2.2 磁场（课件）-《电工电子技术与技能》同步精品课堂（高教版）

《电子电工技术与技能》（高教版） 高等教育出版社 同步精品课程——中职专业课 第2章 电容与电感 2.2 磁场 知识目标 1.理解磁场的产生：学生能够解释磁场是由电荷运动或电流产生的原理，理解安培环路定理和比奥-萨伐尔定律的基本概念。 2.掌握磁场的基本性质：学生能够描述磁场大小与电流强度、观察点距离的关系，能够应用比奥-萨伐尔定律计算磁场的强度。 能力目标 1.实验操作能力：学生能够安全正确地设置和操作与磁场实验相关的基本设备，包括电流源、导线、磁场测量仪器等。 2.数据记录与分析：学生能够准确记录实验中得到的数据，如电流强度、磁场强度和观察点的距离，并能够分析这些数据以得出结论。 情感目标 1.探索精神：激发学生对磁场的好奇心和探索精神，鼓励他们通过实验和观察来发现物理现象背后的规律。 2.实验乐趣：培养学生对物理实验的兴趣和乐趣，通过亲身操作和观察，感受磁场对物体和导体的影响，从而增强对学科的兴趣。 三维目标 导入情景 01 “在物理实验室里，今天我们将探索磁场的奥秘。假设你是一个物理实验员，你面前摆放着一台装置，里面有一根通电的导线和一些测量仪器。你的任务是研究这根导线周围产生的磁场。你知道磁场是由电荷运动或电流产生的，而通过实验可以测量出磁场的强度和方向。你将通过实验观察磁场如何影响周围的物体和其他导体，并记录下你的发现！” 新知学习 02 一、磁场与磁感线 如图1.2.8所示，当用一条形磁铁靠近悬挂的条形磁铁时，你能得出什么结论? 由实验可知:当两个磁铁的N极靠近N极(或S极靠近S极)，两磁铁相互排斥;当一个磁铁的N极靠近另一条形磁铁S极，两磁铁相互吸引。这说明磁极之间存在相互作用力，同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。 新知学习 02 一、磁场与磁感线 (1)磁感线是互不相交的闭合曲线，在磁铁外部，磁感线从N极到S极;在磁铁内部，磁感线从S极到N极。 (2)磁感线的疏密反映磁场的强弱。磁感线越密表示磁场越强,磁感线越疏表示磁场越弱。 (3)磁感线上任意一点的切线方向，就是该点的磁场方向。 新知学习 02 磁铁并不是磁场的唯一来源。1820年，丹麦物理学家奥斯特实验发现:静止在导线旁边的小磁针，当导线通过电流时，磁针会发生偏转，这说明通电导体周围存在磁场。电流能产生磁场的现象称为电流的磁效应。电流产生的磁场方向可用安培定则判断。 (1)直线电流的磁场:直线电流磁场的磁感线是以导线为圆心的同心圆，这些同心圆都在与导线垂直的平面上，如图1.2.10(a)所示。用右手握住通电直导体，让伸直的大拇指指向电流方向，则弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向，如图1.2.10(b)所示。 二、电流的磁场 新知学习 02 (2)通电螺线管的磁场:通电螺线管表现出来的磁性很像一根条形磁铁，一端相当于N极，另一端相当于S极。用右手握住通电螺线管，让弯曲的四指指向电流方向，则大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向，即大拇指指向通电螺线管的N极，如图1.2.11所示。 二、电流的磁场 新知学习 02 电磁继电器是电子机械开关，它是用漆包铜线在一个圆铁心上绕几百圈至几千圈而制成的，其原理示意图如图1.2.12所示。当线圈中流过电流时，产生磁场，把铁心上边的带有接触片的衔铁吸住，接通电源电路。当线圈断电时，铁心失去磁性，由于接触片的弹性作用，使铁板离开铁心，断开电源电路。继电器通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。 三、电磁继电器 新知学习 02 用磁感线描述磁场，虽然形象直观，但只能做定性分析。磁场可以用磁通、磁感应强度等物理量定量进行描述。 (1)磁通:磁通是指通过与磁场方向垂直的某一面积的磁感线条数，它是描述磁场在某一范围内分布情况的物理量，磁通的国际单位是Wb(韦[伯])。磁通是一个标量，只有大小没有方向。 (2)磁感应强度:衡量磁场中各点的方向和强弱程度的物理量称为磁感应强度，用字母B表示。在国际单位制中，磁感应强度的单位是T(特[斯拉])。磁场中某点的磁感应强度的方向就是磁场中该点所在磁场的方向。