电工电子技术与技能(程周)PPT课件.ppt

电工电子技术与技能 非电类少学时 程周主编 中等职业教育课程改革国家规划新教材配套多媒体资源 1 2磁场及电磁感应 2 1磁场 2 2电磁感应 2 3磁路的基本概念 2 4铁磁性物质 1 2 3 4 2 2 1磁场 观察与思考 3 2 1磁场 2 1 1磁场 1 磁场是看不见的 但可以观察到磁场的效应 2 在磁铁或电流 运动电荷 周围的空间里存在着磁场 磁场的性质之一是它对任何置于其中的其它磁体或电流施加作用力 3 磁场是电机工作原理的基础 作用在载流导线上的力是电动机工作的基本原理 而当磁场变化时 线圈中感应的电动势是发电机工作的基本原理 4 2 1磁场 2 1 2磁场的方向及磁感线 1 磁场是有方向的 规定 在磁场中的任一点 小磁针静止时N极所指的方向 就是该点的磁场方向 2 磁感线 为了形象地描绘磁场在空间的分布 在磁场中画出一些有方向的 假想的系列曲线 曲线上任一点的切线方向与该点的磁场方向一致 这些曲线称为磁感线 图2 3磁感线3 磁感线不但可以描述磁场的方向 还可以描述磁场强弱的分布情况 磁场越强的地方 磁感线越密 反之越稀 5 2 1磁场 2 1 3磁感应强度 1 磁感应强度定义 在磁场中 设垂直于磁场方向的通电直导线受到的磁场力为F 通过导线的电流为I 导线的长度为l 则F和的比值称为通电导线所在处的磁感应强度 用B表示 2 B的单位 特斯拉 用T表示 或Wb m2 3 B是矢量 磁场中某处磁感应强度的方向就是该处磁场的方向 4 均匀磁场 若磁场中各点的磁感应强度大小相等 方向相同 称为均匀磁场 6 2 1磁场 2 1 4安培定则 1 安培定则 右手螺旋定则 通电长直导体在其周围产生磁场 它的磁感线方向与电流方向之间的关系 可以用安培定则判断 2 安培定则的内容 右手握住导体 伸直拇指 拇指所指的方向表示电流的方向 弯曲的四指的方向表示磁感线方向 图2 4直流电流的磁场 图2 5螺线管电流的磁场 7 2 1磁场 2 1 5磁通量 1 磁通量 穿过磁场中的某一截面的磁感线的数量 称为穿过这个截面的磁通量 简称磁通 用 表示 单位是Wb 韦 伯 2 磁通量的表达式 2 2 图2 6磁通量 8 2 1磁场 2 1 6磁场对通电直导线的作用 1 安培定律安培力 通电直导线在磁场中受力 如图2 7所示 图2 7通电直导线在磁场中受力 安培定律的表达式 9 2 1磁场 2 1 6磁场对通电直导线的作用 2 左手定则用左手定则判断安培力的方向 如图2 8所示为用左手定则判断安培力的示意图 图2 8左手定则 左手定则使用说明 伸开左手 使拇指与其余四指垂直 并且和手掌在一个平面上 把手放入磁场里 让磁感线垂直穿入手心 并使四指指向电流方向 则拇指所指的方向就是安培力的方向 10 2 1磁场 2 1 6磁场对通电直导线的作用 图2 7通电直导线在磁场中受力 11 2 2电磁感应 观察与思考 图2 10利用磁场产生电流 12 2 2电磁感应 2 2 1电磁感应及电磁感应定律 1 电磁感应当穿过某一闭合导体回路所围面积的磁通量发生变化时 该回路中就会产生电流 这种现象称为电磁感应现象 在电磁感应现象中产生的电流称为感应电流 产生的电动势称为感应电动势 2 电磁感应定律电磁感应定律的内容 导线中的感应电动势E的大小和导线交链的磁通的变化率成正比 式中 