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职业技能鉴定教材：电磁与交流电第一节 磁与电磁的基本知识凡具有吸引铁、镍、钴等物质的性质称为磁性。具有磁性的物体叫磁体。磁体两端磁性最强的区域叫磁极。每个磁体都有两个磁极，即南极(S)、北极(N)。两个磁体之间具有同极性相排斥，异极性相吸引的特性。磁极间的这种相互作用力也叫磁力。磁体周围存在的磁力作用的空间称为磁场。一般都用磁力线来直观、形象地表示磁场的强弱和磁力的方向。在磁体外部，磁力线由N极指向S极；在磁体内部，磁力线由S极指向N极。一、电流的磁场通电导体的周围有磁场存在。导体中通过电流时产生的磁场方向可用安培定则(又称右手螺旋定则)来判断。当通电导体为直导体时，用图3.11a)所示方法进行：右手握直导体，拇指的方向为电流方向，弯曲四指的指向即为磁场方向。当通电导体为螺旋管(线圈)时，用图3.11b)所示方法进行：右手握螺旋管，弯曲四指表示电流方向，拇指所指的方向即为磁场方向。图3.11 磁场方向判定二、磁通与磁感应强度1、磁通 通过与磁场方向垂直的某一面积上磁力线的总数，叫做通过该面积的磁通量，简称磁通。用字母表示，其单位是Wb(韦伯)。面积定时，通过的磁通越多，磁场就越强。2、磁感应强度 垂直通过单位面积的磁力线的数目，叫该点的磁感应强度。用字母B表示，单位是T(特)。在均匀磁场中，磁感应强度BS。磁感应强度不仅表示了磁场中某点的强弱，还表示出该点磁场的方向。它是一个矢量。某点磁力线的切线方向，就是该点磁感应强度的方向。三、磁场对电流的作用1、磁场对通电直导体的作用 处在磁场中的直导体流过电流时，导体会发生运动，表明通电导体受到一个电磁力的作用。这个电磁力F的大小与通过导体电流I的大小成正比，与导体在磁场中的有效长度Lsina以及导体所处位置的磁感应强度月成正比，如图3.12所示。写成数学表达式即为： FBILsina (N)通电导体在磁场中受到的电磁力的方向，可用左手定则来判定，如图3.13所示。伸开左手，让拇指与其余四指垂直并同在一个平面内，让磁力线穿过手心，四指指向电流方向，拇指所指的方向就是通电导体所受到的电磁力的方向。图3.12 图3.13 左手定则2、磁场对通电线圈的作用 在均匀磁场中放置一个可以转动的通电矩形线圈abcd，如图3.1一4所示。当线圈平面与磁力线平行时，ad和bc边不受磁场的作用力，但ab和cd边会受到磁场力（F1、F2）的作用。令abcdL1，adbcL2，则F1F2BIL1。用左手定则可判出Fl与F2方向相反。此时线圈受到的转动力矩为： MF1L2BILlL2BIS式中 B均匀磁场的磁感应强度； I线圈中的电流； S线圈的有效面积。若线圈在转矩M的作用下顺时针方向转动，当线圈平面的法线与磁力线的夹角为时，(如图214b)，则线圈受到的转动力矩为： MBISsina若线圈由N匝绕制，则转动力矩为： MNBISsina3、通电平行导体之间的相互作用 两根平行且靠近的通电导体，相互之间都要受到对方电磁力的作用。电磁力的方向可用图3.1一5的方法来判定。先判定通电导线产生的磁场方向，再判定两根导体分别受到的电磁力方向。由图中可以看出：两根平行导体的电流方向相同时（图3.15a），相互吸引；电流方向相反时（图3.15b），相互排斥。图3.15 通电平行导线间的相互作用力图3.14 磁场对通电线圈的作用a)电流方向相同 b)电流方向不相同四、磁导率与磁场强度1、磁导率 磁导率(又称导磁系数)是用来表征物质导磁性能的物理量，用字母表示，单位是Hm。真空的磁导率04107Hm，且为一常数。