1第二十章第二十章 电与磁电与磁 【学习目标】 1.知道磁感线可用来形象地描述磁场，知道磁感线的方向是怎样规定的。 2.知道通电导体周围存在着磁场；通电螺线管的磁场与条形铁相似；电磁铁的特性和工作原理；了解 电磁继电器和扬声器的结构和工作原理。 3.了解磁场对通电导线的作用。 4. 认识电动机的构造和原理。 5.知道电磁感应现象；知道产生感应电流的条件；知道发电机的原理；能说出发电机为什么能发电； 知道什么是交流电；知道发电机发电过程是能量转化的过程。 【知识网络】【要点梳理】 要点一、磁 1.磁现象： (1)磁性：物体能够吸引铁、钴、镍等物质的性质叫做磁性。 (2)磁体：具有磁性的物体叫做磁体。 (3)磁极：磁体上磁性最强的部分叫做磁极。任何磁体都有两个磁极（北极和南极） ，将磁体水平悬挂 起来，当它静止时，指北的一端叫做北极（N 极） ，指南的一端叫做南极（S 极） 。 (4)磁极间的相互作用：同名磁极之间相互排斥，异名磁极之间相互吸引。2(5)磁化：使原来没有磁性的物体获得磁性的过程叫做磁化。一根没有磁性的大头针，在接近条形磁体 下端的 N 极时，大头针上端就出现了 S 极，下端出现了 N 极，也就是说大头针具有了磁性。2.磁场： (1)磁场的存在：在磁体的周围和通电导体的周围存在着磁场，这可以利用小磁针来检验。小磁针在一 般情况下是指南、北的，若小磁针指向忽然发生变化，则小磁针的周围必定有其它的磁场存在。 (2)磁场的方向:磁场具有方向性，当小磁针放在磁场各点不同处，小磁针 N 极的指向不同，这说明磁 场各点方向是不同的，我们规定：在磁场中的某一点，小磁针静止时北极所指的方向就是这一点的磁 场方向。 (3)磁场的性质:磁场的基本性质是它对放入其中的磁体产生磁力的作用，磁体间的相互作用就是通过 磁场而产生的。放在磁场中的小磁针能发生偏转，就是因为磁针受到了磁场的作用。磁场虽然看不见、 摸不着，但我们可以根据它对放在其中的磁体所产生的作用来感知它、认识它。 (4)磁感线:磁感线是形象地研究磁场的一种方法。在磁场中画一些有方向的曲线，任何一点的曲线方 向都是跟放在该点的小磁针北极所指的方向一致的，这样的曲线叫磁感线，磁体周围的磁感线都是从 磁体的 N 极出来回到磁体的 S 极。利用这些曲线可以形象地表示磁场中各点的磁场方向和磁场的强弱。(5)地磁场：地球本身就是一个巨大的磁体，地球周围空间存在的磁场叫做地磁场。地磁场的 N 极在地 理南极附近，S 极在地理北极附近。地磁的两极与地理的两极并不重合。要点二、电生磁 1.电生磁： (1)奥斯特实验： 意义：揭示了电现象和磁现象之间的密切联系。 结论：a.通电导体周围存在磁场；b.电流的磁场方向与电流方向有关 (2)通电螺线管的磁场： 螺线管：用导线绕成的螺旋形线圈叫做螺线管。 安培定则：用右手握住螺线管，让四指指向螺线管中电流的方向，则拇指所指的那端就是螺线管的 N 极。2、电磁铁： （1）电磁铁：内部有铁芯的螺线管叫做电磁铁。电磁铁在电磁起重机、电铃、发电机、电动机、自动 控制上有着广泛的应用。 （2）电磁铁的特点： 电磁铁磁性的有无，完全可以由通断电来控制。 电磁铁磁性的强弱可以由电流的大小、线圈匝数控制。 电磁铁产生的磁场方向是由通电电流的方向决定的。3、电磁继电器： 结构：具有磁性的电磁继电器由控制电路和工作电路两部分组成。控制电路包括低压电源、开关和 电磁铁，其特点是低电压、弱电流的电路；工作电路包括高压电源、用电器和电磁继电器的触点，其 特点是高电压、强电流的电路。 原理：电磁继电器的核心是电磁铁。当电磁铁通电时，把衔铁吸过来，使动触点和静触点接触（或 分离） ，工作电路闭合（或断开） 。当电磁铁断电时失去磁性，衔铁在弹簧的作用下脱离电磁铁，切断 （或接通）工作电路。从而由低压控制电路的通断，间接地控制高压工作电路的通断，实现远距离操3作和自动化控制。电磁继电器的作用相当于一个电磁开关。