一、基本概念

1、磁鐵

具有吸引鐵、鈷、鎳等金屬的能力，俗稱吸鐵石。

2、磁場

磁鐵的周圍有磁力作用的空間叫做磁場。

3、磁極

磁體兩端磁性最強(qiáng)的地方叫做磁極。任何一塊磁鐵都有兩個極，S極和N極。磁極間同性相斥，異性相吸。

4、磁力線

磁力線又叫做磁感線，是用以形象地描繪磁場分布的一些曲線。

1）磁力線是互不交叉的閉合曲線，在磁體外部由N極指向S極，在磁體內(nèi)部由S極指向N極；

2）磁力線上任意一點的切線方向就是該點的磁場方向，即N極的指向；

3）磁力線越密磁場越強(qiáng)，磁力線越疏磁場越弱。

5、均強(qiáng)磁場

磁力線均勻分布而又相互平行的區(qū)域，稱為均強(qiáng)磁場。均強(qiáng)磁場是一個理想化概念，完全均勻的磁場是不存在的。勻強(qiáng)磁場內(nèi)部的磁場強(qiáng)弱和方向處處相同。

6、電流磁效應(yīng)

電流磁效應(yīng)是指任何通有電流的導(dǎo)線，都可以在其周圍產(chǎn)生磁場的現(xiàn)象。

1）直線電流產(chǎn)生的磁場

如下圖所示，以右手拇指的指向表示電流方向，彎曲四指的指向即為磁場方向。

2）環(huán)形電流產(chǎn)生的磁場

如下圖所示，以右手彎曲的四指表示電流的方向，拇指所指的方向即為磁場方向。

7、磁感應(yīng)強(qiáng)度

磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場強(qiáng)弱和方向的物理量，常用符號B表示，單位為特斯拉，用符號T表示。磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通量密度或磁通密度，簡稱磁密。

1）磁場中某點磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是該點磁力線的切線方向，即放在該點的小磁針N極的指向。

2）磁感應(yīng)強(qiáng)度大小用公式表示為B=F/IL，式中

B為均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

F為通電導(dǎo)體受到的電磁力，N；

I為導(dǎo)體中的電流強(qiáng)度，A；

L為導(dǎo)體在磁場中的有效長度，即與磁力線垂直的長度，m。

工程上磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是高斯，用字母GS表示。

8、磁通

垂直通過某一面積S的磁力線數(shù)叫做磁通。Φ=BS，式中

B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

S為垂直于磁場方向的面積，m2；

Φ為磁通，Wb。

工程上磁通單位是麥克斯韋，用字母Mx表示。

9、磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率是一種材料對一個外加磁場線性反應(yīng)的磁化程度。磁導(dǎo)率通常用希臘字母μ表示。

10、真空磁導(dǎo)率

是指真空中的磁導(dǎo)率，又稱磁場常數(shù)、自由空間磁導(dǎo)率或磁常數(shù)。常用符號μ?表示。

11、相對磁導(dǎo)率

是指特殊介質(zhì)的磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率μ?的比值。相對磁導(dǎo)率常用符號μr表示。

根據(jù)相對磁導(dǎo)率的大小，可以把物質(zhì)分為三類。

1）反磁物質(zhì)

相對磁導(dǎo)率略小于1，如銅和炭等物質(zhì)，僅受到磁場非常微弱的排斥。

2）順磁物質(zhì)

相對磁導(dǎo)率略大于1，如錫和鋁等。

3）鐵磁物質(zhì)

相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1，甚至大到幾千、幾萬倍。

12、磁場強(qiáng)度

磁場中某點磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率μ的比值叫作該點的磁場強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度取決于勵磁電流、導(dǎo)體的形狀和布置情況，而與磁介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。H=B/μ，H單位為A/m，方向與B相同。

二、鐵磁材料的性能及分類

鐵磁性材料主要是指鐵、鈷、鎳及其合金或某些含鐵的氧化物。

1、鐵磁性材料的磁性能

1）高導(dǎo)磁性

（1）所謂鐵磁性材料具有高導(dǎo)磁性，是指在外磁場作用下能夠被強(qiáng)烈磁化而呈現(xiàn)很大磁性。鐵磁性物質(zhì)能夠被強(qiáng)烈磁化，是由其特殊的微觀結(jié)構(gòu)決定的。

