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，磁力線越疏磁場越弱。

5、均強磁場

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

6、電流磁效應

電流磁效應是指任何通有電流的導線，都可以在其周圍產生磁場的現象。

1）直線電流產生的磁場

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）環形電流產生的磁場

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、磁感應強度

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

1）磁場中某點磁感應強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）磁感應強度大小用公式表示為B=F/IL，式中

B為均勻磁場的磁感應強度，T；

F為通電導體受到的電磁力，N；

I為導體中的電流強度，A；

L為導體在磁場中的有效長度，即與磁力線垂直的長度，m。

工程上磁感應強度的單位是高斯，用字母GS表示。

8、磁通

垂直通過某一面積S的磁力線數叫做磁通。Φ=BS，式中

B為磁感應強度，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、磁導率

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

10、真空磁導率

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

11、相對磁導率

是指特殊介質的磁導率和真空磁導率μ?的比值。相對磁導率常用符號μr表示。

根據相對磁導率的大小，可以把物質分為三類。

1）反磁物質

相對磁導率略小于1，如銅和炭等物質，僅受到磁場非常微弱的排斥。

2）順磁物質

相對磁導率略大于1，如錫和鋁等。

3）鐵磁物質

相對磁導率遠大于1，甚至大到幾千、幾萬倍。

12、磁場強度

磁場中某點磁感應強度B與介質磁導率μ的比值叫作該點的磁場強度。磁場強度取決于勵磁電流、導體的形狀和布置情況，而與磁介質的性質無關。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）高導磁性

（1）所謂鐵磁性材料具有高導磁性，是指在外磁場作用下能夠被強烈磁化而呈現很大磁性。鐵磁性物質能夠被強烈磁化，是由其特殊的微觀結構決定的。

（2）磁疇是指磁性材料內部的一個個小區域，每個區域內部包含大量原子，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，這樣就產生一個很強的與外磁場同方向的磁化磁場，使鐵磁物質內的磁感應強度大大增加，從而使鐵磁物質對外呈現很強的磁性。或者說鐵磁物質被外磁場強烈磁化了。

2）磁飽和性

（1）磁飽和是磁性材料的一種物理特性，指的是導磁材料由于物理結構的限制，所通過的磁通量無法無限增大，從而保持在一定數量的狀態。出現磁飽和的原因是當外磁場磁場強度H增大到一定數值時，鐵磁物質內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。圖中環形鐵圈內放的是待研究的鐵磁性材料。利用雙刀雙擲開關可改變線圈中電流方向，利用調節電阻器來改變線圈中的電流大小，從而改變磁場強度H，線圈內部的磁感應強度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。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）鐵磁性材料在反復磁化的過程中，它的磁感應強度總是滯后于它的磁場強度的變化，這種現象叫做磁滯。磁滯是由于摻雜和內應力等的作用，當撤掉外磁場時，磁疇的疇壁很難恢復到原狀而表現出來的現象。

（2）上圖中當線圈電流減小到零時，由勵磁電流產生的磁場強度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強度稱為剩磁。為去掉剩磁，要在線圈中通以反向電流，以便產生一個反向的磁場強度H來進行反向磁化，使剩磁為零的反向磁場強度叫矯頑力。

（3）在鐵磁性材料被反復交變磁化的情況下，表示B與H關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磁化過程中，因磁滯現象外磁場要克服磁疇間阻礙使磁矩轉向而消耗的能量。這部分能量轉化為熱能，使設備升溫，效率降低，它是電氣設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，磁滯損耗還和反復磁化的頻率有關，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磁系數，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、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、電磁感應現象

1、電磁感應

當導體相對磁場運動而切割磁力線或通過線圈的磁通發生變化時，導體或線圈中就會有感生電動勢產生，如果導體或線圈是閉合回路的一部分，導體或線圈中就將有電流產生，這種現象叫做電磁感應。通過電磁感應產生的電流叫做感應電流。

1）產生感應電流的條件

通過閉合電路的磁通量發生變化。

2）產生感應電動勢的條件

無論回路是否閉合，只要通過線圈平面的磁通量發生變化，線路中就有感應電動勢。

3）電磁感應現象的實質是產生感應電動勢，如果回路閉合，則有感應電流，回路不閉合，則只有感應電動勢而無感應電流。

2、導體切割磁力線時的感生電動勢

1）導體切割磁力線產生的感生電動勢或電流方向可用右手定則確定。

2）導體切割磁力線產生感應電動勢的計算公式為E=BLVsinα。式中

B為均勻磁場的磁感強度，T；

L為導體在磁場中的有效長度，m；

V為導體切割磁力線運動的速度，m/s；

α為導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）導體切割磁力線運動方向與磁力線平行時，α=0°，sinα=0，導體中產生的感生電動勢e=0；

