电工基础磁场的基本概念与基本物理量十七

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电,无处不在,不说我们的日常生活离不开电的应用,正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样,人们身边也存在着看不见却无处不在的电磁波。

电与磁总是相伴相随的,所以,我们要学习了解电的相关知识,那就离不开磁的学习。#电工基础#

电与磁都是看不见摸不着的,它们都很抽象,于我们而言却又不会感到陌生。对于理论知识来讲,电和磁都不简单,但我个人看来,磁的相关知识还是会难于电的。《电工基础》的第三章讲的就是有关磁与电磁的内容。

想要学习交流电,就离不开电磁的知识,所以《电工基础》第三章的电磁知识在交流电部分也是非常重要的,可以说是之后几章交流电知识的基础之一。

所以,我们很有必要熟练掌握第三章的内容,从简到难,一步步把课程第三章“磁与电磁”的内容个吃透。

那么,废话不多说,大家跟着我的脚步进入这次的学习分享“磁场的基本概念与基本物理量”吧。

谈及磁,它的应用可谓横跨古今,比电早得多,我国最出名的显然是闻名世界的司南,也就是现代的指南针,如下图17-1中所示。

当然,随着电工技术的发展,磁与电磁的应用也会越发广泛,像电磁起重机、磁悬浮列车及电气控制电路中常见的接触器等都是电磁的实际引用。

图17-1

而磁体就是能够产生磁场的物质或材料,是一种奇特的物质,它有一种无形的力,既能吸引一些物质,又能排斥一些物质。

比较常见的就是磁铁就是永磁体,另外,还有通电导体、通电线圈等也可是说是磁体,甚至我们人类的家园地球也是一个非常大的磁体。

磁体上磁性最强的部分叫磁极,而一个磁体无论多么小都有两个磁极,至少直到目前为止,人们尚未发现只有一个磁极的磁体。可以在水平面内自由转动的磁体,静止时总是一个磁极指向南方,另一个磁极指向北方,指向南的叫做南极(S极),指向北的叫做北极(N极)。

当然,对于磁体而言,所谓的南极、北极并不仅仅是指地理上的南北极,如下图17-2中的各种磁铁。

图17-2

不用我多说大家也知道,两根磁铁之间同名磁极互相排斥,异名磁极相互吸引,这种磁极之间相互作用的磁力,是通过磁极周围的磁场传递的。

磁极在自己周围空间里产生的磁场,对处在它里面的磁极均产生磁场力的作用。

英国物理学家法拉第提出,在电荷、电流或磁体周围存在着一种被他称为“场”的物质,正是这种“场”传递着电或磁的作用,他还进一步把这种看不见、摸不着的“场”用“场线”给出形象化的描绘,提出电场线和磁场线的概念。显然这个“场”已经已经得到世界的公认。

磁场线,又称磁感线或磁力线,它虽然在实际中看不见摸不着,但不妨我们可以通过某种手段去“观察”它。大家私下也可以做个小实验,在一块磁铁周围撒上一层薄薄的铁粉,如图17-2中所示,并不难发现,磁场线其实是一些闭合曲线,且越靠近磁极,铁粉越密。

另外,大家也可以拿指南针放在磁铁周围的不同位置,就会可以发现指针的方向是变化的。

总而言之,磁体周围存在磁场,磁场可以用磁感线表示,磁感线是有方向的,在磁体内部是从南极指向北极,在磁体外部是从北极出来再进入南极,磁感线在磁极处密集,并在该出产生最大磁场强度,离磁极越远,磁感线越疏。

在大家对磁有了一定的认识后,我们接着来学习磁场中的基本物理量吧。

1、磁感应强度B

磁感应强度是表征磁场中某点的磁场强弱和方向的基本物理量,用符号B表示,单位是T(特斯拉),是一个矢量。磁感应强度还有另一个常见的非法定计量单位“高斯(Gs)”,其中高斯=1特斯拉,所以高斯是一个很小的单位,目前已经很少使用。