（2）磁疇是指磁性材料內(nèi)部的一個個小區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同，如下圖所示：

各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀物體一般具有很多磁疇，這些磁疇任意取向，排列混亂，磁性相互抵消，對外不顯示磁性。但在外磁場的作用下，磁疇大致按外磁場的方向排列，這樣就產(chǎn)生一個很強(qiáng)的與外磁場同方向的磁化磁場，使鐵磁物質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增加，從而使鐵磁物質(zhì)對外呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性?；蛘哒f鐵磁物質(zhì)被外磁場強(qiáng)烈磁化了。

2）磁飽和性

（1）磁飽和是磁性材料的一種物理特性，指的是導(dǎo)磁材料由于物理結(jié)構(gòu)的限制，所通過的磁通量無法無限增大，從而保持在一定數(shù)量的狀態(tài)。出現(xiàn)磁飽和的原因是當(dāng)外磁場磁場強(qiáng)度H增大到一定數(shù)值時，鐵磁物質(zhì)內(nèi)磁疇基本上已全部按外磁場方向排列，再增大H，附加磁場的增加也很有限。

（2）上圖是研究鐵磁性材料磁化過程的實驗裝置和磁化曲線B-H曲線。圖中環(huán)形鐵圈內(nèi)放的是待研究的鐵磁性材料。利用雙刀雙擲開關(guān)可改變線圈中電流方向，利用調(diào)節(jié)電阻器來改變線圈中的電流大小，從而改變磁場強(qiáng)度H，線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可用測量儀器測出。利用描點法可畫出磁化線B-H曲線。

（3）鐵磁性材料飽和時的磁感強(qiáng)度Bm又稱為飽和磁通密度Bs，它是鐵磁性材料的一個重要磁性指標(biāo)。由B=Φ/S可知，要得到一定的磁通Φ，容許磁通密度越大，所需鐵芯的截面積就越小，而容許磁通密度則取決于鐵磁性材料的Bs。

3）磁滯性

（1）鐵磁性材料在反復(fù)磁化的過程中，它的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是滯后于它的磁場強(qiáng)度的變化，這種現(xiàn)象叫做磁滯。磁滯是由于摻雜和內(nèi)應(yīng)力等的作用，當(dāng)撤掉外磁場時，磁疇的疇壁很難恢復(fù)到原狀而表現(xiàn)出來的現(xiàn)象。

（2）上圖中當(dāng)線圈電流減小到零時，由勵磁電流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度H也為零，但鐵芯在磁化時所獲得的磁性還沒完全消失，這時鐵芯中所保留的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩磁。為去掉剩磁，要在線圈中通以反向電流，以便產(chǎn)生一個反向的磁場強(qiáng)度H來進(jìn)行反向磁化，使剩磁為零的反向磁場強(qiáng)度叫矯頑力。

（3）在鐵磁性材料被反復(fù)交變磁化的情況下，表示B與H關(guān)系的閉合曲線稱為磁滯回線。

（4）磁滯損耗是鐵磁性材料在反復(fù)磁化過程中，因磁滯現(xiàn)象外磁場要克服磁疇間阻礙使磁矩轉(zhuǎn)向而消耗的能量。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，使設(shè)備升溫，效率降低，它是電氣設(shè)備中鐵損的組成部分。磁滯回線包圍的面積越大，磁滯損耗越大。此外，磁滯損耗還和反復(fù)磁化的頻率有關(guān)，頻率越高，磁滯損耗就越大。

2、鐵磁性材料分類

1）軟磁材料

軟磁材料具有很高的導(dǎo)磁系數(shù)，剩磁和矯頑力都很小，磁滯回線窄，磁滯損耗小。一般用來制作電機(jī)、變壓器及電器鐵芯。常用的有硅鋼、鑄鐵、坡莫合金和鐵氧體等。