我们把某种物质的磁导率与真空中磁导率0的比值，叫做该物质的相对磁导率，用字母表示。/0只是一个比值，无单位。根据物质的磁导率不同，可以将物质分为三类：l的物质叫顺磁物质，如空气、锡等；1的物质叫铁磁物质，如铁、镍、钴及其合金等。2、磁场强度 磁场中某点的磁感应强度B与媒介质的磁导率的比值，叫做该点的磁场强度，用字母H表示，即： HB (Am)对于圆环中心周长为L的环形线圈，如图3.16所示，内部的磁感应强度B应为：因此，磁场强度的表达式又可以写成： 磁场强度是一个矢量，在均匀介质中与磁感应强度的方向一致。图3.16 圆环线圈图3.17磁路五、铁磁材料的性质、分类及用途1、性质 铁磁材料具有以下共同的性质：能被磁体吸引；磁化后有剩磁，能形成磁体；磁感应强度B有一个饱和值；具有磁滞损耗；磁导率比非铁磁物质大很多倍，并且不是一个常数。2、分类 根据用途不同，铁磁材料可以分为三大类：(1)软磁材料 其特点是磁导率高，易磁化也易去磁，剩磁和矫顽力都小，磁滞损耗很小，如硅钢片、纯铁等。常用来制造电机、变压器等电器的铁芯。(2)硬磁材料 其特点是不易磁化，也不易去磁，剩磁和矫顽力都很大，如钨钢、钴钢等。常用于各类永久磁铁、扬声器磁钢的制造。(3)矩磁材料 其特点是在很小的外磁作用下就能磁化，并且达到饱和，去掉外磁后，磁性仍能保持在饱和值，如矩磁铁氧体等。常用来制作记忆元件，用于计算机中的存贮器。六、磁路及磁路欧姆定律1、磁路 磁力线所通过的闭合路径称磁路。在电工设备中，一般都采用铁磁材料按需要制成不同形状的铁芯，让磁通主要沿着设计好的路径通过。实际工作中，仍会有很少部分磁通经过空气或其他材料而闭合。我们把通过铁芯的磁通称为主磁通；铁芯外的磁通称为漏磁通，如图3.17所示磁路中的s。磁路按其结构不同，又可分为无分支磁路和分支磁路。分支磁路又可以分成对称分支磁路和不对称分支磁路。2、磁路欧姆定律 图3.17所示即为一无分支磁路。设线圈匝数为N，通过电流为I，铁芯截面积为S，磁路平均长度为L，则其磁场强度为：式中 NI相当于电路中的电动势，叫磁动势。因为 则 令式中 Rm磁路中的磁阻。磁阻的大小与磁路中磁力线的平均长度L成正比，和铁芯截面积及材料磁导率成反比。由此得出 (磁路欧姆定律)在实际应用中Rm往往是由几种物质所具有的磁阻串联而成，因此磁路欧姆定律可以表示为：第二节 电磁感应一、电磁感应现象如图3.18所示，均匀磁场中放置一根导体AB，两端连接一个检流计PA，当导体垂直于磁力线作切割运动时，检流计的指针发生偏转，说明此时回路中有电流存在；当导体平行于磁力线方向运动时，检流计指针不发生偏转，此时回路中无电流存在。如图3.19所示，在线圈两端接上检流计PA构成回路，当磁体插入线圈时，检流计指针发生偏转；磁铁在线圈中不动时，检流计指针不偏转；将磁铁迅速由线圈中拔出时，检流计指针又向另一个方向偏转。 图3.18 直导体的电磁感应现象 图3.19 磁铁在线圈中运动上述现象说明：当导体切割磁力线或线圈中磁通发生变化时，在导体或线圈中都会产生感应电动势。其本质都是由于磁通发生变化而引起的。因此，电磁感应的条件是穿越线圈回路中的磁通必须发生变化。二、直导体中的电磁感应由图3.18所示电路中可以看出，导体与磁场相对运动而产生的感应电动势e的大小与导体切割磁力线时的速度v、导体有效长度l，和导体所处的磁感应强度B有关，即： eBvl (V)若导体运动方向与磁力线之间的夹角为，则： eBvlsin (V)感应电动势的方向可用右手定则来判定：伸开右手，让拇指与其余四指垂直并同在一个平面内，使磁力线穿过掌心，拇指指向切割运动方向，四指就指着感应电动势的方向。