定义磁化曲线是用来描述铁磁性物质的磁化特性的。铁磁性物质的磁感应强度B随磁场强度H变化的曲线,称为磁化曲线,也叫BH曲线。2. 磁化曲线的测定图5-8中,(a)是测量磁化曲线装置的示意图,(b)是依据测量值做出的磁化曲线。由图5-8(b)可以看出,B与H的关系是非线性的,即不是常数。图5-8 磁化曲线的测定3. 分析(
17、1)0 1段:曲线上升缓慢,这是由于磁畴的惯性,当H从零开头增加时,B增加缓慢,称为起始 磁化段。(2)1 2段:随着H的增大,B几乎直线上升,这是由于磁畴在外磁场作用下,大局部都趋向H方 向,B增加很快,曲线很陡,称为直线段。(3)2 3段:随着H的增加,B的上升又缓慢了,这是由于大局部磁畴方向已转向H方向,随着H的 增加只有少数磁畴连续转向,B增加变慢。(4)3点以后:到达3点以后,磁畴几乎全部转到了外磁场方向,再增大H值,B也几乎不再增加,曲线变得平坦,称为饱和段,此时的磁感应强度叫饱和磁感应强度。不同的铁磁性物质,B的饱和值不同,对同一种材料,B的饱和值是肯定的。电机和变压器,通常工作
18、在曲线的2 3段,即接近饱和的地方。4磁化曲线的意义在磁化曲线中,H值就可查出对应的B值。因此,在计算介质中的磁场问题时, 磁化曲线是一个很重要的依据。教 学 过 程 和 内 容图5-9给出了几种不同铁磁性物质的磁化曲线,从曲线上可看出,在一样的磁场强度H 下,硅钢片的B值最大,铸铁的B值最小,说明硅钢片的导磁性能比铸铁要好得多。时间安排图5-9 几种铁磁性物质的磁化曲线三、磁滞回线图 5-10 磁滞回线磁化曲线只反映了铁磁性物质在外磁场由零渐渐增加的磁化过程,而很多实际应用中,铁磁性物质是工作在交变磁场中的。所以,必需争论铁磁性物质反复交变磁化的问题。1. 磁滞回线的测定2. 分析图5-10
19、为通过试验测定的某种铁磁性物质的磁滞回线。(1)当B随H沿起始磁化曲线到达饱和值以后,渐渐减小H的数值,由图可看出,B并不沿起始 磁化曲线减小,而是沿另一条在它上面的曲线ab下降。(2)当H减小到零时,B0,而是保存肯定的值称为剩磁,用B表示。永久性磁铁就是利用剩磁很大的铁磁性物质制成的。r(3)为消退剩磁,必需加反向磁场,随着反向磁场的增加,铁磁性物质渐渐退磁,当反向磁场增大到肯定值时,B值变为0,剩磁完全消逝,如图bc段。bc段曲线叫退磁曲线,这时H值 是为抑制剩磁所加的磁场强度,称为矫顽磁力,用H 表示。矫顽磁力的大小反映了铁磁性C物质保存剩磁的力量。第五次课(4)当反向磁场连续增大时,
20、B值从0起转变方向,沿曲线cd变化,并能到达反向饱和点d。(5)使反向磁场减弱到0,BH曲线沿de变化,在e点H=0,再渐渐增大正向磁场,BH曲线沿efa变化,完成一个循环。(6)从整个过程看,B的变化总是落后于H的变化,这种现象称为磁滞现象。经过屡次循环, 可得到一个封闭的对称于原点的闭合曲线(abcdefa),称为磁滞回线。(7)转变交变磁场强度H的幅值,可相应得到一系列大小不一的磁滞回线,如图5-11所示。连接各条对称的磁滞回线的顶点,得到一条磁化曲线,叫根本磁化曲线。3. 磁滞损耗铁磁性物质在交变磁化时,磁畴要来回翻转,在这个过程中,产生了能量损耗,称为磁滞损耗。磁滞回线包围的面积越大
21、,磁滞损耗就越大,所以剩磁图和5-1矫1 顽基磁本磁力化越曲大线的铁 磁性物质,磁滞损耗就越大。因此,磁滞回线的外形常被用来推断铁磁性物质的性质和作为选择材料的依据。第五节 磁路的根本概念一、磁路1. 主磁通和漏磁通如图5-12所示,当线圈中通以电流后,大局部磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路,这局部磁通称为主磁通;还有一局部磁通,没有经过气隙和衔铁,而是经空气自成回路,这局部磁通称为漏磁通。教 学 过 程 和 内 容图 5-12 主磁通和漏磁通图 5-13 有分支磁路2. 磁路磁通经过的闭合路径叫磁路。磁路和电路一样,分为有分支磁路和无分支磁路两种类型。图5-12给出了无分支磁路,图5-1
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