2）硬磁材料

具有較大的剩磁和矯頑力，磁滯回線較寬，一般用來制作永久磁鐵。常用材料有碳鋼、鈷鋼、鎢鋼等。

3）矩磁材料

矩磁材料的磁滯回線呈矩形，其特點是在很小的外磁場作用下，就能磁化并達(dá)到飽和。去掉外磁場后磁性基本飽和。矩磁材料可用來制作記憶元件。

三、電磁感應(yīng)現(xiàn)象

1、電磁感應(yīng)

當(dāng)導(dǎo)體相對磁場運動而切割磁力線或通過線圈的磁通發(fā)生變化時，導(dǎo)體或線圈中就會有感生電動勢產(chǎn)生，如果導(dǎo)體或線圈是閉合回路的一部分，導(dǎo)體或線圈中就將有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)。通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流。

1）產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件

通過閉合電路的磁通量發(fā)生變化。

2）產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的條件

無論回路是否閉合，只要通過線圈平面的磁通量發(fā)生變化，線路中就有感應(yīng)電動勢。

3）電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實質(zhì)是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如果回路閉合，則有感應(yīng)電流，回路不閉合，則只有感應(yīng)電動勢而無感應(yīng)電流。

2、導(dǎo)體切割磁力線時的感生電動勢

1）導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生的感生電動勢或電流方向可用右手定則確定。

2）導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的計算公式為E=BLVsinα。式中

B為均勻磁場的磁感強(qiáng)度，T；

L為導(dǎo)體在磁場中的有效長度，m；

V為導(dǎo)體切割磁力線運動的速度，m/s；

α為導(dǎo)體切割磁力線運動的方向與磁力線的夾角；

E為感生電動勢。

3）導(dǎo)體切割磁力線運動方向與磁力線平行時，α=0°，sinα=0，導(dǎo)體中產(chǎn)生的感生電動勢e=0；

導(dǎo)體切割磁力線運動方向與磁力線垂直時，α=90°，sinα=1，導(dǎo)體中產(chǎn)生的感生電動勢Em=BLV。

3、線圈回路磁通變化時的感生電動勢

通常用楞次定律來判斷感生電動勢的方向，用法拉第電磁感應(yīng)定律來計算感生電動勢的大小。

1）楞次定律

當(dāng)閉合線圈回路中磁通量發(fā)生變化時，回路中就有感生電流產(chǎn)生，感生電流的磁場總是阻礙原磁場的變化。

（1）線圈回路磁通變化產(chǎn)生的感生電動勢或電流的方向，可以用楞次定律來確定。

a、首先判斷原磁通的方向及其變化趨勢：增加還是減少；

b、根據(jù)感生電流的磁場方向和原磁通變化趨勢相反的原則，確定感生電流的磁場方向；

c、根據(jù)感生電流的磁場方向，用右手螺旋定則判斷感生電動勢或感生電流的方向。

d、原磁通量增加時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相反；當(dāng)原磁通量減少時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相同，即增反減同。

（2）楞次定律的另一種表述

感應(yīng)電流表現(xiàn)形式有三種：

a、阻礙原磁通量的變化；

b、阻礙物體間的相對運動；

c、阻礙原電流的變化(自感)。

2）法拉第電磁感應(yīng)定律

線圈回路磁通變化產(chǎn)生電動勢的大小與通過線圈回路的磁通量的變化率成正比。N匝線圈感生電動勢大小表達(dá)式：E=N△Φ/△t，式中

N為線圈匝數(shù)；

△Φ/△t為磁通變化率，Wb/s；

E為感生電動勢，V。

4、自感

1）自感

由于線圈本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生感生電動勢的電磁現(xiàn)象叫做自感現(xiàn)象，簡稱自感。

2）磁鏈

磁鏈?zhǔn)菍?dǎo)電線圈或電流回路所鏈環(huán)的磁通量。磁鏈等于導(dǎo)電線圈匝數(shù)N與穿過該線圈各匝的平均磁通量Φ的乘積，故又稱磁通匝。用Ψ表示，Ψ=NΦ。

3）自感系數(shù)