三、线圈中的电磁感应如图3.19所示，当磁铁插入或拔出越快，指针偏转越大。即回路中感应电动势的大小与穿过回路的磁通变化率成正比，这就是法拉第电磁感应定律。设通过线圈的磁通量为，则N匝线圈的感应电动势为：式中 e在t 时间内感应电动势平均值； N线圈匝数； /t磁通变化率平均值。线圈中产生的感应电动势方向，可用楞次定律进行判定。楞次定律的内容是：感应电流的磁通总是反抗原有磁通的变化。应用其判断感应电动势方向的具体方法是：(1)首先确定原磁通的方向及其变化趋势。(2)由楞次定律判断感应磁通方向。如果原磁通增加，则感应磁通与原磁通方向相反，反之则方向相同。(3)由感应磁通方向，应用右手螺旋定则判断出感应电动势或感应电流的方向。在这里要特别提醒的是：判断时必须把产生感应电动势的线圈或导体看做电源。四、自感与互感1、自感 由流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应叫自感应，简称自感。自感产生的电动势叫自感电动势，用eL表示。当一个线圈通过电流时，由这个电流产生的磁场使线圈每匝所具有的磁通叫自感磁通，而使整个线圈具有的磁通叫自感磁链，用字母表示。/i的比值叫自感系数，也叫自感，并可推导得：式中 eL自感电动势平均值，V； i/t电流的平均变化率，AS； L线圈的自感系数，又称电感量，简称电感，H。2、互感 两个线圈之间的电磁感应叫互感应，简称互感。在图3.110电路中，合上开关S瞬间，线圈2中有感应电动势产生，使检流计发生偏转。图3.110 两个线圈的互感由互感产生的感应电动势叫互感电动势，用eM表示。在图3.110中，当两个线圈产生互感时，线圈l中电流i1产生的磁通中一部分与线圈2交链，其磁链为12N212。所产生的互感电动势大小为：式中 M互感系数，M=12/i1。3、同名端 互感线圈中，由于线圈的绕向一致而产生的感应电动势极性一致的端点叫同名端，反之叫异名端。在图3.111中，1和4端为同名端，用标记“ ”表示。知道两线圈的同名端后，可以很方便地判断出线圈中互感电动势的极性。在图3.112中，当电流i1由线圈A的1端流入并增大瞬间，由同名端的定义，可以确定出线圈B中产生的互感电动势的极性是3端为正，4端为负。 图3.111 同名端的标记及表示方法 图3.112第三节 磁路计算一、安培环路定律磁场强度矢量H沿任何闭合路径的线积分等于贯穿由此路径所围成的面的电流的代数和，即：1HdlI (安培环路定律) 式中I的正负由它的方向与所选路径的方向是否符合右手螺旋定则而定。二、磁路的基本定律1、磁路基尔霍夫第一定律 磁路中无分支的部分叫磁路的支路，分支的地方叫磁路的节点。忽略漏磁通，磁路支路各个横截面的磁通都相等。磁路中任一节点所连各支路磁通的代数和等于零。在图3.113所示磁路中：-+0或02、磁路基尔霍夫第二定律 磁路可分为截面积相等、材料相同的若干段。图3.113所示磁路可分为平均长度各为五段。每段磁路中心线的磁位差(磁压)Um等于其磁场强度与长度的乘积(UmH1)。应用安培环路定律可知，图3.113中右边有： 左边有： 即：（Hl）（NI）图3.113 磁路或： UmF这就是磁路基尔霍夫第二定律的表达式。式中FNI叫做磁通势或磁动势。三、恒定磁通磁路的计算1、无分支磁路中，已知磁通求磁通势 方法如下：(1)将磁路按材料和截面积的不同，划分为若干段。(2)按磁路的几何尺寸计算各段的截面积S和磁路的平均长度l。(3)按已知磁通求出各段的磁通密度B，并求得各段的磁场强度H(铁芯可查表，气隙可用H00.8106B0进行计算)。(4)计算各段磁路的磁压Um。