磁感应强度可用磁感线的疏密程度来表示,磁感线的密集度称为磁通密度的地方磁感应强度大,在磁感线疏的地方磁感应强度小。其大小定义为:B=F/Il。

图17-3

在给定的磁场中,某一点的磁感应强度B的大小和方向都是确定的。所以图17-3的公式并不能简单说明磁感应强度与导体所受的力成正比,和流过导体的电流与导体的长度成反比。

例如在不同磁场中,相同长度且流过相同大小电流的导体,它所受的安培力不同,就可以根据以上公式求出相应磁场的磁感应强度,当然,前提是匀强磁场,对非均匀磁场来说,以上公式显然不能使用。

上文中提到磁感应强度可用磁感线的疏密程度来表示,即通过磁场中某一点处垂直于B矢量的单位面积上的磁感应线数目(磁感应线密度)等于该点B的数值。很显然,磁场强的地方,B大,磁感应线密磁场弱的地方,B小,磁感应线稀。

磁感线若是直线,磁感应强度的方向就是磁感线的指向;曲线分布的磁场,曲线上某点的磁感应强度的方向指的是该点的切线方向。

2、磁通量φ

磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积A的乘积,称为通过该面积的磁通量φ,即φ=BA或B=φ/A。

图17-4

通过磁场中某一面积的磁感应线数称为通过该面积的磁通量,简称磁通,符号为φ,单位是Wb(韦伯),它是一个标量。磁通还有另外一个单位“麦克斯韦(Mx)”,1Wb=Mx。

从图17-4中我们不难推出,当平面S与磁感线平行时,此时平面S的磁通量为零。

在前文有提到,磁感线是闭合的,那么,对于封闭面来说,进入该闭合面的磁感应线一定等于穿出该闭合面的磁感应线,所以对于封闭面而言,其通过的磁通量为零。这其实就是磁场的高斯定理,细讲起来较为复杂,在此就不多作讲解。

3、磁导率μ

磁导率是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量,也就是用来衡量物质导磁能力的物理量,用符号μ表示,单位是H/m(亨/米),其值由煤质的性质所决定。其中H(亨利)是电感的单位,大家可不要忘了哦。

真空中的磁导率是一个常数,用μ0表示,即μ0=4π×10-7H/m。其它任一煤质的磁导率与真空的磁导率的比值称为相对磁导率,用μr表示,即μr=μμ0。

不同材料的相对磁导率μr相差很大。非铁磁材料如空气、木材、玻璃、铜、铝和绝缘材料等,它们的磁导率可认为等于真空磁导率μ0。而铁磁材料如铁、镍、钴及其合金、硅钢片等的磁导率比非铁磁材料的要高~倍。

磁场媒质的磁导率越大,材料的导磁能力就越好,所以磁感线大多数沿铁磁物质流通,只有少部分沿非铁磁物质散播。这就像导电体和非导电体之间,但是导电体和非导电体的导电率之比,数量级可达之大,所以电流一般沿着导体流通。

4、磁场强度H

磁场中各点磁感应强度的大小与媒质的性质有关,因此使磁场的计算显得比较复杂。为了简化计算,便引入磁场强度这一物理量,它与周围介质无关。磁场强度用符号H表示,单位是A/m(安/米),它也是一个矢量。

磁场强度也是表征磁场性质的一个基本物理量,它和磁场的另一个基本物理量磁感应强度B之间存在着某种关系,即H=μB或H=B/μ。另外,B与H之间的关系曲线称为磁化曲线,也成称B-H曲线,如下图17-5所示,它是磁性材料最基本的特征。在此也不多作说明。

图17-5

学到这里,对于磁场中的一些基本物理量,我相信大家也已有所掌握。这次学习分享的内容虽然是基础,但是理解起来并不是很简单,特别是几个物理量的含义已经它们之间的关系。

大家结合曹老师的《电工基础》课程和我的文章,多看几次,那么学起来就会简单很多。(技成培训原创,作者:杨思慧,未经授权不得转载,违者必究!)




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