要点诠释： 1.通电螺线管的磁场方向与电流方向满足安培定则。 安培定则：用右手握住螺线管，让四指指向螺线管中电流的方向，则拇指所指的那端就是螺线管的 N 极。 2.电磁铁是根据电流的磁效应和通电螺线管中插入铁芯后磁场大大增强的原理来工作的。 3.电磁铁的优点是：磁性强弱可控（电流大小、线圈匝数） ，磁性有无可控（通断电） ，磁极方向可控， 因此把它用在一些自动控制电路中。 4.电磁铁的铁芯是用软铁制成的，而不是用钢制成的，这是因为软铁容易磁化，也容易失去磁性，而 钢磁化后不易去磁。要点三、电动机 1. 磁场对通电导线的作用 (1)力的方向和电流方向有关。 (2)力的方向与磁感线方向有关。 2.电动机的基本构造 （1）转子：能够转动的部分。 （2）定子：固定不动的部分。 3. 直流电动机为什么需装换向器？ 当线圈转到如图所示位置时，ab 边和 cd 边受的磁场力恰好在同一条直线上，而且大小相等，方向相反， 线圈在这个位置上受到相互平衡的两个磁场力的作用，所以不能连续转动下去。如何才能使线圈连续 转动下去呢？我们设想线圈由于惯性而通过平衡位置，恰在这时使线圈与电源线的两个接头互换，则 线圈中的电流方向改变，它所受的磁场力的方向变成与原来的方向相反，从而可使线圈沿着原来旋转 方向继续转动。因此，要使线圈连续转动，应该在它由于惯性刚转过平衡位置时，立刻改变线圈中的 电流方向。能够完成这一任务的装置叫做换向器。其实质是两个彼此绝缘铜半环。要点诠释： 通电直导线在磁场中受到力的作用。力的方向与磁场方向、导线电流方向有关。磁场对通电导线和通 电线圈作用而运动过程中，把电能转化为机械能，电动机就是从这一理论设计制造出来的。4(1)磁场对电流的作用中磁场方向、电流方向、导体受力方向三者应互相垂直，同时改变其中两个方向 另一个方向不变，若首先改变其中一个方向而另一个方向不变，则第三者方向一定改变。 (2)当通电直导线的方向与磁感线的方向平行时（如图甲所示） ，磁场对通电直导线（图甲中直导线 ab）没有力的作用。当通电直导线的方向与磁感线的方向不平行（斜交）时，磁场对通电直导线（图 乙中直导线 ab）有力的作用（垂直纸面向内） 。当通电直导线的方向与磁场的方向垂直时，磁场对通电 导线（图丙中直导线 ab）的作用力最大（方向垂直纸面向内） 。在图丙中，保持磁感线 B 的方向不变，而使直导线 ab 内电流方向相反时，ab 受力的方向也相反； 保持直导线内电流方向不变，而使磁感线 B 的方向相反时，ab 受力的方向也相反。 但如果在图丙中，同时使磁感线 B 的方向及 ab 内电流方向都变为相反，则直导线 ab 的受力方向不发 生变化。要点四、磁生电 1.电磁感应：闭合电路的部分导体在磁场中切割磁感线运动就会产生感应电流的现象。 2. 产生感应电流必须同时满足三个条件： （1）电路是闭合的； （2）导体要在磁场中做切割磁感线的运动； （3）切割磁感线运动的导体只能是一部分，三者缺一不可。如果不是闭合电路，即使导体做切割磁感 线运动，导体中也不会有感应电流产生，只是在导体的两端产生感应电压。 3.感应电流的方向：感应电流的方向跟导体切割磁感线运动方向和磁感线方向有关。因此要改变感应 电流的方向，可以从两方面考虑，一是改变导体的运动方向，即与原运动方向相反；二是使磁感线方 向反向。但是若导体运动方向和磁感线方向同时改变，则感应电流的方向不发生改变。 4.发电机 发电机的原理是电磁感应，发电机的基本构造是磁场和在磁场中转动的线圈。其能量转换是把机械能 转化为电能。 要点诠释： 学完三种电磁现象，容易混淆，为了记忆和理解，特列表如下：现象发现者能量转化判定方法电流的磁场奥斯特电能磁能安培定则电磁感应法拉第机械能电能（右手定则）磁场对电流的作用安培电能机械能（左手定则）说明：判定方法中的右手定则和左手定则，在初中物理暂不做要求。 