1.2 磁场

1.2.1　磁场与电磁感应

例 1-18 磁场

运动的电荷周围不仅有电场，还有一种看不见的物质存在，这种由运动电荷产生的物质叫磁场，磁场则对运动的电荷有力的作用。磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，磁场不是由原子或分子组成，但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介，所以两磁体不用接触就能发生作用。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。

（1）电流的磁效应

电流是电荷的运动形成的，因此电流的周围就有磁场。

① 通电导体的磁场　导体通电后就会在其周围形成磁场，如果把磁场想象成布满沿磁场方向的磁力线，通电导体周围的磁场就是围绕导体的同心圆，磁场的方向可用右手螺旋定则来判断，伸直的拇指指向电流的方向，弯曲的四指为磁场磁力线的方向。如图1-11（a）所示。

② 通电线圈的磁场　线圈的磁场实际上是通电导体弯曲成螺旋状式的另一种形式，磁场的分布形式和方向也可用右手螺旋定则判定，弯曲的四指为电流方向，伸直的拇指所指的就是磁场方向，磁场的磁力线从N极出，经过周围空气后从S级入，形成闭合回路。如图1-11（b）所示。

（2）磁场的基本物理量

① 磁感应强度　磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量，其物理定义是在单位速度下单位电荷所受到的磁场力。

② 磁通量　如果将磁场看成是由沿磁场方向布置的一条一条的磁力线，磁通量Ф表示的就是通过某一面积的磁力线总数，如图1-12所示。对于均匀分布的磁场，通过与之垂直面积S的磁通量Ф可以用公式Ф＝BS来计算。

根据磁通量计算公式可以将磁感应强度B理解为单位面积上的磁力线的数量。

（3）磁场的力效应

① 磁场对运动电荷的作用　磁场对运动电荷会有力的作用，这种磁场力被称之为洛伦兹力。电荷受力的方向可用左手法则判定。张开左手，左手掌心对着磁场的方向，四指指向电荷运动的方向，伸直的拇指所表示的方向即为正电荷受力的方向。也可用右手螺旋定则来判定电荷的受力方向。伸出右手，四指从电荷运动的方向弯向磁场的方向，伸直的拇指即为正电荷受力的方向，如图1-13所示。由于作用在电荷上的洛伦兹力总是与其运动的方向垂直，因此洛伦兹力只改变电荷的运动方向，不改变其运动的速度。

② 磁场对其载流导体的作用　磁场对载流导体的作用力被称为安培力，安培力实际上是洛伦兹力的宏观表现。当导体通电后，导体内部的自由电子就会做定向运动，在磁场中，这些运动的电子受洛伦兹力的作用而向某一侧漂移，与导体晶格的正离子碰撞而把力传给了导体，这就是载流导体在磁场中受到的磁场力，安培力的方向可由左手定则判定，如图1-14所示。

例 1-19 电磁感应

当磁场发生变化时，置于磁场中的导体会产生一个电动势，力图阻止磁场的变化，这种现象叫电磁感应。通常把由电磁感应产生的电动势叫作感应电动势，由感应电动势所引起的电流称之为感应电流，感应电动势产生的方式有如下几种。

（1）导体在磁场中的运动

导体在磁场中运动而切割磁力线，产生一个电动势，电动势的方向可用右手定则判定，如图1-15所示。在汽车电路中直流发电机就是用此形式发电。直流发电机的定子是磁极，磁极绕组通电后产生磁场，转子（电枢）在磁场中旋转时，其电枢绕组切割磁力线而产生感应电动势e。

（2）磁场在导体中运动

导体不动，由磁场的运动使得导体切割磁力线，而产生感应电动势。在汽车电路中，此种电磁感应形式的例子就是交流发电机，交流发电机的转子是一个磁极，通过电刷和集电环输入直流电后产生一个旋转的磁场，使定子（电枢）绕组切割磁力线而产生感应电动势。

（3）穿过线圈的磁通量变化

磁场本身和磁场中的导体都没有运动，当通过某种方式使得穿过线圈的磁通量发生变化时，线圈便会产生感应电动势。在汽车电路中点火线圈次级绕组产生高压，磁感应式点火线圈信号发生器及磁感应式转速传感器感应信号圈产生脉冲信号，均属于此种电磁感应方式。

1.2.2　磁路及基本定律

例 1-20 磁场强度H与磁导率μ

磁场强度H是反映磁场实际存在的物理量，而磁感应强度B则是磁场表现出来的量值大小和方向，它们之间的关系如下。

B＝μH

式中　μ—磁导率，是用来表示磁场中媒介磁性的物理量。

磁导率反应物质导磁的能力，物质的磁导率高，磁场通过该物质时的磁场能量损失就小。在实际应用中，各种物质的磁导性能大小通常是用与真空的磁导性能相比的结果来表示的，即用相对磁导率来表示物质的磁导性能。

式中　μ0—真空的磁导率。

铁磁材料具有高磁导性，磁场通过铁磁材料的能量损失很小，因此可以忽略铁磁材料对磁通路的阻力作用，即在磁路中铁磁材料的磁阻可以忽略，就好像在电路中可以忽略导线的电阻值一样。

例 1-21 磁动势与磁路的欧姆定律

磁路是磁场通过的路径，磁路由产生磁源的磁动势和导磁媒介所形成。以通电线圈和永久磁铁为磁动势，由铁芯和空气缝隙构成导磁媒质的磁路，如图1-16所示。

① 磁动势　磁动势产生磁通，通电线圈产生的磁动势可由下式表示。

F＝NI

式中 F —磁动势；

N —线圈匝数；

I —线圈通过的电流。

② 磁路的欧姆定律　磁路的欧姆定律可由下式表示。

式中　Rm—磁阻，是表示物质对磁通具有的阻碍作用的物理量。

磁阻的大小与磁路的长度、磁路的截面积和磁路的磁导率有关，可由下式表示。

式中 l —磁路的平均长度；

S —磁路的截面积。

在图1-16所示的磁路中，用铁磁材料做成的铁芯的磁阻很小，可以忽略不计，而空气的磁阻则较大。一般情况下，磁路的磁阻主要来自空气。

为更好地理解磁路及其基本物理量，把磁路与电路的有关物理量一一对应列入表1-1中。