(5)应用磁路基尔霍夫第二定律，求出所需要的磁通势F：FNI（Hl）2、无分支磁路中，已知磁通势求磁通(一般采用试算法进行计算)，方法如下：(1)先设定一磁通值，然后按照已知磁通求磁通势的计算步骤求出所需的磁通势。(2)把计算所得结果与已知条件进行比较，根据差别情况，把值修正后再进行计算，直到算得的磁通势与给定值相近且满足所要求的精确度为止。图3.114 对称分支磁路a)原磁路 b)剖分后无分支磁路3、对称分支磁路的计算 先找出对称的特点。对图3.114，可按其对称轴把磁路剖分成两个相同的无分支磁路。取其一半按无分支磁路进行计算。计算时，中间柱的面积只取了一半，磁通也只取一半。剖分后的B、H不变，磁通势F也不变。第四节 交流电基本知识一、交流电的基本概念图3.115 正弦交流电大小与方向均随时间作周期性变化的电流(电压、电动势)叫交流电。交流电的变化规律随时间按正弦函数变化的称为正弦交流电，其图形如图3.115所示。工程上用的一般都是正弦交流电。工作在交流电下的电路称为交流电路。二、正弦交流电的瞬时值、最大值、有效值和平均值1、瞬时值 交流电在某一瞬间的数值称为交流电的瞬时值，用小写字母e、u、i等表示。 2、最大值 交流电的最大瞬时值称为交流电的最大值(也称振幅值或峰值)，用字母Em、Um、Im等表示。3、有效值 若一个交流电和直流电通过相同的电阻，经过相同的时间产生的热量相等，则这个直流电的量值就称为该交流电的有效值。用大写字母E、U、I等表示。对于正弦交流电，有效值与最大值的关系式为：；。平时所讲交流电的大小，都是指有效值的大小。4、平均值 正弦交流电在正半周期内所有瞬时值的平均大小称为正弦交流电的平均值，用字母EP、UP、IP等表示。正弦交流电平均值与最大值的关系为：；。三、正弦交流电的周期、频率及角频率1、周期和频率 交流电完成一次循环所需要的时间叫周期，用字母T表示，单位是s。在每一秒钟内交流电重复变化的次数叫频率，用字母f表示，单位是HZ。频率和周期互为倒数，即：f=1T或T=1f。我国工业上使用的正弦交流电频率为50HZ，习惯上称为工频。2、角频率 正弦交流电表达式的t项中，通常称为角频率或角速度。它表示交流电每秒钟内变化的角度，即=/t，在这里的角度常用弧度来表示，故的单位是rs。四、正弦交流电的相位、初相角及相位差在交流电表达式中，符号sin后面t为角度，不同正弦量在t0时的初始值是不一样的。把t0时正弦交流电的相位角称为初相角或初相位，因此完整的正弦交流电表达式应为： eEmsin(t+)式中 (t+) 相位； 初相角(初相位)。两个同频率交流电的相位之差叫相位差，用字母表示，即： (t+1)一(t+2)1一2确定一个交流电变化情况的三个重要数值是：最大值、频率和初相角。通常称之为交流电的三要素。五、正弦交流电的三种表示方法正弦交流常用的表示方法有：解析法、图形法和矢量法三种。1、用一个数学式子来表示交流电的方法称为解析法。如e20sin（100t一600）V。2、用波形图来表示交流电的方法叫图形法，也叫曲线图法。3、用矢量来表示交流电的方法叫矢量法。这是一种能比较简便直观的表示交流电的方法。六、三相交流电源1、基本知识 三相交流电是由三相交流发电机产生，经三相输电线输送到各地的对称电源。三相电源对外输出的为eU、eV、eW三个电动势，三者之间的关系为：大小相等、频率相同、相位上互差1200，即：eUEmsinteVEmsin(t1200)eWEmsin(t+1200)三相电动势达到最大值的先后次序叫相序。正序为UVWU；反之为逆序。常用黄、绿、红三色分别表示U、V、W三相。