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

=4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μ

π×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。

2）起重电磁铁──用作起重装置来吊运钢锭、钢材、铁砂等铁磁性材料。

3）制动电磁铁──主要用于对电动机进行制动以达到准确停车的目的。

4）自动电器的电磁系统──如电磁继电器和接触器的电磁系统、自动开关的电磁脱扣器及操作电磁铁等。

5）其他用途的电磁铁──如磨床的电磁吸盘以及电磁振动器等。

三、法拉第电磁感应定律

1．电磁感应现象

当导体相对于磁场作切割磁感线运动时或线圈中的磁通量发生变化时，导体或线圈中将产生感应电动势，若导体或线圈是闭合回路的一部分，则导体或线圈中将产生感应电流，这种现象叫做电磁感应现象。

（1）直导体切割磁感线产生感应电动势。如图1-13所示，当导体在磁场中静止不动或上下（沿磁感线方向）运动时，检流计的指针不偏转。当导体左右（切割磁感线方向）运动时，检流计发生偏转。同时导体切割磁感线的速度越快，指针偏转的角度就越大。

图1-13 导体在磁场中做切割磁感线运动

上述现象表明：感应电动势不但与导体在磁场中的运动方向有关，还与导体的运动速度有关。

直导体中感应电动势的大小为

e=BLυsinα（1-8）式中B——磁感应强度，T；

L——导体在磁场中的有效长度，m；

υ——导体在磁场中的运动速度，m/s；

——导体的运动方向与磁力线的夹角；

e——感应电动势，V。

直导体中感应电动势的方向可用右手定则判断：伸开右手，让大拇指与其余四指垂直，并与掌心在同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，大拇指指向导体的运动方向，则其余四指所指的方向就是导体在磁场中运动产生的感应电动势方向（从低电位指向高电位），如图1-14所示。

图1-14 右手定则

（2）线圈中磁通变化产生感应电动势。如图1-15所示，当磁铁插入或拔出时，检流计的指针发生偏转；而当磁铁插在线圈中不动或两者以同一速度运动时，检流计的指针不发生偏转。检流计的指针发生偏转说明线圈中产生了电流，指针偏转的原因是由于磁铁的插入或拔出导致线圈中的磁通量发生了变化。

图1-15 条形磁铁插入和拔出线圈时产生感应电流

2. 楞次定律

楞次定律指出了变化的磁通与感应电动势在方向上的关系，即感应电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。楞次定律提供了判断感应电动势或感应电流方向

的方法：

（1）首先判断原磁场的方向及其变化趋势（增加或减少）。

（2）应用楞次定律确定感应电流产生的感应磁通方向（如果原磁通是增加的，则感应磁通的方向与原磁通方向相反，如果原磁通是减少的，则感应磁通的方向与原磁通方向相同）。

（3）根据感应磁通方向，用安培定律确定线圈中感应电动势或感应电流的方向。

判断时必须把产生感应电动势的线圈或导体看成一个电源。在线圈或导体内部，感应电流方向与感应电动势方向相同，即由“负极”指向“正极”。

3. 法拉第电磁感应定律

在如图1-14所示的实验中，可发现检流计的指针偏转角度大小与磁铁插入或拔出线圈的速度有关，当磁铁运动的速度越快时，指针偏转角度越大；反之越小。磁铁插入或拔出线圈的速度，反映了线圈中磁通变化的快慢。即线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化速度（即变化率）成正比。这个规律就叫做法拉第电磁感应定律。

用△Φ表示在时间间隔△t 内一个单匝线圈中的磁通变化量，则一个单匝线圈产生的感应电动势为

e= -t ??φ （1-9） 对于N 匝线圈，其感应电动势为

e = -N t ??φ （1-10） 式中 e ——感应电动势，V ；

N ——线圈的匝数；

△Φ——磁通的变化量，Wb ；

△t ——磁通变化△Φ所需要的时间，s 。

负号表示感应电动势的方向和磁通变化的趋势相反。在实际应用中，常用楞次定律来判断感应电动势的方向，而用法拉第电磁感应定律来计算感应电动势的大小（取绝对值）。所以这两个定律是电磁感应的基本定律。

