第二节 磁路
一、磁路的形成
1.电场与磁场
（1）电场 电荷会产生一种肉眼不可见的物质——电场，也就是说，带电粒子（电荷）周围存在电场，电场对电荷有电场力的作用。
（2）磁场 运动的电荷会产生磁场，也就是说，运动的电荷周围不仅有电场，还有另一种肉眼不可见的物质存在，这种由运动的电荷产生的物质叫磁场，磁场只对运动的电荷有力的作用。
2.电流的磁效应
电流是由电荷的定向运动形成的，因此，电流的周围也有磁场。
（1）通电导体的磁场 如果把磁场想象成若干条沿磁场方向的磁力线，通电导体周围的磁场就是围绕导体的同心圆（见图1-8）。磁场方向可用右手螺旋定则判定：拇指指向电流方向，弯曲的四指就是磁场的方向。
（2）线圈的磁场 线圈的磁场是通电导体弯曲成螺旋状时形成的磁场，当电流沿螺旋状导体流动时，形成的磁场的分布形式和方向如图1-9所示。磁场方向的判定方法是：右手四指弯曲指向电流的方向，拇指的指向就是磁场的方向。
图1-8 通电导体的磁场
图1-9 线圈产生的磁场分布形式和方向
3.永久磁铁的磁场
永久磁铁即永久性磁铁，是一种能保持稳定磁性的材料。永久磁铁有天然磁铁和人工磁铁两种。人工磁铁可根据需要制成各种形状（见图1-10），图1-11所示为永久磁铁产生的磁场。
图1-10 不同形状的人工磁铁
图1-11 永久磁铁产生的磁场
4.磁路
磁路即磁场的通路，磁路是从磁铁的N极出发，回到磁铁的S极的一个闭合回路。因此，形成一个磁路应有产生磁场的磁动势和导磁媒介。图1-12所示磁路的磁动势来源分别是通电线圈和永久磁铁，导磁媒介是铁心和气隙。
图1-12 磁路
a）通电线圈的磁路 b）永久磁铁的磁路
1—线圈 2—铁心 3—磁路 4—永久磁铁 δ—气隙 N—线圈匝数
二、磁场的基本物理量与电磁感应
1.磁场的基本物理量
（1）磁感应强度 磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，其物理定义是在单位速度下，单位电荷所受到的磁场力，可表示为
式中 q——电荷量；
v——电荷的运动速度；
Fm——电荷受到的力，即洛仑兹力。
B的单位是特斯拉（T），在数值上等于垂直于磁场方向长1m，电流为1A的直导线所受磁场力的大小，因此，B还可写成
式中 I——导体通过的电流；
L——导体的长度；
F——导体受到的力，即安培力。
磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。
请注意：无论有无运动的电荷或是否放置了通电的导体，磁场中某点的磁感应强度B都是客观存在的。
（2）磁通量 磁通量Φ是表示通过某一面积S上的磁力线总数。磁感应强度B可以理解为单位面积上的磁力线总数，对于与一个平面垂直的均匀磁场（见图1-13）来说，其通过面积S的磁通量Φ为
Φ=BS
2.磁场的力效应
（1）磁场对运动电荷的作用 磁场对运动的电荷有力的作用。这一磁场力被称为洛仑兹力，其大小为
Fm=qvB
电荷受力的方向可用左手定则判定：张开左手，左手掌心对着磁场的方向，左手四指指向电荷运动的方向，伸直的拇指所指示的方向即电荷受力的方向。也可用右手按图1-14所示的方法来判断电荷受力的方向。右手四指从v（电荷运动方向）弯向B（磁场方向），伸直的拇指所指的方向就是电荷受力的方向。
图1-13 磁通量示意图
图1-14 判断洛仑兹力的方向
请注意：洛仑兹力总是与电荷的运动方向垂直，故只改变电荷的运动方向，不改变电荷的运动速度。
