第一节 电流的磁效应65第五章磁场和磁路学习指导本章内容是在物理课的基础上，进一步讲述磁场和磁场对电流的作用。
这些知识是电磁学的重要组成部分，也是学习后面几章（电磁感应、变压器和交流电动机）的基础。
在学习本章时，应对相关内容多进行联系对比，例如，磁场与电场、磁路与电路，这样不仅可以了解相互间的异同，也容易掌握。
本章的基本要求是：1．了解直线电流、环形电流和通电螺线管电流的磁场，以及磁场方向与电流方向的关系。
2．理解磁感应强度、磁通、磁导率和磁场强度的概念，以及匀强磁场的性质。
3．掌握磁场对电流的作用力公式和左手定则，了解匀强磁场对通电线圈的作用。
4．了解铁磁性物质的磁化以及磁化曲线、磁滞回线对其性能的影响。
5．了解磁动势和磁阻的概念和磁路中的欧姆定律。
第一节电流的磁效应一、磁场把一根磁铁放在另一根磁铁的附近，两根磁铁的磁极之间会产生相互作用的磁力，同名磁极互相推斥，异名磁极互相吸引。
两个电荷之间的相互作用力，不是在电荷之间直接发生的，而是通过电场传递的。
同样，磁极之间相互作用的磁力，也不是在磁极之间直接发生的，而是通过磁场传递的。
磁极在自己周围的空间里产生磁场，磁场对处在它里面的磁极有磁场力的作用。
磁场跟电场一样，是一种物质，因而也具有力和能的性质。
地球本身是一个大磁场，它周围的磁场称为地磁场。
同样它也具有两个磁极，地磁场的北66 第五章 磁场和磁路极在地理位置的南极附近；地磁场的南极在地理位置的北极附近。
指南针是我国的四大发明之一，你知道是利用什么原理制成的吗？二、磁场的方向和磁感线把小磁针放在磁场中的任一点，可以看到小磁针受磁场力的作用，静止时它的两极不再指向南北方向，而指向一个别的方向。
在磁场中的不同点，小磁针静止时指的方向一般并不相同。
这个事实说明，磁场是有方向性的。
一般规定，在磁场中的任一点，小磁针N 极受力的方向，亦即小磁针静止时N 极所指的方向，就是那一点的磁场方向。
图5-1 磁感线在磁场中可以利用磁感线（曾称磁力线）来形象地表示各点的磁场方向。
所谓磁感线，就是在磁场中画出的一些曲线，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，如图5-1所示。
三、电流的磁场磁铁并不是磁场的唯一来源。
1820年，丹麦物理学家奥斯特做过下面的实验：把一条导线平行地放在磁针的上方，给导线通电，磁针就发生偏转，如图5-2所示。
这说明不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场，电和磁是有密切联系的。
图5-3所示是直线电流的磁场。
直线电流磁场的磁感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。
直线电流的方向跟它的磁感线方向之间的关系可以用安培定则（也叫做右手螺旋法则）来判定:用右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向跟电流方向一致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。
图5-4所示是环形电流的磁场。
环形电流磁场的磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线。
在环形导线的中心轴线上，磁感线和环形导线的平面垂直。
环形电流的方向跟它的磁感线方向之间的关系，也可以用安培定则来判定:让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，那么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。
图5-2 电流的磁场 图5-3 直线电流的磁场 图5-4 环形电流的磁场图5-5所示是通电螺线管的磁场。
螺线管通电以后表现出来的磁性，很像是一根条形磁铁，一端相当于N 极，另一端相当于S 极，改变电流方向，它的两极就对调。
通电螺线管外部的磁感线和条形磁铁外部的磁感线相似，也是从N 极出来，进入S 极的。
通电螺线管内部具有磁场，内部的磁感线跟螺线管的轴线平行，方向由S 极指向N 极，并和外部的磁感线连接，形成一些闭合曲线。
通电螺线管的电流方向跟它的磁感线方向之间的关系，也可用安培定则来判定:用右第二节 磁场的主要物理量 67图5-5 通电螺线管的磁场手握住螺线管，让弯曲的四指所指方向跟电流的方向一致，那么大拇指所指方向就是螺线管内部磁感线的方向，也就是说，大拇指指向通电螺线管的N 极。
请你制作一个电磁铁，并进行研究：1．电磁铁的磁性强弱与电流大小、线圈匝数的关系；2．磁场方向与电流方向的关系符合什么规律？ 第二节 磁场的主要物理量一、磁感应强度磁场不仅有方向，而且有强弱。
巨大的电磁铁能吸起成吨的钢铁，小的磁铁只能吸起小铁钉。
怎样来表示磁场的强弱呢?磁场的基本特性是对其中的电流有磁场力的作用，研究磁场的强弱，可以从分析通电导线在磁场中的受力情况着手，找出表示磁场的强弱的物理量。
如图5-6所示，把一段通电导线垂直地放入磁场中，实验表明：导线长度l 一定时，电流I 越大，导线受到的磁场力F也越大；电流一定时，导线长度l 越长，导线受到的磁场力F也越大。
精确的实验表明:通电导线受到的磁场力F 与通过的电流I 和导线的长度l 成正比，或者说，F 与乘积Il 成正比。
这就是说，把通电导线垂直放入磁场中的某处，无论怎样改变电流I 和导线长度l ，乘积Il 增大多少倍，F 也增大多少倍，比值F /Il 与乘积Il 无关，是一个恒量。
