第三节　电磁基本知识

一、磁场和磁力线

将小磁针移近磁铁但不与其接触，会发现小磁针受到力的作用。这表明在磁铁周围的空间中存在着一种特殊的物质，它能够传递磁力作用，这种物质称作磁场。这一现象与电场能够传递电荷之间的相互作用是类似的。

为了形象地描述磁场，需要引进磁力线这一重要概念。

磁力线从磁铁的北极（N极）出发，进入磁铁的南极（S极），磁力线所到达之处，就是磁场的范围。在磁铁内部，磁力线的方向是从S极指向N极。磁力线具有以下特点

（1）磁力线是一条封闭曲线。在磁铁外部从N极到S极，在磁铁内部从S极到N极。

（2）在磁场中各点，磁场的方向是唯一的，因此磁力线不能相交。

（3）磁力线的疏密表示磁场的强弱。在磁铁两极处磁场最强，而此处的磁力线也最为密集。

二、电流的磁效应

通电导线的周围存在磁场，这种现象称为电流的磁效应。通电导线周围的磁场是由导线中的电流产生的，磁场的强弱取决于电流的大小，磁场的方向可用右手螺旋定则来判断。如图1-18所示，右手四指握导线，当大拇指方向与导线电流方向一致时，其余四指所指的方向，就是导线周围磁场的方向。

同样在判断螺管线圈的磁场方向时，如图1-19所示，用右手握线圈，弯曲的四指指向线圈电流方向，则大拇指指的方向即为线圈的磁场方向。

三、磁通和磁感应强度

通过与磁场方向垂直的某一截面S的磁力线的总数称作通过该截面的磁通，用字母Φ表示，其单位为韦伯（Wb），简称韦。在工程中常用较小的单位麦克斯韦，简称麦（Mx）。韦伯与麦克斯韦的关系是：

当截面积一定时，磁通越大（即通过该截面的磁力线越多），磁力线就越密集，磁场也就越强。因此磁通密度（磁力线的密集程度）可以用来描述磁场的强弱。

通过与磁场方向垂直的单位面积的磁力线的数目叫磁通密度，用字母B表示。即

式（1-33）中S为与磁场垂直的某截面的面积，Φ为通过面积S的磁通。

磁通密度又叫磁感应强度，它是一个描述磁场强弱的物理量。磁场中某处磁感应强度B越大，说明此处磁力线密度越大，磁场也就越强。反之，磁感应强度B越小，表明此处磁场就越弱。

在（1-33）式中，如果磁通Φ的单位用Wb，截面积S的单位用m2，则磁感应强度B的单位为Wb·m-2或特斯拉（T），即：

如果磁通Φ的单位用麦克斯韦（Mx），而截面积S以平方厘米（cm2）为单位，则磁感应强度的单位为高斯（Gs）。特斯拉与高斯之间的换算关系为：

四、磁场对电流的作用

通电导体在磁场中会受到力的作用，这种作用力称为电磁力。电磁力的方向可用左手定则来确定。如图1-20所示，平伸左手，拇指与其余四指在同一平面内相互垂直，手心对磁场北极，四指指向电流方向时，则拇指所指的方向，就是磁场对通电导体作用力（电磁力）的方向。电动机和许多电工仪表就是根据通电导体在磁场中受到磁场力作用这一现象制成的。

电磁力的大小可用数学式表示：

式中　F——导体受力（N）；

B——磁感应强度（T）；

I——电流（A）；

L——通电导体的长度（m）；

α——导体与磁场方向之间的夹角。

五、电磁感应

如图1-21所示，均匀磁场中放置一根导体AB，两端连接一个检流计PA，当导体垂直于磁力线做切割运动时，检流计的指针发生偏转，说明此时闭合回路中有电流存在。

如图1-22所示，在线圈两端接上检流计PA，构成闭合回路，当磁体插入线圈时，检流计指针发生偏转；磁铁在线圈中不动时，检流计指针不偏转；将磁铁迅速由线圈中拔出时，检流计指针又向反方向偏转。

