摘要:随着教育教学改革地不断深入,教师应站在科学的高度把握教材。本文将相似理论的观点赋予电路与磁路的教学中,从磁路与电路中的基本物理量、基本定律、分析方法等方面对磁路问题和电路问题进行了分析比较,得出了磁路与电路具有相似性的结论,并指出了磁路与电路的差异。可使学习者借用熟悉的电路基础知识和分析方法去理解和掌握磁路,使较难的磁路问题变得简单易懂,并有益于教师提高教学效果。
关键词:磁路;电路;相似性
中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2010)1(S)-0032-2
相似理论是站在科学的高度且带有哲学意义的思维理论,具有较高的理论价值和应用价值,物理教学时可以将相似理论赋予其中。例如:在磁路的教学中将相似理论赋予其中,利用其与电路的相似性进行教学,对提高教学效果十分有益。
下面,我们从磁路与电路的基本物理量、基本定律、分析方法等几个方面,探讨磁路与电路的相似性。
电路是电流流过的回路,它是由电路元件按一定方式连接起来的整体。磁路是人为造成的磁通易通的路径,它利用具有高磁导率的物质制成一定的形状结构,其周围绕有通有电流的激励磁场的线圈(有些场合也可用永磁体作为磁场激励源)有时还是由适当大小的空气隙组成的整体。
1 磁路与电路的基本物理量的比较
(a)在电路中,用电流i这个物理量,描述电流的强弱。在磁路中,用磁通Φ来描述通过某一面积的磁感应线的多少。即磁路中的磁通Φ与电路中的电流i相似。
(b)在电路中,有电压U这个物理量,它使某段电路中产生电流。在磁路中,有磁压降Um这个物理量,它使某段磁路中产生磁通。
即磁路中的磁压降Um相当于电路中的电压降U。
(c)电路中用电源电动势E这个物理量,表示电源把其它形式的能转变为电能的本领。磁路中,用磁通势Fm 这个物理量表示磁源励磁的情况。即磁路中的磁通势相当于电路中的电源电动势。
(d)电路中,用电流密度j=I/S这个物理量,描述电路中某点电流的强弱和方向。在磁路中用磁通密度B=Φ/S这个物理量描述磁场的强弱和方向。即磁路中的磁通密度与电路中的电流密度相似。
(e)在电路中有电阻R,表示导体对电流的阻碍作用。在磁路中有磁阻Rm,表示磁路对磁通所起的阻碍作用。即磁路中的磁阻Rm相当于电路中的电阻R。
(f)在电路中电阻的倒数称为电导G。在磁路中磁阻的倒数称为磁导Am。即磁路中的磁导Am与电路中的电导G相似。
2 磁路与电路的基本定律的比较
(a)在电路中,一段电路中的电流与电压、电阻的关系用欧姆定律U=RI来描述。
在磁路中,一段磁路中的磁通与磁压降、磁阻的关系用磁路的欧姆定律Um=RmΦ来描述。即磁路的欧姆定律与电路中的欧姆定律极为相似。
(b)在电路中,有基尔霍夫电流定律:对任一电路中的任一节点(也可推广为闭合面),在任一时刻流入的电流之和一定等于从该节点流出的电流之和,即∑I=0。
在磁路中,有磁通连续性原理:对于磁路中的任一闭合面,在任一时刻,穿过该闭合面的磁通之和一定等于穿出这个闭合面的磁通之和,即∑Φ=0。此式与电路中的基尔霍夫定律相似,所以称此为磁路的基尔霍夫第一定律。
(c)在电路中,有基尔霍夫电压定律:对于任一电路中的任一回路,在任一时刻,沿该回路的所有支路的电压降之和恒等于零。即∑U=∑E。
在磁路中,有安培环路定律:对于磁路中的任一闭合路径,在任一时刻,沿该闭合路径中的各段磁压降之和等于围绕此闭合路径的所有磁通势之和,即∑HL=∑Fm。
此定律与电路中的基尔霍夫电压定律相似,所以称此定律为磁路的基尔霍夫第二定律。
通过对磁路与电路的基本物理量、基本定律的分析比较可见:二者无论是基本物理量还是基本定律都具有相似性。即:磁通Φ相似于电流I;磁压降Um相似于电压降U;磁通势Fm相似于电源电动势E;磁通密度B相似于电流密度J;磁阻Rm相似于电阻R;磁导Am相似于电导G;磁通连续性原理相似于基尔霍夫电流定律;安培环路定理相似于基尔霍夫电压定律;磁路的欧姆定律相似于电路的欧姆定律。
由以上两个方面的分析比较可见,磁路与电路在表征其性质的物理量及其相互关系的数学表达式上都有相似性,因此可以类比教学。
3 磁路与电路分析方法的比较
综合上述三个方面的分析比较,我们可得出以下结论:
磁路与电路具有相似性。
由于磁路与电路具有相似性,因此,在学习磁路的基本物理量和基本定律时,可以仿照电路中的基本物理量和基本定律去理解掌握;分析电路中的一些方法,在分析磁路时也可使用。这样可使较难理解和掌握的磁路问题变得简单易懂。
磁路与电路相似,并不等于相同,两者在很多方面也存在差异,主要有以下四个方面。
(a)磁路中有磁饱和现象,在一定磁路中,通过的磁通量的大小受到严格的限制,而在充分冷却的电路中,流过的电流的大小几乎是不受限制的。
(b)磁通在磁路中的传播速度远小于电路中电流的传播速度。
(c)电路中的电流表示带电质点的运动,因而通过电阻时要消耗能量,使电阻发热。而磁通并不代表质点的运动,只是描述磁场的一个物理量,它通过磁阻时不消耗功率,因而不存在磁路的热效应。
(d)电路中导电材料与绝缘材料的导电率差别很大。分析电路时,只考虑导体中的电流,而绝缘材料中的漏电电流通常不考虑。而磁路中,铁磁材料与空气相比,其磁导率相差只有几倍到几百倍,漏磁通在很多场合是要考虑的。
掌握了磁路与电路的相似性和差异性,学生就可借用已熟知的电路知识很容易地学习磁路知识,而教师将能提高教学的实效性。
参考文献:
[1]李瀚荪.电路及磁路[M].北京:中央广播电视大学出版社,1994.2
(栏目编辑罗琬华)