在磁场中不同的地方，这个比值可以是不同的值。
这个比值越大的地方，表示一定长度的通电导线受到的磁场力越大，即那里的磁场越强。
因此，可以用这个比值来表示磁场的 强弱。
图5-6 通电导线垂直放入磁场中 在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的磁场力F 与电流I 和导线长度l 的乘积Il 的磁感应强度是一个矢量，它的大小如上式所示，它的方向就是该点的磁场方向。
它的单位由F 、I 和l 的单位决定，在国际单位制中，它的单位是T （特）。
磁感应强度B 可用专门的仪器来测量，如高斯计。
用磁感线的疏密程度也可以形象地表示磁感应强度的大小。
在磁感应强度大的地方磁感线密一些，在磁感应强度小的地方磁感线疏 一些。
如果在磁场的某一区域里，磁感应强度的大小和方向都相同，这个区域就叫做匀强磁场。
匀强磁场的磁感线，方向相同，疏密程度也一样，是一些分布均匀的平行直线。
68 第五章 磁场和磁路二、磁通设在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，磁场的磁感应强度为B ，平面的面积为S ，定义磁感应强度B 与面积S 的乘积，叫做穿过这个面的磁通量（简称磁通）。
如果用Φ表示磁通，那么Φ =BS在国际单位制中，磁通的单位是Wb （韦）。
引入了磁通这个概念，反过来也可以把磁感应强度看做是通过单位面积的磁通，因此，磁感应强度也常叫做磁通密度，并且用Wb/m 2（韦/米2）作单位。
在一匀强磁场中，放置着一个与磁场方向垂直的圆环。
现将该圆环面积增大，该圆环内的磁通和磁感应强度将如何变化？三、磁导率磁场中各点磁感应强度的大小不仅与电流的大小和导体的形状有关，而且与磁场内媒介质的性质有关。
这一点可通过下面的实验来验证。
先用一个插有铁棒的通电线圈去吸引铁钉，然后把通电线圈中的铁棒换成铜棒再去吸引铁钉，便会发现两种情况下吸力大小不同，前者比后者大得多。
这表明不同的媒介质对磁场的影响是不同的，影响的程度与媒介质的导磁性质有关。
磁导率µ 就是一个用来表示媒介质导磁性能的物理量，不同的媒介质有不同的磁导率，它的单位为H/m （亨/米）。
由实验可测定，真空中的磁导率是一个常数，用µ 0表示，即 µ 0=4π×10–7 H/m空气、木材、玻璃、铜、铝等物质的磁导率与真空的磁导率非常接近。
由于真空中的磁导率是一个常数，所以，将其他媒介质的磁导率与它对比是很方便的。
任一媒介质的磁导率与真空的磁导率的比值叫做相对磁导率，用µ r 表示，即r 0µµµ= 或µ =µ 0µ r相对磁导率是没有单位的。
根据各种物质导磁性能的不同，可把物质分为三种类型，即反磁性物质、顺磁性物质和铁磁性物质。
µ r <1的物质叫做反磁性物质，也就是说，在这类物质中所产生的磁场要比真空中弱一些。
µ r >1的物质叫做顺磁性物质，也就是说，在这类物质中所产生的磁场要比真空中强一些。
铁磁性物质的µ r 1，而且不是一个常数，在其他条件相同的情况下，这类物质中所产生的磁场要比真空中的磁场强几千甚至几万倍，因而在电工技术方面应用甚广。
铁、钢、钴、镍及某些合金都属于这一类物质。
顺磁性物质和反磁性物质的相对磁导率都接近于1，因而除铁磁性物质外，其他物质的相第三节 磁场对通电导线的作用力69对磁导率都可认为等于1，并称这些物质为非铁磁性物质。
表5-1列出了几种常用的铁磁性物质的相对磁导率。
表5-1常用铁磁性物质的相对磁导率材料相对磁导率材料相对磁导率钴174 已经退火的铁7 000未经退火的铸铁240 变压器钢片7 500已经退火的铸铁620 在真空中熔化的电解铁12 950镍 1 120 镍铁合金60 000软钢 2 180 “C”型坡莫合金115 000四、磁场强度既然磁场中各点磁感应强度的大小与媒介质的性质有关，这就使磁场的计算显得比较复杂。
因此，为了使磁场的计算简单，常用磁场强度这个物理量来表示磁场的性质。
磁场中某点的磁感应强度B与媒介质磁导率µ的比值，叫做该点的磁场强度，用H来表示，即或B=µH=µ0µr H磁场强度也是一个矢量，在均匀的媒介质中，它的方向和磁感应强度的方向一致。
在国际单位制中，它的单位为A/m（安/米）。
1．如果通过某一截面的磁通为零，则该处的磁感应强度一定为零。
（）2．磁感应强度B总是与磁场强度H成正比。
（）3．磁导率是用来表示各种不同材料导磁能力的物理量。
（）第三节磁场对通电导线的作用力一、磁场对通电导线的作用力把一小段通电导线垂直放入磁场中，根据通电导线受的力F、导线中的电流I和导线长度l定义了磁感应强度FBIl=。
把这个公式变形，就得到磁场对通电导线的作用力公式为F=BIl严格说来，这个公式只适用于一小段通电导线的情形，导线较长时，导线所在处各点的磁感应强度B一般并不相同，就不能应用这个公式。
不过，如果磁场是匀强磁场，这个公式就适用于长的通电导线了。
如果电流方向与磁场方向不垂直，通电导线受到的作用力又怎样呢?电流方向与磁场方向垂70 第五章 磁场和磁路直时，通电导线受的力最大，其值由公式F =BIl 给出；电流方向与磁场方向平行时，通电导线不受力，即所受的力为零。
知道了通电导线在这两种特殊情况下所受的力，不难求出通电导线在磁场中任意方向上所受的力。
当电流方向与磁场方向间有一个夹角时，可以把磁感应强度B 分解为两个分量：一个是跟电流方向平行的分量，其大小为B 1 =B cos θ ，另一个是跟电流方向垂直的分量，其大小为B 2 =B sin θ ，如图5-7所示。