導體切割磁力線運動方向與磁力線垂直時，α=90°，sinα=1，導體中產生的感生電動勢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，用法拉第電磁感應定律來計算感生電動勢的大小。

1）楞次定律

當閉合線圈回路中磁通量發生變化時，回路中就有感生電流產生，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，感應電流的磁場方向與原磁場方向相反；當原磁通量減少時，感應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

感應電流表現形式有三種：

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）法拉第電磁感應定律

線圈回路磁通變化產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式：E=N△Φ/△t，式中

N為線圈匝數；

△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生變化而產生感生電動勢的電磁現象叫做自感現象，簡稱自感。

2）磁鏈

磁鏈是導電線圈或電流回路所鏈環的磁通量。磁鏈等于導電線圈匝數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

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

4）自感電動勢

由自感產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生感生電動勢的電磁現象叫做互感現象。

2）互感系數

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

3）互感電動勢

由互感產生的電動勢叫互感電動勢。互感電動勢的方向仍可用楞次定律來判斷，不僅取決于磁通的增減還與線圈的繞向有關。

6、渦流

1）渦流現象

在一根導體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，線圈就產生交變磁場。由于線圈中間的導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生改變，所以在導體的圓周方向會產生感應電動勢和感應電流，電流的方向沿導體的圓周方向轉圈，就像一圈圈的漩渦，所以這種在整塊導體內部發生電磁感應而產生感應電流的現象稱為渦流現象。

2）渦流損耗

因渦流而導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、導體的運動、導體的幾何形狀、導體的磁導率和電導率等因素有關。

3）渦流抑制

大塊的導體在磁場中運動或處在變化的磁場中，都要產生感應電動勢，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、變壓器中廣泛采用疊片鐵芯。

四、磁場對通電導體的作用

1、磁場對通電直導體的作用

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

1）通電直導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強度，T；

I為導體中的電流強度，A；

L為導體在磁場中的長度，m；

α為導體與磁力線的夾角；

F為導體受到的磁力，N。

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

導體與磁力線垂直時，α=90°，sinα=1。Fm=BIL，是導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：

在磁感應強度為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，根據左手定則可知ad和bc受力方向構成一對力偶。線圈在力矩的作用下將繞軸線作順時針方向旋轉。

2）線圈的轉動力距為M=BIS，式中

B為磁感應強度，T；

I為流過線圈的電流，A；

S為線圈的面積，m2；

M為電磁轉矩，N.m。

3）如上圖b，當線圈平面與磁力線夾角為α時，線圈受到的轉矩M=BⅠScosα。線圈平面與磁力線平行時，α=0°，cosα=1。線圈受到的轉矩最大。

線圈與磁力線垂直時，α=90°，cosα=0。線圈受到的轉矩為零。

3、通電導體之間的相互作用

通電導體周圍存在磁場，因此兩根平行直導體通過電流時，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?為真空磁導率；

I?、I?為通過導體的電流，A；

d為導體間的距離，m；

L為平行直導體的長度，m；

F為兩平行直導體間的電磁力，N。

3）當電路中發生短路故障時，導體中通過的短路電流極大，導體間的相互作用力極大，以致造成配電裝置和電氣設備的絕緣破壞和機械損傷。由兩根平行直導體間相互作用力的計算公式可知，恰當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生足夠大的磁通，常用磁導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，設繞在鐵芯上的線圈匝數為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，相當于電路電流；

F為磁動勢，A，相當于電動勢；

Rm為磁阻，相當于電阻。

（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的磁導率μ成反比。

2）磁路的基爾霍夫第一定律

根據磁通連續性原理，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）上圖為一個環形螺線管，管內的磁場強度H=NI/L，NI=HL說明磁動勢等于磁路的磁場強度和磁路平均長度的乘積。這個關系式通常叫做安培環路定律，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，截面S?，平均長度L?；第二段是同一鐵磁物質，截面S?，平均長度L?；第三段是空氣隙，截面S?，平均長度L?。三段磁場強度分別為H?、H?、H?。

對這樣三段閉合磁路，安倍環路定律應寫成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和等于各段磁壓降的代數和，這就是磁路的基爾霍夫第二定律。