磁场和磁路：考点解析、难点分析

2023-10-21 理论教育版权反馈

【摘要】：近三年四川省对口升学本章考点内容及考题分析本章重点是理解、掌握磁场的基本物理量和定义式、电流的磁效应、电磁力的大小计算和方向判定、铁磁物质的磁化,难点是电磁力的大小计算和方向判定、磁路欧姆定律。匀强磁场的磁感线:同向、平行、等距。①磁场强度是矢量,方向和磁感应强度的方向一致。

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1.磁极、磁场及磁感应线的概念。(A)

2.电流产生的磁场及安培定则。(C)

3.磁感应强度、磁通、磁导率、磁场强度概念和定义式。(B)

4.磁场对通电导线的作用力的计算与电磁力方向判定(左手定则)。(D)

5.电流表、扬声器、电磁继电器及直流电流表的工作原理。(A)

6.磁化曲线及磁滞回线。(A)

7.磁路、磁动势、磁阻概念。(A)

8.磁路的欧姆定律、全电流定律。(B)

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近三年四川省对口升学本章考点内容及考题分析

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本章重点是理解、掌握磁场的基本物理量和定义式、电流的磁效应、电磁力的大小计算和方向判定、铁磁物质的磁化,难点是电磁力的大小计算和方向判定、磁路欧姆定律。由于本章的概念多且抽象,判断电磁规律的手法多,建议在复习时要理论联系实际,多采用类比和比较的方法。如磁场与电场、磁场力与电场力、磁感应强度与磁场强度等。分析近三年的高考试题,本章内容均有单独出题,大多以单项选择题、填空题、判断题的形式出现,主要考查对基本概念的理解和简单的计算,题目比较简单。偶尔以综合应用题的形式出现,则主要考查电磁学、力学、运动学等综合性知识,题目比较难。

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一、电流的磁效应

1.磁场

(1)磁极间相互作用的磁力是通过磁场传递的。

(2)磁体中磁性最强的部分——磁极,分别用N、S表示。

(3)磁极间的作用:同性排斥,异性吸引。

(4)磁极在它周围的空间产生磁场,磁场对处在它里面的磁极有磁场力的作用。

(5)磁场的来源

①磁体;

②电流(奥斯特,电流的磁效应)。

2.磁场的方向和磁感线

(1)磁场的方向:在磁场中任一点,小磁针静止时,N极所指的方向为该点的磁场方向。

(2)磁感线

①特点

a.假想的。

b.某点的切线方向为该点的磁场方向。

c.磁体外部:N极指向S极;磁体内部:S极指向N极。

d.不相交,不闭合。

e.疏弱密强。

②磁体磁场的磁感线,如图1-5-1所示。

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图1-5-1

3.电流的磁场

(1)直线电流的磁场:电流方向与它的磁感线方向之间的关系用安培定则判定。如图1-5-2所示。右手四指方向为磁感线方向,拇指方向为电流方向。

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图1-5-2 直线电流的磁场

(2)环形电流的磁场:电流方向与它的磁感线方向之间的关系,用右手螺旋法则判定。如图1-5-3所示。右手四指方向为电流方向,拇指方向为磁感线方向。

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图1-5-3 环形电流的磁场

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图1-5-4 通电螺线管的磁场

(3)通电螺线管的磁场:电流方向与它的磁感线方向之间的关系用右手螺旋定则判定。如图1-5-4所示。用右手握住螺线管,拇指方向为螺线管的N极,四指方向为电流方向。

二、磁场的主要物理量

1.磁感应强度B

(1)它是表示磁场强弱的物理量

(条件:导线垂直于磁场方向)

B可用高斯计测量,用磁感线的疏密可形象表示磁感应强度的大小。

(2)单位:F—N(牛顿),I—A(安培),l—m(米),B—T(特斯拉)。

(3)B是矢量,该点的磁场方向——放在该点的小磁针静止时N极的指向,或磁感线上某点的切线方向。

(4)匀强磁场:在磁场的某一区域,若磁感应强度的大小和方向都相同,这个区域叫匀强磁场。匀强磁场的磁感线:同向、平行、等距。如图1-5-5所示。

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图1-5-5

2.磁通Φ

(1)定义式:Φ=BS(条件:①B⊥S;②匀强磁场)。

(2)计算公式:Φ=B·S·sinθ,θ是B与S的夹角。

(3)单位:韦伯(Wb)。

(4)可看作单位面积的磁通,叫磁通密度。

3.磁导率μ

(1)表示媒介质导磁性能的物理量,单位为H/m(亨/米)。

(2)真空中磁导率:μ0=4π×10-7 H/m;相对磁导率:。

(3)μr＜1是反磁性物质;μr＞1是顺磁性物质;μr≫1是铁磁性物质。前面两种为非铁磁性物质,μr≈1,铁磁性物质μ不是常数。

4.磁场强度H

(1)表示磁场的性质,与磁场内介质无关。

(2) pagenumber_ebook=47,pagenumber_book=39 或B=μH=μ0μr H。

(3)①磁场强度是矢量,方向和磁感应强度的方向一致。

②单位:安/米(A/m)。

三、磁场对通电导线的作用力

1.磁场对通电导线的作用力

(1)力的大小计算公式:F=BIl·sinθ

θ是B与I的夹角;