（2）磁场对载流导体的作用 磁场对载流导体的作用力被称为安培力。导体通电后，导体内部的自由电子就会做定向运动，在磁场中，这些运动的电子受洛仑兹力的作用而向某一侧向漂移，与导体晶格的正离子碰撞，进而把力传给了导体。也就是说，载流导体在磁场中受到的磁场力（安培力），实际上就是洛仑兹力对载流导体中运动电子施力的宏观体现。
安培力的方向可由左手定则判定（见图1-15），安培力的大小则为
F=BLI
式中 F——载流导体受到的安培力；
B——磁感应强度；
L——载流导体的长度；
I——载流导体中的电流。
3.电磁感应
当磁场发生变化时，置于磁场中的导体会产生一个电动势，力图阻碍磁场的变化，这种现象称为电磁感应。人们通常把电磁感应产生的电动势称为感应电动势，由感应电动势所引起的电流称为感应电流。
感应电动势产生的方式有如下3种：
（1）导体在磁场中运动 即导体在磁场中沿某一方向运动而产生电动势，直流发电机发电就是用此种形式。感应电动势的方向可用右手定则来判断（见图1-16）。
图1-15 载流导体受磁场力方向
图1-16 判断感应电动势的方向
专业小知识
汽车上最早使用的是直流发电机，发电机的定子是磁极，励磁绕组通电后产生磁场，转子（电枢）在磁场中旋转时，其电枢绕组在磁场中运动（切割磁力线）而产生感应电动势。
（2）磁场在导体中运动 即导体不动而磁场运动，进而产生电动势，这种感应电动势产生方式的例子是交流发电机。现代汽车上广泛采用交流发电机，发电机的转子是一个磁极，当转子通过电刷和集电环引入电流后，便会产生一个旋转的磁场，使定子（电枢）绕组切割磁力线而产生感应电动势。
（3）穿过线圈的磁通量变化 此种方式下磁场和导体都没有运动，而是使穿过线圈的磁通量变化，从而使线圈产生感应电动势。对于线圈（闭合回路），电磁感应定律的表达式为
式中 e——感应电动势；
N——线圈的匝数；
dΦ/dt——磁通的变化速率。
表达式中的负号表示感应电动势的方向与原磁场变化方向相反。
专业小知识
在汽车电路中，点火线圈二次绕组产生的互感电动势、电磁感应式曲轴位置传感器产生的脉冲电压等均是在穿过线圈的磁通量发生变化时产生感应电动势的。
三、磁路的基本定律
1.磁场强度H与磁导率μ
磁场强度H是反应磁场实际存在的物理量，而磁感应强度B则是磁场表现出来的量值大小和方向。它们之间的关系为
B=μH
μ为磁导率，是用来表示磁场中媒介磁性的物理量，它反映物质导磁的能力，物质的磁导率高，磁场通过该物质时的能量损失就小。在实际应用中，各种物质的导磁性能大小通常是以与真空的导磁性能相比较的结果来表示的，即用相对磁导率μr来表示物质的导磁性能，有
式中 μ0——真空的磁导率。
铁磁材料具有高导磁性（μr＞＞1），磁场通过铁磁材料的能量损失很小，因此，可以忽略铁磁材料对磁路的阻碍。
阅读提示
磁路中的磁阻类似于电路中的电阻，磁阻会导致磁通量的损失。磁路中铁磁材料的磁阻可以忽略不计，就好比电路中导线的电阻可以忽略不计。
2.磁动势
磁动势产生磁通，通电线圈产生的磁动势可表示为
F=NI
式中 F——磁动势；
N——线圈匝数；
I——线圈通过的电流。
3.磁路欧姆定律
磁路欧姆定律可表示为
Rm为磁阻，是表示物质对磁通具有的阻碍作用的物理量。磁阻的大小可表示为
式中 l——磁路的平均长度；
S——磁路的截面积。
在图1-12所示的磁路中，铁磁材料的磁阻很小，可以忽略不计，而空气的磁阻则较大。
为更好地理解磁路及其基本物理量，这里把磁路和电路的有关物理量一一对应地列于表1-1中。
表1-1 磁路和电路的有关物理量对照表