三种电磁现象的重要应用对比如下：应用原理要点电磁铁电流的磁场 通电螺线管内插入铁芯，磁场大大 增强磁性有无可用通断电控制，磁性强弱可用电流大小 及匝数多少控制。交流发电机电磁感应交流电：周期性改变方向的电流。 集流环（两个铜环）和一对电刷的作用直流电动机通电线圈在磁场中受力转动用换向器（两个铜束环）和一对电刷使线圈持续转5动【典型例题】 类型一、基础知识 例 1.电梯为居民出入很大的便利，出于安全考虑，电梯设置有超载自动报警系统，其工作原理如图所 示，R1为保护电阻，R2为压敏电阻，其阻值随压力增大而减小。下列说法正确的是（ ）A电磁铁是根据电磁感应原理制成的 B工作时，电磁铁的上端为 S 极 C超载时，电磁铁的磁性减小 D正常情况下（未超载时） ，K 与 B 接触 【思路点拨】解答本题首先理解题中该装置的作用，看清图中电路通断带来的一些列变化。 【答案】B 【解析】A 中电磁铁是根据电流的磁效应原理制成的，故 A 错误；B 中电磁铁工作时，电流从电磁铁的 下面导线流入，利用安培定则判断出电磁铁的下端为 N 极，上端为 S 极，故 B 正确；C 中超载时，随着 压力的增大，压敏电阻的阻值随着减小，电路中的电流逐渐增大，电磁铁的磁性逐渐增强，故 C 错误； D 中正常情况下（未超载时） ，衔铁被弹簧拉起，K 与静触点 A 接触，故 D 错误。 【总结升华】电磁继电器的工作原理。例 2为了得出条形磁铁的磁性两端强、中间弱的特性，某同学设计了以下四个实验，其中不能达到目 的的是A将甲实验中的条形磁铁平移靠近三颗小铁球 B将乙实验中的两根条形磁铁相互平移靠近 C将丙实验中的条形磁铁从挂有铁块的弹簧秤下向右移动 D将丁实验中放在一堆大头针上的条形磁铁提起 【答案】B 【解析】要想证明条形磁铁的磁性两端强、中间弱，A 是可以的，因为三个球两个在两端，一个在中间； B 不行，因为两根条形磁铁相互平移靠近时，两磁铁吸引并不能说明两端强，中间弱，故 B 不对；C 是 铁块向右移动时，可以通过弹簧伸长的长度确定磁性的大小，是可以的；D 中将一堆大头针上的条形磁 铁提起时，根据大头针被吸起时的多少可以确定磁性的大小，故也是可以的，故 B 不对。 【总结升华】该题是想知道条形磁体磁性分布不均匀，控制变量才有可比性。6例 3. 如图所示，电磁铁 P 和 Q 通电后（ ）AP 的右端是 N 极，Q 的左端是 S 极，它们相互吸引 BP 的右端是 S 极，Q 的左端是 N 极，它们相互吸引 CP 的右端是 N 极，Q 的左端是 N 极，它们相互排斥 DP 的右端是 S 极，Q 的左端是 S 极，它们相互排斥 【答案】B 【解析】由安培定则可得螺线管 P 左侧为 N 极，右侧为 S 极；螺线管 Q 左侧为 N 极，右侧为 S 极，即 两磁铁异名磁极相对，相互吸引。故选 B。 【总结升华】本题考查安培定则及磁极间的相互作用，应熟练掌握此类题型。【变式】如图所示，电路图未画完整，请根据所画出的磁感线，在通电螺线管上方 B 处填人电池组的 符号，并标出通电螺线管 A 端的极性（选填“N”或“S” ） 。【答案】【解析】磁感线在磁体外部是从 N 极发出，回到 S 极知，A 端为 S 极，右端为 N 极，再由右手螺旋定则 知，电源的左端为正极，右端为负极。类型二、知识应用 例 4.在安装直流电动机模型的实验中，为了改变电动机的转动方向，可采取的措施是（ ） A改变磁场的强弱 B改变电流的大小 C只改变电流方向或只改变磁场方向 D同时改变电流方向和磁场方向 【答案】C 【解析】因为电动机线圈转动的方向与磁场方向和电流方向有关，因此要改变电动机的转动方向有两7种方法：可保持磁场方向不变，改变电流方向；可保持电流方向不变，改变磁场方向。因此选项 C 符合题意。 【总结升华】知道电动机转动方向与电流方向、磁场方向有关，注意只能改变其中一个因素，如果两 个因素同时改变时，线圈转动的方向不变。例 5.如图所示，条形磁铁置于水平桌面上，电磁铁的右端