磁场中各点磁感应强度的大小和方向都相同的磁场称为匀强磁场。设匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面(面积为S)，磁感应强度为B。 四、磁场的主要物理量 新知学习 02 磁通经过的闭合路径称为磁路。如图1.2.13所示，线圈中通以电流后，大部分磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路，这部分磁通称为主磁通。还有一小部分磁通，它们没有经过工作气隙和衔铁，而经空气自成回路，这部分磁通称为漏磁通，可忽略不计。 五、磁路及交流铁心线圈 新知学习 02 空心电感线圈是一个线性元件，其磁通与产生它的电流(励磁电流)成正比。而铁心线圈是个非线性元件，磁通与励磁电流的关系为一条曲线，通常称为磁化曲线，如图1.2.14所示。由曲线可以看出，当励磁电流和主磁通较小时，两者基本上成正比;而铁心中的磁通量达到一定数值后，当励磁电流增大时，磁通量增加很少。这种现象称为磁饱和。 六、磁饱和性 新知学习 02 当铁心线圈通入交流电时，铁心会随交流电的变化而被反复磁化。磁化过程中，磁通的变化滞后于线圈电流的变化，这种现象称为磁滞。反复磁化形成的封闭曲线称为磁滞回线，如图1.2.15所示。铁心线圈通入交流电时，铁磁材料被反复磁化要消耗一定的能量，称为磁滞损耗。磁滞损耗是引起铁心发热的原因之一。 磁滞损耗小的铁磁材料称为软磁材料，这类材料的特点是在反复磁化过程中形成的磁滞回线狭长，面积小，容易磁化和退磁适用于变压器、电动机等设备的铁心。相反，磁滞损耗较大的铁磁材料，称为硬磁材料，这类材料磁滞回线宽，面积大，充磁能够保持较强的剩磁，适用于制作永久磁铁等。 七、磁滞和磁性材料 新知学习 02 安培力的方向可用左手定则来判断。如图1.2.17所示，伸出左手，让大拇指与四指在同一平面上，大拇指垂直其余四指，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电流方向，则大拇指所指方向就是通电导体的受力方向。 八、安培力的方向 小试牛刀 题目 1： 一个电子和一个质子在同一匀强磁场中，以相同的速度v和相同的入射角度进入。它们的轨迹曲率与下列哪个说法最为相似？ A) 电子的轨迹曲率小于质子的轨迹曲率 B) 电子的轨迹曲率大于质子的轨迹曲率 C) 电子和质子的轨迹曲率相等 D) 电子和质子不会受到磁场的影响 答案与解析： A) 电子的轨迹曲率小于质子的轨迹曲率。 电子质量较小，因此在相同速度和磁场条件下，它的轨迹曲率比质子大。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 2： 一个长度为l的导线以速度v垂直于磁场B运动。当导线在磁场中移动时，它产生的感应电动势的大小与以下哪个因素成正比？ A) 导线的长度l B) 磁场强度B C) 导线的速度v D) 磁场的方向 答案与解析： C) 导线的速度v。 感应电动势的大小与导线运动时的速度成正比，同时也与磁场强度和导线长度有关。 尝试解答下面习题 单相变压器的基本结构包括以下哪些部分？ A. 铁芯、初级绕组、次级绕组、绝缘材料 B. 铁芯、次级绕组、初级绕组、绝缘材料 C. 铁芯、绝缘材料、初级绕组、次级绕组 D. 初级绕组、次级绕组、铁芯、绝缘材料 解析：正确答案是A。单相变压器的基本结构包括铁芯、初级绕组、次级绕组和绝缘材料等组成部分，它们共同实现电能的变压和传输。 小试牛刀 题目 3： 在一个匀强磁场中，一个带有电流的导线段以速度v垂直于磁场方向移动。如果导线的长度变为原来的两倍，感应电动势的大小将会： A) 变为原来的四倍 B) 变为原来的两倍 C) 减少到原来的一半 D) 保持不变 答案与解析： B) 变为原来的两倍。 感应电动势的大小与导线长度成正比，因此长度变为原来的两倍时，感应电动势也会变为原来的两倍。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 4： 一个质子和一个氘核（氘核是氘的原子核，质子和中子的组合）在相同匀强磁场中以相同速度和相同入射角度进入。根据它们的质量差异，它们在磁场中的轨迹曲率相比较下列哪个说法正确？ A) 质子和氘核的轨迹曲率相同 B) 氘核的轨迹曲率比质子的轨迹曲率大 C) 质子的轨迹曲率比氘核的轨迹曲率大 D) 质子和氘核不会受到磁场的影响 答案与解析： B) 氘核的轨迹曲率比质子的轨迹曲率大。 氘核的质量比质子大，因此在相同速度和磁场条件下，氘核的轨迹曲率更大。 尝试解答下面习题 题目 5： 在匀强磁场中，一个带电粒子以速度v和磁场方向成60°的角度进入。它将会： A) 沿圆周运动 B) 沿直线运动 C) 沿椭圆路径运动 D) 没有足够信息确定其运动路径 答案与解析： C) 沿椭圆路径运动。 速度与磁场方向的夹角会影响洛伦兹力的方向，使得带电粒子在磁场中沿椭圆路径运动。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 6： 在一个匀强磁场中，一个带有电流I的导线段与另一个带有电流2I的导线段同时进入。它们在磁场中受到的洛伦兹力的比值是多少？ A) 1:1 B) 1:2 C) 2:1 D) 4:1 答案与解析： C) 2:1。 洛伦兹力的大小与电流强度成正比，因此电流为2I的导线受到的力是电流为I的导线的两倍。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 7： 一个电子和一个质子在同一个匀强磁场中，以相同的速度和垂直于磁场方向的入射角度进入。它们的轨迹曲率与下列哪个说法最为相似？ A) 电子的轨迹曲率小于质子的轨迹曲率 B) 电子的轨迹曲率大于质子的轨迹曲率 C) 电子和质子的轨迹曲率相等 D) 电子和质子不会受到磁场的影响 答案与解析： A) 电子的轨迹曲率小于质子的轨迹曲率。 电子的质量小于质子，因此在相同的速度和磁场条件下，电子的轨迹曲率比质子小。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 8： 在一个匀强磁场中，一个带有电流I的导线与一个带有电流4I的导线同时进入。它们在磁场中受到的洛伦兹力的比值是多少？ A) 1:1 B) 1:4 C) 4:1 D) 16:1 答案与解析： C) 4:1。 洛伦兹力的大小与电流强度成正比，因此电流为4I的导线受到的力是电流为I的导线的四倍。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 9： 简述旋转磁场对感应电动势产生的影响，说明其物理机制并画出其示意图。 答案与解析： 旋转磁场对感应电动势的产生有重要影响，其物理机制可以通过法拉第电磁感应定律来解释。当一个导体或线圈在旋转磁场中运动时，其感应电动势的大小取决于磁通量的变化率。因此，旋转磁场通过改变磁通量，引起导体内感应电流的产生，从而形成感应电动势。这种机制不仅在工程应用中广泛使用（如交流发电机原理），也在基础研究中对理解电磁现象具有重要意义。 小试牛刀 尝试解答下面习题  t 0 2  iu iw iv i 题目 10： 一个磁场旋转频率为50Hz的旋转磁场中，一个带电粒子需要多久能够完成一次完整的旋转？ 答案与解析：带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用，在旋转磁场中完成一次完整的旋转所需的时间是由磁场的旋转频率决定的。在这里，磁场的旋转频率为50Hz，即每秒旋转50圈。因此，带电粒子完成一次完整的旋转所需的时间为1/50秒，即0.02秒或20毫秒。 因此，带电粒子在这个旋转磁场中，需要20毫秒才能完成一次完整的旋转。 小试牛刀 尝试解答下面习题 课堂小结 03 今天我们学习了关于磁场的基本知识和相关定律。磁场的产生：磁场是由电荷运动或电流产生的。根据安培环路定理，电流通过导线时会形成磁场。磁场的性质：磁场的大小与电流强度、观察点距离的平方成反比。这是根据比奥-萨伐尔定律得出的结论。洛伦兹力：在磁场中，电荷受到的力由其电荷量、速度以及磁场的强度决定。这种力的方向遵循右手定则。磁矩和磁力矩：圆形线圈在均匀磁场中会受到一个磁矩力矩的作用，这是导体在磁场中的一种典型行为。电磁感应：当导体在磁场中运动时，根据法拉第电磁感应定律，导体两端会产生感应电动势。 作业布置 04 完成课堂上未完成的练习题目，确保对磁场的掌握。 复习磁场的相关概念和应用，整理笔记，梳理知识框架。 完成作业本上关于磁场的习题，加深对定理的理解。 准备下节课的讨论问题：你认为磁场在实际生活中有哪些应用？请结合具体例子进行讨论。 感谢观看 $$