2、三相电源的联结图3.116三相四线制(1)三相电源绕组的星形联结 将三相电动势的末端U2、V2、W2联成一个公共点的联结方式，称为星形(Y)联结，如图3.116所示。该公共点称为电源中点，用N表示。由三个电动势始端U1、V1、W1分别引出的三根导线称相线或端线。从电源中点N引出的导线叫做中性线或零线。有中性线的叫三相四线制；无中性线的叫三相三线制。每相绕组两端的电压称为相电压，用表示，各相电压的参考方向是从始端指向末端。当泛指相电压时，用表示。两根相线之间的电压称为线电压，用表示，泛指时用UL表示。三相四线制电源可提供的电压有线电压和相电压两种，二者间的关系为：且线电压超前相电压300。(2)三相电源绕组的三角形联结 将三相电动势中每一相的末端和另一相的始端依次相接的联结方式，称为三角形()联结。如图3.117所示。在三角形联结中，ULU。图3.117 电源绕组三角形联结第五节正弦交流电路的分析计算一、单相交流电路的计算1、纯电阻电路 处在交流电路中的纯电阻，其两端所加的电压与流过电阻的电流在相位上是相同的，电压与电流的有效值之间是符合欧姆定律的，并且在任一瞬间电阻都是由电源取用功率，起负载作用。因此电阻上的功率都是正值称为有功功率：（W）2、纯电感电路处在正弦交流电路中的纯电感，其两端电压在相位上超前流过纯电感电流900。电感对交流电流的阻碍作用称为感抗，用字母XL表示，XLL2fL()。流过纯电感的电流与两端电压的有效值在数量上的关系是： ULXLIL(V)或ILULXLULL UL2fL (A)纯电感中电流、电压关系及相位如图3.118所示。图3.118 纯电感电路中的电压、电流及其相位关系a)电路图 b)电压与电流曲线 c)电压与电流的相位关系纯电感在正弦交流电路中，在一个周期内分别要由电源吸取电能后转换成电磁能储藏在电感周围磁场中和把磁能转换成电能向电源输送。这种对能量进行交换的能力，用无功功率QL来表示，即： QLULILIL2XLUL2XL(W)在交流电路中，纯电感不消耗能量。3、纯电容电路 处在正弦交流电路中的纯电容，其两端电压在相位上滞后流过纯电容电流900，如图3.119所示。电容器对交流电流的障碍作用称为容抗，用字母XC表示。XC1/C12fC（）图3.119 纯电容电路中电压与电流波形及相位关系a)电路图 b)电压与电流波形 c)相位关系流过纯电容电路的电流与两端电压有效值在数量上的关系为： IcUcXcUcC2fCUc(A)电容也是一个储能元件，在正弦交流电路中，纯电容与纯电感一样仅与电源进行不断的能量交换，本身并不消耗能量。衡量电容器与电源间能量交换的能力，用无功功率Qc来表示，即： QcUcIcIc2XcUc2Xc(W)4、交流电路的功率和功率因数 实际交流电路中存在的电阻、电感和电容之间，不仅有数量关系，还有相位关系。如在R、L、C串联电路中(图3.120)，就存在有下述关系：(1)电压关系式 (2)电路的总阻抗 式中 XLXcX称为电抗。(3)电路的总视在功率图3.120 RLC串联电路 上述电压、阻抗和功率关系，用图形可分别表示为三个直角三角形，如图3.121所示。图3.121 RLC串联电路的电压、阻抗、功率三角形a)电压三角形 b)阻抗三角形 c)功率三角形由图3.121c)中可以看出：电路中的有功功率P的大小应为： PUIcos(W)无功功率PQL或PQC的大小都应为： QUisin(W)电路的视在功率应为， SUI(W)有功功率公式中的cos叫做电路的功率因数，叫功率因数角。电路的功率因数cos 越大，电源设备的容量利用越充分，供电线路上的损耗就越小。在实际工作中总想法提高电路的功率因数。二、三相交流电路的分析、计算1、三相负载的三相四线制Y