单位:F—牛顿(N);l—米(m);I—安培(A);B—特斯拉(T)。

(2)力的方向——用左手定则判定

①大拇指跟四指垂直共面;②磁感线穿过掌心;③四指方向为电流方向;④拇指方向为安培力方向。

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图1-5-6

2.电流表的工作原理(磁电式)

(1)匀强磁场对通电线圈的作用力。如图1-5-6所示。

(2)磁场使线圈偏转的力矩M1=K1I,弹簧产生的力矩M2=K2θ,两力矩平衡(M1=M2)时,线圈就停在某一偏转角上,指针指到刻度盘的某一刻度,刻度是均匀的。

(3)优点:刻度均匀,准确度高,灵敏度高;缺点:价格贵,对过载很敏感。

四、铁磁性物质的磁化

1.铁磁性物质的磁化

(1)磁化:本来不具磁性的物质,由于受磁场的作用而具有了磁性的现象。非铁磁性物质是不能被磁化的。

(2)磁化内因:在外磁场的作用下,磁畴(磁性小区域)沿磁场方向作取向排列,形成附加磁场,从而使磁场显著增强。去掉外磁场后,有些铁磁性物质中磁畴的一部分或大部分仍保持取向一致,对外仍显磁性,这就成了永久磁铁。

(3)应用:用于电子和电气设备中。

2.磁化曲线

(1)磁化曲线(B—H曲线):铁磁性物质的B随H而变化的曲线。

B=μH

即

μ=B/H

(2)磁化曲线图,如图1-5-7所示。

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图1-5-7

O～1段:起始磁化段。B增加得较慢(由于磁畴惯性)。

1～2段:直线段。B随H增加很快(由于磁畴在外磁场的作用下大部分趋向H的方向)。

2～3段:接近饱和段(膝部段)。B增加变慢(由于随着H的增加只有少数磁畴继续转向)。

3以后:饱和段。B基本不随H变化(已几乎没有磁畴可转向了,为饱和磁感应强度)。

(3)说明

①对于变压器和电机,通常工作于2～3段。

②每一种材料B的饱和值一定,不同铁磁性物质,B的饱和值不同。(www.chuimin.cn)

③B愈大导磁性能愈好。

3.磁滞回线

(1)曲线如图1-5-8所示。

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图1-5-8

(2)剩磁:当H减至零时,B值不等于零,而是保留一定的值,称为剩磁,用Br表示。

矫顽磁力:为克服剩磁所加的磁场强度,用Hc表示。

(3)磁滞现象:B的变化总是落后于H的变化。

(4)磁滞回线:abcdefa为一封闭对称于原点的闭合曲线,称为磁滞回线。

①基本磁化曲线:连接各条对称的磁滞回线的顶点,得到的一条曲线称为基本磁化曲线。

②磁滞损耗:反复交变磁化过程中有能量损耗,称为磁滞损耗。

③剩磁和矫顽力愈大的铁磁性物质,磁滞损耗就愈大。

(5)磁滞回线的形状经常被用来判断铁磁性物质的性质和作为选择材料的依据。

①软磁性物质:易磁化,易退磁,作电机和变压器的铁芯。

②硬磁性物质:不易磁化,不易退磁,作永久磁铁。

③矩磁性物质:易磁化,不易退磁,作计算机存储元件。

五、磁路的基本概念

1.磁路

(1)磁路:磁通经过的闭合路径。

(2)主磁通和漏磁通,如图1-5-9(a)所示。

(3)磁路:无分支和有分支。如图1-5-9(b)所示。

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图1-5-9

2.磁路的欧姆定律

(1)通电线圈产生磁场,磁通随线圈匝数和所通过的电流的增大而增加。把通过线圈的电流和线圈匝数的乘积称为磁动势。单位:安培(A)。

Em=IN

(2)磁阻:磁通通过磁路时所受到的阻碍作用。

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式中,l—磁路长度(m);

S—磁路横截面积(m2);

μ—磁导率(H/m);

Rm—磁阻(1/H)。

(3)磁路的欧姆定律

①内容:通过磁路的磁通与磁动势成正比,与磁阻成反比。

②公式： pagenumber_ebook=50,pagenumber_book=42 。

③磁路与电路对应的物理量及其关系式,见表1-5-1。

表1-5-1

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【例1】在磁路中,以下关于H与B的关系式论述,错误的是( )

