磁的基本知识介绍

电和磁是相互联系不可分割的两类物质，电磁感应现象在电工、电子技术、电气自动化等方面的广泛应用对推动社会生产力和科学技术的发展发挥了重要的作用。

一、磁场

在磁体周围存在一种特殊物质，它具有力和能的特性，称为磁场。磁场和电场都是有方向的，通常用磁力线来描绘磁场的分布情况，如图1-13所示。

图1-13 磁铁周围的磁力线示意图

磁力线具有以下特点：

1）磁力线是互不交叉、不能中断的闭合曲线。在磁体外部由N极指向S极，在磁体内部由S极指向N极。

2）磁力线上任意一点的切线方向，就是该点磁场的方向，即该点磁针N极所指的方向。

3）磁力线的疏密程度反映了磁场的强弱，磁力线越密表示磁场越强。均匀磁场中磁力线是相互平行而均匀分布的。

二、电流的磁场

通电导线的周围存在着磁场，磁场是由电荷运动产生的。

1.通电直导线周围的磁场

通电直导线周围磁场的磁力线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在与导线垂直的平面上，如图1-14所示。

磁力线的方向与电流方向之间的关系可用安培定则（又称右手螺旋定则）来判断，如图1-15所示，用右手握住通电直导线，拇指指向电流的方向，弯曲四指的指向即为磁力线的方向。

图1-14 通电导线周围磁场的磁力线示意图

图1-15 右手螺旋定则

2.通电螺线管的磁场

通电螺线管的磁力线是一簇穿过线圈横截面的闭合曲线，其方向与电流方向之间的关系也可用安培定则来判定，如图1-16所示，用右手握住螺线管，弯曲的四指指向线圈电流方向，拇指所指方向为螺线管内的磁场方向。螺线管中间部分为匀强磁场，在螺线管两端磁场最强。

三、磁场对载流导体的作用

1.磁通

穿过某一面积的磁力线的总数叫穿过该面积的磁通量，简称磁通，用字母Φ表示。它的单位是韦伯，用符号Wb表示。

当面积一定时，穿过该面积的磁通越大，磁场就越强。例如在选用变压器、电磁铁等铁心材料时，希望其通电线圈产生的全部磁力线尽可能多地通过铁心的截面，以提高效率。

图1-16 通电螺线管的磁场

2.磁感应强度

垂直通过单位面积的磁力线的多少叫该点的磁感应强度。在均匀磁场中，磁感应强度可表示为

式中 B———磁感应强度（T），1T=1Wb／m²。

磁感应强度B等于单位面积的磁通量；所以磁感应强度也叫磁通密度。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或磁感应强度，识图时应予以注意。

3.磁场对载流导体的作用

载流直导体在均匀磁场中受到的电磁力可表示为

F=BIl（1-10）

式中 B———磁感应强度（T）；

F———通电导体受到的电磁力（N）；

I———电流（A）；

l———导体与磁力线垂直的有效长度（m）。(www.xing528.com)

电流方向与磁场方向垂直时，磁场对电流的电磁力最大。电流方向与磁场方向平行时，磁场对电流不产生电磁力。电磁力的方向可用左手定则判定（见图1-17）：伸开左手，四指与拇指垂直且在同一个平面内，让磁力线穿过手心，四指指向电流方向，拇指的指向就是磁场对电流作用力的方向。

若当导线与磁感应强度的方向成某一个角度时，应分解磁感应强度为与导线垂直、与导线平行两个分量。判断受力方向时，让垂直导线分量从手心穿过，即可准确判断出作用力的方向。

四、电磁感应

前面阐述了电生磁的理论，同样磁也可以生电。

图1-17 左手定则

1.电磁感应现象

利用磁场产生电流的现象叫电磁感应。电动机就是利用电磁感应现象将电能转化为机械能工作的。

1）产生感应电流的条件只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流。当闭合电路中一部分导体切割磁力线时，闭合电路中就会产生感应电流。

2）感应电流的方向。当导体切割磁力线时，闭合电路中感应电流方向应是：伸开右手，拇指与四指垂直且在同一个平面内，让磁力线从手心穿过，拇指指向导线切割磁力线的运动方向，四指的指向即为感应电流的方向（见图1-18）。

2.感应电动势

要使闭合电路中有电流产生，这个电路中必定有电动势存在。在电磁感应现象中，闭合导体回路里有感应电流，那么这个回路中也必定有电动势存在。

在图1-19中，设导体ab的长度是L，以速度v向右运动，这时在导体两端产生的电动势叫做感应电动势，用e表示，即

e=BLv（1-11）

式中 e———导体两端的感应电动势（v）；

B———磁感应强度（T）；

L———切割磁力线导体的长度（m）；

v———导体切割磁力线的速度（m／s）。

图1-18 右手定则示意图

图1-19 直导体切割磁力线产生感应电动势

感应电动势的方向可用右手定则判定。在图1-19中，判定为由b到a，即ab作为一个电源。a端是正极，b端是负极。或者说a端的电动势高于b端的电动势（U_a＞U_b）。感应电动势的方向与电源内部感应电流的方向一致。

产生感应电动势的那部分导体就相当于电源。感应电动势是反映电磁感应本质的物理量，它的产生与导体回路是否闭合无关。只要穿过导体回路的磁通量发生变化，回路中就会产生感应电动势。如果导体回路是闭合的，那么回路中就有感应电流，感应电流的强弱取决于感应电动势的大小和回路的电阻。如果回路是断开的，回路中就没有感应电流，但感应电动势仍然存在。

五、自感

1.自感现象

当导体中流过的电流发生变化时，会引起通过导体自身的磁通量的变化，从而使导体本身产生感应电动势，这个电动势总是阻碍导体中电流的变化。这种由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象叫自感现象。在自感现象中产生的感应电动势叫自感电动势。自感现象是电磁感应的一种特殊情形。在直流电路中只在通电和断电的瞬间显示出来；在交流电路中，自感电动势起着阻碍电流变化的作用。

如图1-20a所示，当接通开关S时，与电阻R串联的灯泡HL₁立刻会发光，而与线圈L串联的灯泡HL₂却逐渐亮起来，在时间上明显地落后于灯泡HL₁。这种现象是由于线圈L有自感作用造成的。因为在接通电源的瞬间，电路中的电流增大，穿过线圈L的磁通量也随之增加，线圈中产生了阻碍磁通量增加的自感电动势（见图1-20b），这个自感电动势阻碍线圈中电流的增大，使灯泡HL₂中的电流不能立刻达到正常值，所以HL₂不能立即发光。

图1-20 自感及自感电动势

a）电路 b）自感电动势

2.自感电动势

自感电动势与导体中电流的变化率ΔI／Δt成正比，即

式（1-12）中的比例系数L叫导体（或线圈）的自感系数，L与线圈的形状、长短、匝数等因素有关。线圈越粗、越长，匝数越密，自感系数L越大，有铁心时L可增大数千倍。

L又称为自感或电感，单位是亨利，简称亨，符号是H。线圈中电流1s改变1A，产生感应电动势为1V，自感系数L为1H，常用的较小单位有毫亨（mH）和微亨（μH）。

1H=1000mH 1mH=1000μH