第二節 磁路

一、磁路的形成

1.電場與磁場

（1）電場 電荷會產生一種肉眼不可見的物質——電場，也就是說，帶電粒子（電荷）周圍存在電場，電場對電荷有電場力的作用。

（2）磁場 運動的電荷會產生磁場，也就是說，運動的電荷周圍不僅有電場，還有另一種肉眼不可見的物質存在，這種由運動的電荷產生的物質叫磁場，磁場只對運動的電荷有力的作用。

2.電流的磁效應

電流是由電荷的定向運動形成的，因此，電流的周圍也有磁場。

（1）通電導體的磁場 如果把磁場想象成若干條沿磁場方向的磁力線，通電導體周圍的磁場就是圍繞導體的同心圓（見圖1-8）。磁場方向可用右手螺旋定則判定：拇指指向電流方向，彎曲的四指就是磁場的方向。

（2）線圈的磁場 線圈的磁場是通電導體彎曲成螺旋狀時形成的磁場，當電流沿螺旋狀導體流動時，形成的磁場的分布形式和方向如圖1-9所示。磁場方向的判定方法是：右手四指彎曲指向電流的方向，拇指的指向就是磁場的方向。

3.永久磁鐵的磁場

永久磁鐵即永久性磁鐵，是一種能保持穩定磁性的材料。永久磁鐵有天然磁鐵和人工磁鐵兩種。人工磁鐵可根據需要制成各種形狀（見圖1-10），圖1-11所示為永久磁鐵產生的磁場。

4.磁路

磁路即磁場的通路，磁路是從磁鐵的N極出發，回到磁鐵的S極的一個閉合回路。因此，形成一個磁路應有產生磁場的磁動勢和導磁媒介。圖1-12所示磁路的磁動勢來源分別是通電線圈和永久磁鐵，導磁媒介是鐵心和氣隙。

二、磁場的基本物理量與電磁感應

1.磁場的基本物理量

（1）磁感應強度 磁感應強度B是表示磁場內某點的磁場強弱和方向的物理量，其物理定義是在單位速度下，單位電荷所受到的磁場力，可表示為

式中 q——電荷量；

v——電荷的運動速度；

F_m——電荷受到的力，即洛侖茲力。

B的單位是特斯拉（T），在數值上等于垂直于磁場方向長1m，電流為1A的直導線所受磁場力的大小，因此，B還可寫成

式中 I——導體通過的電流；

L——導體的長度；

F——導體受到的力，即安培力。

磁感應強度也被稱為磁通量密度或磁通密度。

（2）磁通量 磁通量Φ是表示通過某一面積S上的磁力線總數。磁感應強度B可以理解為單位面積上的磁力線總數，對于與一個平面垂直的均勻磁場（見圖1-13）來說，其通過面積S的磁通量Φ為

Φ=BS

2.磁場的力效應

（1）磁場對運動電荷的作用 磁場對運動的電荷有力的作用。這一磁場力被稱為洛侖茲力，其大小為

F_m=qvB

電荷受力的方向可用左手定則判定：張開左手，左手掌心對著磁場的方向，左手四指指向電荷運動的方向，伸直的拇指所指示的方向即電荷受力的方向。也可用右手按圖1-14所示的方法來判斷電荷受力的方向。右手四指從v（電荷運動方向）彎向B（磁場方向），伸直的拇指所指的方向就是電荷受力的方向。

（2）磁場對載流導體的作用 磁場對載流導體的作用力被稱為安培力。導體通電后，導體內部的自由電子就會做定向運動，在磁場中，這些運動的電子受洛侖茲力的作用而向某一側向漂移，與導體晶格的正離子碰撞，進而把力傳給了導體。也就是說，載流導體在磁場中受到的磁場力（安培力），實際上就是洛侖茲力對載流導體中運動電子施力的宏觀體現。

安培力的方向可由左手定則判定（見圖1-15），安培力的大小則為

F=BLI

式中 F——載流導體受到的安培力；

B——磁感應強度；

L——載流導體的長度；

I——載流導體中的電流。

3.電磁感應

當磁場發生變化時，置于磁場中的導體會產生一個電動勢，力圖阻礙磁場的變化，這種現象稱為電磁感應。人們通常把電磁感應產生的電動勢稱為感應電動勢，由感應電動勢所引起的電流稱為感應電流。

感應電動勢產生的方式有如下3種：

（1）導體在磁場中運動 即導體在磁場中沿某一方向運動而產生電動勢，直流發電機發電就是用此種形式。感應電動勢的方向可用右手定則來判斷（見圖1-16）。

（2）磁場在導體中運動 即導體不動而磁場運動，進而產生電動勢，這種感應電動勢產生方式的例子是交流發電機。現代汽車上廣泛采用交流發電機，發電機的轉子是一個磁極，當轉子通過電刷和集電環引入電流后，便會產生一個旋轉的磁場，使定子（電樞）繞組切割磁力線而產生感應電動勢。

（3）穿過線圈的磁通量變化 此種方式下磁場和導體都沒有運動，而是使穿過線圈的磁通量變化，從而使線圈產生感應電動勢。對于線圈（閉合回路），電磁感應定律的表達式為

式中 e——感應電動勢；

N——線圈的匝數；

dΦ/dt——磁通的變化速率。

表達式中的負號表示感應電動勢的方向與原磁場變化方向相反。

三、磁路的基本定律

1.磁場強度H與磁導率μ

磁場強度H是反應磁場實際存在的物理量，而磁感應強度B則是磁場表現出來的量值大小和方向。它們之間的關系為

B=μH

μ為磁導率，是用來表示磁場中媒介磁性的物理量，它反映物質導磁的能力，物質的磁導率高，磁場通過該物質時的能量損失就小。在實際應用中，各種物質的導磁性能大小通常是以與真空的導磁性能相比較的結果來表示的，即用相對磁導率μ_r來表示物質的導磁性能，有

式中 μ₀——真空的磁導率。

鐵磁材料具有高導磁性（μ_r＞＞1），磁場通過鐵磁材料的能量損失很小，因此，可以忽略鐵磁材料對磁路的阻礙。

2.磁動勢

磁動勢產生磁通，通電線圈產生的磁動勢可表示為

F=NI

式中 F——磁動勢；

N——線圈匝數；

I——線圈通過的電流。

3.磁路歐姆定律

磁路歐姆定律可表示為

R_m為磁阻，是表示物質對磁通具有的阻礙作用的物理量。磁阻的大小可表示為

式中 l——磁路的平均長度；

S——磁路的截面積。

在圖1-12所示的磁路中，鐵磁材料的磁阻很小，可以忽略不計，而空氣的磁阻則較大。

為更好地理解磁路及其基本物理量，這里把磁路和電路的有關物理量一一對應地列于表1-1中。