A.两者方向相同,大小不相等

B.B代表电流本身产生磁场的强弱,与介质的性质无关;而H不仅与电流大小有关,而且还与介质的性质有关

C.H相当于激励,B相当于响应

D.B与H的方向决定于电流的方向,可以用右手螺旋定则来判断

【答案】 B

【解析】本题考查的知识点磁场强度与磁感应强度的区别。

【例2】如图所示为两根互相平行的通电导线a、b的横切面,a、b的电流方向如图所示。则a导线中电流产生的磁场的磁感线环绕方向及b导线所受的磁场力的方向分别是( )

A.磁感线顺时针方向,磁场力向左 B.磁感线顺时针方向,磁场力向右

C.磁感线逆时针方向,磁场力向右 D.磁感线逆时针方向,磁场力向左

【答案】 C

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【解析】本题主要考查直线电流的磁效应和磁场对通电导体的作用,区别安培定则和左手定则的运用。由安培定则判定电流a产生的磁场方向为逆时针,由左手定则判定电流b在磁场中的受力方向为水平向右。如图所示。

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【例3】如图所示,水平导体棒AB被两根竖直细线悬挂,置于垂直纸面向里的匀强磁场中,已知磁场的磁感应强度B=0.5 T,导体棒长l=1 m,质量m=0.5 kg,重力加速度g=10 m/s2。当导体棒中通以从A到B的电流时。

(1)判断导体棒所受安培力的方向。当电流I=2 A时,求导体棒所受安培力的大小F。

(2)导体棒中通过的电流I′为多大时,细线中拉力刚好为0?

【答案】 (1)安培力方向向上,此时棒AB受到的安培力F的大小为1 N。

(2)导体棒中通过的电流I′为10 A时,细线中拉力刚好为0。

【解析】 (1)通过左手定则可知受到的安培力竖直向上,导体棒长为l=1 m,磁感应强度B=2 T,电流为2 A,并且导体棒和磁场垂直,所以导体棒受到的安培力大小为F=BIl=0.5×2×1=1(N)。

(2)若悬线拉力恰好为0,说明重力和安培力大小相等,即mg=BIl

得。

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一、单项选择题

1.下列与磁导率无关的量是( )

A.磁感应强度 B.磁场强度

C.磁通 D.磁阻

2.两根相距不远且互相平行的直流输电线,通以大小相等、方向相反的大电流,则它们受到的相互作用力( )

A.互相吸引 B.互相排斥 C.不吸引也不排斥 D.无法判断

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第3题图

3.如图所示,处在磁场中的载流导线受到磁场力的方向为( )

A.垂直向上

B.垂直向下

C.水平向右

D.水平向左

4.图中表示一条放在磁场里的通电直导线,导线与磁场方向垂直,图中分别标明电流、磁感应强度和安培力这三个物理量的方向。关于三者的方向关系,下列选项中正确的是( )

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5.将通电直导线放入磁场中,导线会受到安培力的作用。关于安培力,下列说法错误的是( )

A.安培力的大小与通电导线的电流大小和导线长度有关

B.安培力的大小与磁感强度有关

C.安培力的方向一定与磁感应强度的方向相同

D.安培力的方向与电流方向垂直

二、判断题(正确的选“A”,错误的选“B”)

1.磁体和电流的周围都存在着磁场。( )

2.通电导体在磁场中受力的方向可用左手定则来判定。( )

3.铁磁物质的磁导率为一常数。( )

4.软磁性材料常被做成电机、变压器、电磁铁的铁芯。( )

5.铁、钴、镍及其合金的相对磁导率是略大于1。( )

三、填空题

1.描述磁场的四个主要物理量是_____________、_____________、_____________和_____________;它们的符号分别是_________、________、________和_________;它们的国际单位分别是________、_________、_________和________。

2.磁感线的某一区域里,如果磁感线是一些方向相同分布均匀的平行直线,这一区域称为________。

3.把一根通有4 A电流、长为30 cm的导线放在均匀磁场中,当导线和磁感应线垂直时,测得所受磁场力是0.06 N,则磁场的磁感应强度为________T。

4.有一匀强磁场,磁感应强度B=3×10-2 T,介质为空气,则该磁场的磁场强度H=________A/m。

5.磁路的磁阻的计算公式是_____________,磁动势的计算公式是_____________,磁路的欧姆定律表达式为_____________。

四、分析计算题

如图所示,匀强磁场方向垂直于纸面向里,长l=0.2 m的直导线放在纸面内,当导线中通有I1=1 A,方向如图所示的电流时,导线受到的安培力大小F1=4×10-2 N。

(1)请在图中画出安培力的方向;

(2)求磁场的磁感应强度大小;

(3)若将电流大小变为I2=1.5 A时,求此导线受到的安培力大小。

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