線圈的磁鏈和電流的比值叫做線圈的自感系數(shù)，又叫電感。電感是表示線圈產(chǎn)生自感磁鏈本領(lǐng)大小的物理量。用L表示，L= Ψ/i。

4）自感電動勢

由自感產(chǎn)生的感生電動勢叫自感電動勢。自感電動勢的大小取決于線圈自感系數(shù)和本身電流變化的快慢，自感電動勢方向總是阻礙電流的變化，即電流增大時，自感電動勢的方向與電流方向相反，電流減小時，自感電動勢的方向與電流方向相同。

5、互感

1）互感

一個線圈中的電流變化在另一個線圈中產(chǎn)生感生電動勢的電磁現(xiàn)象叫做互感現(xiàn)象。

2）互感系數(shù)

互感系數(shù)是互感現(xiàn)象中在一個電路中所感生的磁通除以在另一個電路中產(chǎn)生該磁通的電流，簡稱互感。其大小與線圈的匝數(shù)、尺寸、相對位置及線圈中介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。

3）互感電動勢

由互感產(chǎn)生的電動勢叫互感電動勢?；ジ须妱觿莸姆较蛉钥捎美愦味蓙砼袛?，不僅取決于磁通的增減還與線圈的繞向有關(guān)。

6、渦流

1）渦流現(xiàn)象

在一根導(dǎo)體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，線圈就產(chǎn)生交變磁場。由于線圈中間的導(dǎo)體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合電路，閉合電路中的磁通量在不斷發(fā)生改變，所以在導(dǎo)體的圓周方向會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，電流的方向沿導(dǎo)體的圓周方向轉(zhuǎn)圈，就像一圈圈的漩渦，所以這種在整塊導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象稱為渦流現(xiàn)象。

2）渦流損耗

因渦流而導(dǎo)致能量損耗稱為渦流損耗。渦流損耗的大小與磁場的變化方式、導(dǎo)體的運動、導(dǎo)體的幾何形狀、導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等因素有關(guān)。

3）渦流抑制

大塊的導(dǎo)體在磁場中運動或處在變化的磁場中，都要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，形成渦流，引起較大的渦流損耗。為減少渦流損耗，常將鐵心用許多鐵磁導(dǎo)體薄片例如硅鋼片疊成，這些薄片被分開呈梯形狀，表面涂有薄層絕緣漆或絕緣的氧化物。磁場穿過薄片的狹窄截面時，渦流被限制在沿各片中的一些狹小回路流過，這些回路中的凈電動勢較小，回路的長度較大，再由于這種薄片材料的電阻率大，這樣就可以顯著地減小渦流損耗。所以，交流電機(jī)、變壓器中廣泛采用疊片鐵芯。

四、磁場對通電導(dǎo)體的作用

1、磁場對通電直導(dǎo)體的作用

通電導(dǎo)體周圍存在磁場，將通電導(dǎo)體放入磁場中，根據(jù)磁體間的相互作用，它會受到磁場的磁力作用。

1）通電直導(dǎo)體受到均勻磁場作用力的方向，可用左手定則來判斷。

2）通電直導(dǎo)體在均勻磁場中受力大小的計算公式為F=BILsinα。式中

B為均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

I為導(dǎo)體中的電流強(qiáng)度，A；

L為導(dǎo)體在磁場中的長度，m；

α為導(dǎo)體與磁力線的夾角；

F為導(dǎo)體受到的磁力，N。

3）導(dǎo)體與磁力線平行時，α=0°，sinα=0。F=0，說明導(dǎo)體不受磁場的作用。

導(dǎo)體與磁力線垂直時，α=90°，sinα=1。Fm=BIL，是導(dǎo)體與磁力線垂直時受到的最大磁力。

2、磁場對通電線圈的作用

磁場對通電導(dǎo)體有作用力，因此對通電線圈也有作用力。

1）如下圖所示：

在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場中，放一矩形通電線圈abcd，ab和dc與磁力線平行不受力；ad和bc與磁力線垂直，根據(jù)左手定則可知ad和bc受力方向構(gòu)成一對力偶。線圈在力矩的作用下將繞軸線作順時針方向旋轉(zhuǎn)。