4.自感与自感系数

流过线圈的电流发生变化，导致穿过线圈的磁通量发生变化而产生的自感电动势，总是阻碍线圈中原来电流的变化，当原来电流在增大时，自感电动势与原来电流方向相反；当原来电流减小时，自感电动势与原来电流方向相同。由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫做自感现象。

自感现象中产生的感应电动势叫自感电动势。自感电动势的大小跟穿过导线线圈的磁通量变化的快慢有关系。线圈的磁场是由电流产生的，所以穿过线圈的磁通量变化的快慢跟电流变化的快慢有关系。对同一线圈来说，电流变化得快，线圈产生的自感电动势就大，反之就小。对于不同的线圈，在电流变化快慢相同的情况下，产生的自感电动势是不同的，电学中用自感系数来表示线圈的这种特征，用符号“L”表示，单位：亨利（H）。

自感现象在各种电器设备和无线电技术中有广泛的应用。日光灯的镇流器就是利用线圈的自感现象。

自感现象也有不利的一面，在自感系数很大而电流又很强的电路中，在切断电路的瞬间，由于电流强度在很短的时间内发生很大的变化，会产生很高的自感电动势，使开关的闸刀和固定夹片之间的空气电离而变成导体，形成电弧。这会烧坏开关，甚至危及人员安全。因此，切断这种电路时必须采用安全开关。

5. 电感线圈与电感元件

电感线圈是一种储能元件，它能把电能转换成磁场能。它和电阻器、电容器一样都是电子设备中的重要组成元件。

上面介绍过在任何导线或线圈中流过电流时，其周围都会产生磁场，线圈中的电流发生变化时，线圈周围的磁场也作相应的变动，变动的磁场可使线圈自身产生电动势，这就是自感作用。电感就是用来表示自感应特性的一个物理量。凡是能够产生自感作用的元件统称为电感器。通常电感器都是由线圈构成的，因此也称为电感线圈。

电感线圈一般用漆包线或砂包线或裸导线一圈靠一圈地绕在绝缘管上或铁

芯上而又彼此绝缘的一种元件。电感线圈简称线圈，其图形符号为“”，文字符号为“L”。

电感器的种类很多，通常按电感的形式分为固定电感受器、可变电感器和微调电感器；按磁体性质分为空心线圈、磁心线圈和铜心线圈；按结构特点分为单

层线圈、多层线圈和蜂房线圈。常用的电感器如图1-16所示。

图1-16 常用的电感器

6. 电感线圈的用途和选用

电感线圈的用途很广，例如：发电机、电动机、变压器、电抗器和继电器等电气设备中的绕组就是各种各样的电感线圈；另外收音机、电视机等电子产品中也有不少电感线圈，如振荡线圈、天线线圈、中频变压器（中周）和贴片式电感线圈等。

选用电感线圈时，要注意额定值，即额定电感量和额定电流。线圈中实际通过的电流不能大于其额定值，否则会使线圈过热或承受很大的电磁力，导致机械变形，甚至烧毁。

此外，在使用线圈时应注意不要随便改变线圈的形状、大小和线圈间的距离，否则会影响线圈原来的电感量。尤其是频率越高，即圈数越少的线圈。所以目前在电视接收机中采用的高频线圈，一般用高频蜡或其他介质材料进行密封固定。

电感线圈好坏的检测可用万用表合适的欧姆挡通过检测线圈的直流电阻并与正常值比较来判断。如果实测阻值较大甚至无穷大，可知线圈断路；若实测阻值远小于应有值，则线圈内部严重短路，但多数情况下线圈局部短路靠万用表是测不出来的。对于匝数较少的线圈，其直流阻值近似为零，可以用万用表R×I挡测其阻值并与两表笔直接短路时的情况仔细比较区别来判断线圈是否短路。