上述现象说明：当导体切割磁力线或线圈中磁通发生变化时，在导体或线圈中都会产生感应电动势。其本质都是由于磁通发生变化而引起的。因此，电磁感应的条件是穿越线圈回路中的磁通必须发生变化。

六、自感

穿过线圈的磁通发生变化，线圈中就会产生感应电动势。当线圈通有电流时，它本身产生的磁通也会穿过线圈，当电流发生变化时，它产生的磁通当然也将发生变化，变化的磁通在线圈中产生感应电动势。这种由于线圈自身的电流的变化而在线圈中产生感应电动势的现象称作自感现象，由自感现象产生的感应电动势称为自感电动势，用eL表示。

当一个线圈通过电流时，由这个电流产生的磁场使线圈每匝所具有的磁通Φ叫自感磁通，而使整个线圈具有的磁通叫自感磁链，用字母ψ表示。的比值叫自感系数，也叫自感。并可推导得

式中　eL——自感电动势；

L——线圈的自感系数，简称电感（H）；

——电流的变化率。

自感系数的大小不仅取决于线圈的结构（匝数、几何形状等），还与线圈中磁介质的导磁系数有关。当线圈中磁介质的导磁系数为常数时自感L才是常数。

自感现象在电工、电子技术中有着广泛的应用。例如日光灯就是运用镇流器中铁芯线圈的自感电动势使灯管启辉，同时也利用它限制灯管的电流。但是自感现象也有对我们不利的一面，在自感很大而且电流变化也很大的电路中，由于线圈两端的自感电动势很大，开断电路时在开关刀口的断开处会产生电弧，这可能烧坏刀口或损坏器件。对于这类现象通常采用在开关或线圈两端并联一个适当的电阻或电容的方法加以避免。

【例1-11】　有一空芯线圈，在0.5s内电流由20A减小到8A，产生的自感电动势为12V，求该线圈的自感系数。

解：对于空心线圈，线圈中的磁介质是空气，导磁率一定，因此线圈的自感为常数。

已知　eL=8V，Δt=0.5s，ΔI=I2-I1=-12A

按照　

七、互感

在图1-23中，两个相互靠近的线圈，第一个线圈中有电流通过时，它产生的磁通有一部分穿过第二个线圈，同样地，第二个线圈中有电流通过时，它产生的磁通也会有一部分穿过第一个线圈。显然，当两个线圈中的电流发生变化时，它们产生的磁通也将发生变化，从而使穿过邻近线圈的磁通发生变化，按照电磁感应定律，这就会在邻近线圈中产生感应电动势，这种电动势叫互感电动势，这种现象称作互感现象。

电力变压器、电压互感器和电流互感器都是根据互感原理制造的。两个线圈虽然没有电的联系，但通过磁场的变化，可以改变电压的高低和电流的大小。互感现象对我们也有其不利之处，例如在电子线路中若线圈的位置安放不当，互感可能导致各个线圈互相干扰，从而影响电路的正常工作。因此常常把产生互感的线圈的距离拉大或把两个线圈垂直放置，有时也采用磁屏蔽的方法来消除互感现象的影响。

八、涡流

处于变化磁场中的块状导体内，会产生感应电动势，从而导致导体内产生旋涡式的电流，这种电流叫涡流，见图1-24（a）。涡流所引起的能量损失，称作涡流损失。

为了减小涡流损耗，电器设备（如变压器）的铁芯不能采用整块材料，而往往用薄硅钢片叠合而成，硅钢片间涂有绝缘漆，这样就把涡流限制在各层硅钢片内，再加上硅钢片本身的电阻率比一般导体要大得多，从而使涡流尽可能地减小，见图1-24（b）。尽管如此，涡流还是存在的。正常工作的电机、变压器都会发热，究其原因一方面绕组中电流的热效应，另一方面就是铁芯中的涡流所致。因此涡流不但浪费了电能，还可能由于产生热量使温度升高而破坏绕组的绝缘。

涡流也有可以利用的一面，例如利用涡流的热效应可以制成感应电炉。感应式仪表（如电能表）也是利用涡流效应制成的。