第一章磁的基本概念

开关电源中磁性元器件学习笔记第一章磁的基本概念。磁的基本概念磁性是某些物质的特殊的物理性能,中国人最早利用这一性质发明了指南针。

磁的基本概念

• 1.1 磁的基本现象
  • 磁性
    • 自然界中有一类物质，如铁、镍和钴，在一定情况下能相互吸引，这种性质称磁性
  • 磁化
    • 使物质具有磁性的过程称之为磁化
  • 磁介质
    • 能够被磁化或能被磁性物质吸引的物质叫做磁性物质
  • 磁极
    • 能保持磁性的磁性物质称为永久磁铁，磁铁两端磁性最强的区域称为磁极
      • 指南方的一端叫做南极S，指北方的一端叫做北极N
  • 磁场
    • 磁极之间同性相斥异性相吸，磁极周围空间传递的作用力，而造成磁力作用的特殊物质称为磁场
    • 磁场对载流导体或运动电荷表现作用力
    • 载流导体在磁场中运动时要做功
  • 磁力线=磁感应线=磁通线
    • 如下图1-1示
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• 1.2 电流与磁场
  • 磁场是电流产生的，而电流总是被磁场包围
  • 右手定则
    • 直导线
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    • 螺管线圈
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• 1.3 磁的单位和电磁基本电路
  • 1.3.1 磁感应强度（B-磁通密度）
    • 磁场的强弱可以通过电磁之间的作用力来定义
    • B=F/I
      • 他表示磁场内某点的磁场的强度和方向的物理量，B是一个矢量；力F，电流I（在导线L内流动）和磁感应强度B三者之间是正交关系
      • 左手定则：四指指向电流方向，拇指指向力的方向
      • B的单位为特斯拉，简称特，代号为T；在电磁单位制中为高斯，简称高，代号为Gs；1T=10^4GS
  • 1.3.2 磁通φ
    • 磁通量：垂直一个截面的磁力线总量称为该截面的磁通量，简称磁通
    • 磁通用面积分求得
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      • 磁通可表示为φ=B*A；磁通是个标量，单位韦伯，代号Wb~1(Wb)=1(T)*1(m^2)
      • 在CGS单位制中为麦克斯韦，简称麦，代号为Mx，1Mx=10^-8Wb/cm^2
    • 高斯定理
      • 磁力线为无头尾的闭合线，因此对于磁场内的任意闭合曲面，进入该曲面的磁力线应当和穿出该曲面的力线数相等，所以穿过闭合曲面磁通总量和为零，称为高斯定理
  • 1.3.3 磁导率(µ)和磁场强度H
    • 磁介质的磁导率(µ)和磁场强度H
      • 电流在不同的介质中产生的磁感应强度是不同的
      • 将不同的磁介质用一个系数µ来考虑，µ称为介质磁导率，表征物质的导磁能力
      • 在介质中，µ越大磁感应强度B越大，真空中磁导率一般用µ0表示
    • 磁场强度(H)
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  • 1.3.4 安培环路定律
    • 电流产生的磁场中，矢量H沿任意闭合曲线的积分等于此闭合曲线所包围的所有电流的代数和
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    • 应用~以环形线圈为例
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      • 平均磁场强度
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          • r-环的平均半径，如果环的内径和外径之比接近于1，认为环内磁场是平均的，l=2Πr为磁路的平均长度
          • H-半径r处的磁场强度，如果内外径相差较大，可以用下式计算平均长度
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          • H与电流大小、匝数和闭合路径有关，而与材料无关
      • 线圈中电流与匝数的乘积IN称为磁动势F
        • F=IN
  • 1.3.5 电磁感应定律
    • 当通过线圈的磁通发生变化时，线圈两端产生感应电动势；磁通变化越快，感应电动势越大
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    • 法拉利定律
      • 感应电动势与磁通变化率之间的关系见下式
      • 一匝线圈
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      • N匝线圈
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      • 磁链(总磁通)
        • ψ=Nφ
    • 楞次定律
      • 电磁感应过程中，感生电流所产生的磁通总是阻止磁通的变化
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    • 电磁感应定律=法拉利定律+楞次定律
  • 1.3.6 电磁能量关系
    • 研究考察N匝环形线圈
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      • 环的外径D与内径d之比接近于1
      • 磁路得平均长度为l=Π(D+d)/2
      • 线圈电流在环的截面A内产生得磁场是均匀的
      • 磁导率为μ
      • 由电磁感应定律=
      • 线圈磁化电流=
      • 电路输入到磁场的能量=
      • 经过时间t，线圈中的磁场达到了B 
      • B=μ/H 
        • 由上式可知，在磁导率为常数的磁场中，单位体积磁场能量是磁场强度与磁感应强度乘积的1/2
    • 示例计算
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• 本章要点
  • 只要有电流，不管是恒定的还是变化的，都会产生磁场；这个电流可能是电路中的电流，也可能是分子电流
  • 磁场用磁力线形象描述。磁力线是无头尾的光滑曲线，其切线方向表示磁场方向。磁铁外部，磁力线由北极只想南极；而在内部由南极指向北极。
  • 磁场和电场以及万有引力场一样，是有能量的。因此建立磁场需要送入能量，使磁场消失需要释放能量，同时送如何释放能量都需要时间。
  • 磁与电之间的关系服从于两个基本定律：1.全电流定律(安培环路定律)-沿闭合回路磁场强度的线积分等于闭合回路包围的电流代数和。2.电磁感应定律(法拉第定律和楞次定律)-一个线圈包围的磁通(或导体在磁场中切割磁通运动)发生变化时，在线圈产生的感应电势，感应电势产生电流，此电流产生的磁场阻止线圈包围的磁通变化。这两个定律是双向的。
  • 磁场计量单位有两种单位制：非有理化单位制-使用单位制，即CGS制和有理化单位制-国际单位制，即SI制。