2）線圈的轉(zhuǎn)動力距為M=BIS，式中

B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

I為流過線圈的電流，A；

S為線圈的面積，m2；

M為電磁轉(zhuǎn)矩，N.m。

3）如上圖b，當(dāng)線圈平面與磁力線夾角為α?xí)r，線圈受到的轉(zhuǎn)矩M=BⅠScosα。線圈平面與磁力線平行時，α=0°，cosα=1。線圈受到的轉(zhuǎn)矩最大。

線圈與磁力線垂直時，α=90°，cosα=0。線圈受到的轉(zhuǎn)矩為零。

3、通電導(dǎo)體之間的相互作用

通電導(dǎo)體周圍存在磁場，因此兩根平行直導(dǎo)體通過電流時，它們之間也有電磁力。

1）如下圖所示：

兩根平行導(dǎo)體中電流方向相同時是吸引力，電流方向相反時是排斥力。

2）兩根平行直導(dǎo)體之間的作用力大小計算公式為F=μ?I?I?/2πd*L。式中μ?為真空磁導(dǎo)率；

I?、I?為通過導(dǎo)體的電流，A；

d為導(dǎo)體間的距離，m；

L為平行直導(dǎo)體的長度，m；

F為兩平行直導(dǎo)體間的電磁力，N。

3）當(dāng)電路中發(fā)生短路故障時，導(dǎo)體中通過的短路電流極大，導(dǎo)體間的相互作用力極大，以致造成配電裝置和電氣設(shè)備的絕緣破壞和機(jī)械損傷。由兩根平行直導(dǎo)體間相互作用力的計算公式可知，恰當(dāng)選擇支點距離和母線間隔距離可以防止平行母線間過大的電磁力。

五、磁路與磁路定律

1、磁路

磁力線通過的路徑稱為磁路。

1）為了使較小的激磁電流產(chǎn)生足夠大的磁通，常用磁導(dǎo)率很高的鐵磁材料做成各種形狀的鐵芯，把絕大部分磁通約束在一定的閉合磁路上。

2）由于漏磁，一部分磁力線不通過鐵磁材料，而是經(jīng)過空氣或其他材料閉合，通過鐵芯的磁通叫做主磁通，鐵芯外的磁通叫做漏磁通，一般情況下，漏磁通較小，常忽略不計。

2、磁路定律

1）磁路的歐姆定律

（1）下圖是一個簡單的無分支磁路，設(shè)繞在鐵芯上的線圈匝數(shù)為N，通過的電流為I，鐵芯的平均長度為L，橫截面積處處相同為S。

（2）由Φ=BS=μHS=NI/L*μS可得Φ=F/Rm

式中Φ為磁通，Wb，相當(dāng)于電路電流；

F為磁動勢，A，相當(dāng)于電動勢；

Rm為磁阻，相當(dāng)于電阻。

（3）磁路中的磁通與磁動勢成正比，與磁阻成反比。磁路越長，磁阻越大，磁路橫截面積越大，磁阻越小。磁阻還與磁路媒介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ成反比。

2）磁路的基爾霍夫第一定律

根據(jù)磁通連續(xù)性原理，取封閉回路，如下圖所示：

Φ?+Φ?-Φ?=0，即匯于封閉面處的磁通的代數(shù)和為零，這就是磁路的基爾霍夫第一定律。

3）磁路的基爾霍夫第二定律

（1）上圖為一個環(huán)形螺線管，管內(nèi)的磁場強(qiáng)度H=NI/L，NI=HL說明磁動勢等于磁路的磁場強(qiáng)度和磁路平均長度的乘積。這個關(guān)系式通常叫做安培環(huán)路定律，HL常稱為磁壓降。

（2）下圖磁路分成三段，若第一段是鐵磁物質(zhì)，截面S?，平均長度L?；第二段是同一鐵磁物質(zhì)，截面S?，平均長度L?；第三段是空氣隙，截面S?，平均長度L?。三段磁場強(qiáng)度分別為H?、H?、H?。

對這樣三段閉合磁路，安倍環(huán)路定律應(yīng)寫成NI=H?L?+H?L?+H?L?。即磁路的任意閉合回路中，所有的磁動勢的代數(shù)和等于各段磁壓降的代數(shù)和，這就是磁路的基爾霍夫第二定律。