磁路的基本概念和基本定律

磁路的基本概念和基本定律
在很多电工设备（象变压器、电机、电磁铁等）中，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问题，这一章，我们就学习磁的相关知识。

一、磁铁及其性质：人们把物体能够吸引铁、钴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体（磁铁）。

磁体两端磁性最强的区域叫磁极。

任何磁体都具有两个磁极，而且无论把磁体怎样分割总保持有两个异性磁极，也就是说，N极和S极总是成对出现的。

与电荷间的相互作用力相似，磁极间也存在相互的作用力，且同极性相互排斥，异极性相互吸引。

1．1磁场与磁感应线
磁铁周围和电流周围都存在磁场。

磁场具有力和能的特征。

磁感应线能形象地描述磁场。

它们是互不交叉的闭合曲线，在磁体外部有N极指向S极，在磁体内部由S极指向N极，磁感应线上某点的切线方向表示该点的磁场方向，其疏密程度表示磁场的强弱。

1．2描述磁场的物理量：
磁感应强度B：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线所受电磁力F与电流I和导线有效长度L的乘积IL的比值即为该处的磁感应强度，即B＝F/IL，单位：特斯拉。

磁感应强度是表示磁场中某点磁场强弱和方向的物理量，它是一个矢量，它与电流之间的方向关系可用右手螺旋定则来确定。

磁通∮：磁感应强度B和与它垂直方向的某一截面积S的乘积，称为通过该面积的磁通，即∮＝BS，由上式可知，磁感应强度在数值上可以看作与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁
通，故又称为磁通密度，单位是伏.秒，通常称为“韦”。

磁通∮是描述磁场在空间分布的物理量。

磁导率u是说明媒体介质导磁性能的物理量。

1．3定则
电流与其产生磁场的方向可用安培定则（又称右手螺旋法则）来判断。

安培定则既适用于判断电流产生的磁场方向，也可用于在已知磁场方向时判断电流的方向。

1.直线电流产生的磁场，以右手拇指的指向表示电流方向，
弯曲四指的指向即为磁场方向。

2.环形电流产生的磁场：以右手弯曲的四指表示电流方向，
拇指所指的方向即为磁场方向。

3．通电导体在磁场内的受力方向，用左手定则来判断。

平伸左手，使拇指垂直其余四指，手心正对磁场的方向，四指指向表示电流方向，则拇指的指向就是通电导体的受力方向。

可用下式来表示：
•F＝BILsina
•F－通电导体受到的电磁力
•B－磁感应强度
•I－导体中的电流强度
•L－导体在磁场中的长度
•a－电流方向与磁感应线的夹角
从上式可以看出：当a＝90°时，sin90°＝1，导体受到的电磁力最大；当a＝0°时，sin0°＝0，此时导体受到的电磁力最小，为零。

1．4电磁感应现象
我们把变动磁场在导体中产生电动势的现象称为电磁感应，也称“动磁生电”。

由电磁感应产生的电动势叫感应电动势，由感应电动势产生的电流叫感应电流。

1.直导体切割磁感应线产生感应电动势，其大小为e=Blvsina,
可用右手定则判断。

e=Blvsina
•B－磁感应强度
•V－导体运动速度
•a－速度方向和磁场方向的夹角
•L－导体的有效长度
•e－感应电动势
右手定则内容：平伸右手，拇指与其余四指垂直，让掌心正对磁场方向，以拇指指向表示导体运动方向，则其余四指的指向就是感应电动势的方向。

2.线圈中磁通变化产生感应电动势。

当穿过线圈中的磁通量发生变化时，在线圈回路中就会产生感应电动势和感应电流。

二、楞次定律及法拉第电磁感应定律
2.1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。

也就是说，当线圈中的磁通要增加时感应电流就要产生一个磁通去阻碍它的增加；当线圈中的磁通要减少时，感应电流所产生的磁通将阻碍它减少；如果线圈中原来的磁通量不变，则感应电流为零。

该定
律可用来判断感应电动势和感应电流的方向，具体步骤为：（1）首先判断原磁通的方向及其变化趋势（增加或减少）。

（2）确定感应电流的磁通方向和原磁通是同向还是反向。

（3）根据感应电流产生的磁通方向，用右手螺旋定则确定感应电动势或感应电流的方向。

应当注意：必须把线圈或直导线看成一个电源，在线圈或直导线内部，感应电流从电源的“－”端流到“＋”端；在其外部，从“＋”端经负载流回“－”端。

在线圈或直导体的内部，感应电流的方向和感应电动势的方向相同。

2．2法拉第电磁感应定律：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。

即 e=-△∮/△t（单匝线圈）式中的负号，表示了感应电动势的方向和磁通变化的趋势相反。

e=-n△∮/△t
n－线圈匝数△∮－n匝线圈的磁通变化量
△t-磁通变化△∮所需时间 e－在△t时间内的感应电动势的平均值
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）。

这两个定律是电磁感应的基本定律。

三、自感和互感
3．1由于电流线圈本身所产生的电流发生变化，而引起的电磁感应叫自感现象，简称自感。

线圈中通过每单位电流所产生的自感磁通数，称为自感系数，也称电感，用L表示L＝∮/I单位亨利（H）。

自感是衡量线圈产生自感磁通本领大小的物理量。

其大小不仅与线圈的匝数及几何形状有关，而且与线圈中媒介质的磁导率有密切的关系。

自感电动势的方向也可用楞次定律来判断，即线圈中的外电流增大时，感应电流的方向与外电流的方向相反；
外电流减小时，感应电流的方向与外电流的方向相同。

自感电动势的大小也遵从法拉第电磁感应定律。

自感对人们来说既有利又有弊。

例如：日光灯是利用镇流器中的自感电动势来点燃灯管的，同时也利用它来限制灯管的电流；
但是在含有大电感元件的电路被切断的瞬间，因电感两端的自感电动势很高，在开关处会产生电弧，容易烧坏开关或损坏设备的元器件，这要尽量避免。

通常在含有大电感的电路中都有灭弧装
置。

最简单的办法是在开关或电感两端并接一个适当的电阻或电容，或先将电阻电容串接然后并接到电感两端，让自感电流有一条能量释放的通路。

3．2由一个线圈中的电流发生变化而在另一线圈感应的现象叫互感现象，简称互感。

互感电动势的大小正比于穿过本线圈磁通的变化率，或正比于另一个线圈中电流的变化率。

当两个线圈互相平行且第一个线圈的磁通变化全部影响到第二个线圈时，互感电动势最大；当两个线圈互相垂直时，互感电动势最小。

和自感一样，互感也有利有弊。

在工农业生产中具有广泛用途的各种变压器、电动机都是利用互感原理工作的。

但在电子电路中，若线圈的位置安放不当，各线圈产生的磁场会互相干扰，严重时会使整个电路无法工作。

为此，人们常把胡不相干的线圈的间距拉大或把两个线圈的位置垂直布置，在某些场合下还须用铁磁材料把线圈或其它元件封闭起来进行磁屏蔽。