我們都知道自然界中能夠吸引鐵、鈷、鎳等物質的物體被稱為磁鐵。磁鐵具有南(S)極和北(N)極,磁鐵端部磁性最強,中央部分磁體較弱。且相同極性相互排斥,異極性相互吸引等性質,這些想像大家小時候玩磁鐵的時候已經有所了解,而下面就講講磁鐵磁場的特徵及電流磁場的方向等。
磁場特徵
我們這裡先以大家熟悉的磁鐵來了解一下磁場的特徵。在磁鐵周圍的空間中存在一種特殊的物質,它能表現一種力的作用,這一特殊物質就是磁場。磁場的大小強弱和方向可以用假象的磁力線來描繪,如右圖所示。就如圖中所描述的那樣,磁場磁力線有以下特徵:
1、磁力線是有方向的,在磁鐵外部磁力線的方向是有N(北)極出發再回到S(南)極,而在磁鐵內部,方向是S極指向N極。
2、磁力線的疏密表示了磁場的強弱,某點磁場的方向為改點切線方向。
3、磁力線總是閉合的。
4、磁力線互不相交,而且有相互排斥的特點。
但是,我們都知道磁鐵並不是磁場的唯一來源,當電流通過導線的時候,也會在導線的周圍產生磁場。
磁場方向(右手定則)
對於電流所長生的磁場,實驗和理論均已證明,磁場的強弱與電流的大小有關;電流越大,產生的磁場越強,磁場的方向則取決於電流的方向,一般用右手定則(也稱安倍定則、右手螺旋定則、安培右手定則)辨別通電導線的電流方向及其長生的磁場方向。下面就詳細介紹用右手定則辨別幾種常見通電導線磁場方向的方法。
如圖(a)所示為通電直導線,利用安培右手定則來判別其磁場方向的方式是:
先將右手握住指導線,使大拇指方向與導線中電流方向一致,則趨於四個手指的指向就表示磁場方向。
如果用磁力線表示導線電流的磁場,根據右手法則,通電直導線的磁力線就是以導線為中心的一組同心圓,如圖(b)所示。
對於通電的螺旋管,則與通電直導線情況相反,此時萬物的四個手指指向表示電流方向,而拇指指向就表示螺旋管內部的磁場方向(如下圖所示):
為了討論問題方便,常常上右圖所示的符號(圓中間一個×)表示導體中電流的方向是垂直紙面向裡,用⊙表示電流方向是垂直紙面向外(我們可以把他比作一直弓箭,弓箭尾部是羽毛×,弓箭頭看起來是一個點,所以看到點就是垂直紙面向外,看到尾部的×就說明方向是向裡了)
在前一節課中我們學習了電流的磁場及磁場方向與安培右手定則,了解了磁場和電場都是一種特殊的物質,是一種人的感覺器官無法看見,也無法觸摸到的。而為了描述磁場的性質,這裡給大家介紹幾個描述磁場性質基本物理量之一的:磁場強度(磁感應強度)。
磁感應強度(磁場強度)
定義:反應磁場強弱的物理量稱為磁感應強度(磁通密度),用大寫字母B表示,其定義為:在磁場中,垂直於磁場方向的通電導體受到的磁場作用與電流強度和導體長度乘積的比值,叫做通電直導線所在處的磁感應強度的大小。其數學表達式為:
上面的磁感應強度公式中:
F:表示載流導線所受的電磁力,單位:牛頓(N);
I:表示導線中通過的電流,單位:安倍(A);
L:表示與磁場方向垂直的導線長度,單位:米(m);
B:表示導線所在位置的磁感應強度,單位:特斯拉,簡稱特,以大寫字母「T」表示,或者韋伯/米2(Wb/m2)。
數量解釋:1特斯拉在數值上等於長度為1米並與磁場相垂直的導線,通過1安倍電流時,它所受的電磁力為1牛頓(N)時的磁場感應強度。磁感應強度B是個矢量,其方向就是磁針在磁場中某點靜止時N極別所指的方向。
若在磁場中的各點處,載流導線所受到的電場力F的大小相等,方向相同,這就表明磁場中各點的磁感應強度都相同。這樣的磁場稱為均勻磁場,對均勻磁場可用疏密均勻、方向相同的磁力線表示。
高斯與特斯拉單位換算
在工程計算中,磁感應強度的單位常用高斯(CGS制中磁感應強度或磁通量的單位),簡稱「高」,常用符號G或Gs表示。他與國際單位制中的特斯拉(T)的換算關係為:
1 G = 10-4 T=0.1 mT
1 T = 10000 G
一般永久磁鐵周圍的磁場,其B約為0.2~0.7特,變壓器鐵芯中的B磁場強度B的最大值可達0.9~1.8特。
磁通量定義、公式、單位
定義:在均勻磁場中,磁感應強度B和垂直於磁場方向的某一面積S的乘積,稱為通過這個面積的磁通量,用符號「Φ」表示。
因此可得知磁通量計算公式為:
上述公式中所代表的的具體含義分別是:
B:表示磁感應強度,單位(T)S:表示與磁力線方向垂直的面積,單位(m2)Φ:表示穿過S面積的磁通,單位(Wb)磁通量單位:
磁通量標示符Φ的國際單位制單位是韋伯,常以符號Wb表示。在電力工程計算中,也常採用麥克斯韋作單位,簡稱「麥」,韋伯和麥克斯韋之間的換算關係為:
1 麥克斯韋(Mx)= 1 高斯(Gs)×釐米2 = 10-8韋伯(Wb)
磁通密度
如果把磁感應強度B的大小和磁通量Φ與磁力線抽象的聯繫起來,則可認為磁通Φ在數值上就等於垂直通過該單位截面的磁力線條數。由磁通量計算公式Φ=BS得:
這樣,磁感應強度B的大小就等於通過單位面積上的磁力線條數。因此,磁感應強度大小又稱為磁通密度。由此得出一個結論:磁通密度是磁感應強度的一個別名,它表示垂直穿過單位面積的磁力線的多少。(注意筆者上面將Φ和B比作磁力線的描述中加粗的字體含義區別)
由此可知,B和Φ是從不同角度描述磁場性質的物理量。磁感應強度B是描述磁場中某點的磁場大小,而磁通量Φ是表示磁場中某一範圍內的磁場總體情況的物理量。磁感應強度B是矢量(有大小和方向的量叫矢量),而Φ是標量(只有大小而無方向的量叫標量)。在分析電磁現象時,應視具體情況而選用合適的量。