N为线圈的匝数 上式中 只有当与导线交链的磁通变化时 E才有意义 13 2 2电磁感应 2 2 1电磁感应及电磁感应定律 14 2 2电磁感应 2 2 2楞次定律和右手定则 1 楞次定律内容 闭合电路中产生的感应电流 它所产生的磁场总是阻碍原电路中磁通的变化 应用楞次定律可以确定感应电动势的方向 图2 11楞次定律 15 2 2电磁感应 2 2 2楞次定律和右手定则 2 右手定则右手定则是确定导线切割磁感线所产生的感应电动势方向的简便方法 其实质是楞次定律的特殊情况 判断方法 伸出右手 使拇指跟其余四指垂直 并且和手掌在一个平面内 把手放入磁场中 让磁感线垂直穿入手心 拇指指向导体运动方向 四指所指方向就是感应电流的方向 如图2 12所示 图2 12右手定则 16 2 2电磁感应 2 2 2楞次定律和右手定则 2 右手定则 图2 13切割磁感线产生感应电流 17 2 3磁路的基本概念 1 磁路 通常由铁心制成 而使磁通集中通过的回路 如图2 17所示 图2 17主磁通和漏磁通 2 主磁通 铁心中的磁通 3 漏磁通 少量磁通通过周围空气构成的回路 可忽略不计 4 磁通 线圈中电流有效值I与线圈匝数N的乘积称为磁通势 RM称为磁阻 磁路欧姆定律 IN RM 注意 1 磁阻RM表示物质对磁通具有的阻碍作用 不同物质的磁阻不同 若铁心中存在空气隙 磁阻RM会增大许多 2 磁路的欧姆定律只适用于铁心非饱和状态 18 2 3磁路的基本概念 5 磁路举例 图2 18几种磁路实例 19 2 4铁磁性物质 2 4 1铁磁性物质磁化现象 1 磁畴 铁心自身有的自然磁性小区域 2 磁化 铁心中的磁畴沿外磁场作定向排列 产生附加磁场的现象 如图2 19 b 所示 图2 19磁畴和铁心的磁化 20 2 4铁磁性物质 2 4 1铁磁性物质磁化现象 图2 20磁化曲线 3 铁磁材料 能被磁化的材料 例如 铁 钴 镍以及它们的合金和氧化物 4 铁心的磁化过程可以用图2 20描述 OA段 大部分磁畴的磁场沿外磁场方向排列 与I成正比且增加率较大 AB段 所有磁畴的磁场最终都沿外磁场方向排列 铁心磁场从未饱和状态过渡到饱和状态 B点以后 称饱和状态 铁心的增磁作用已达到极限 同直线1 21 2 4铁磁性物质 2 4 2磁滞现象 图2 21磁滞回线 1 磁滞 当铁心线圈通入交流电时 铁心会随交流电的变化而被反复磁化 在磁化过程中 由于磁畴本身存在 惯性 使得磁通的变化滞后于电流的变化 2 磁滞回线 反复磁化形成的封闭曲线 如图2 21所示 3 磁滞损耗 铁磁材料在磁化时 外磁场克服磁畴的 惯性 消耗的能量 磁滞损耗是引起铁心发热的原因之一 22 2 4铁磁性物质 2 4 3铁磁材料的分类及应用 铁磁材料根据磁滞回线的形状及其在工程上的应用 可分为软磁材料 硬磁材料和矩磁材料三类 1 不同材料的磁滞回线 如图2 22所示 图2 22不同材料的磁滞回线 23 2 4铁磁性物质 2 4 3铁磁材料的分类及应用 图2 22不同材料的磁滞回线 2 软磁材料 磁滞损耗小的铁磁材料 特点是磁滞回线狭长 面积小 3 硬磁材料 磁滞损耗大的铁磁材料 特点是磁滞回线宽大 面积大 4 矩磁材料 磁滞回线接近矩形的铁磁材料 特点是受较小的磁场的磁化就可以达到饱和 而去掉磁场后仍能保持饱和状态 24 2 4铁磁性物质 2 4 4涡流 1 涡流 交变的磁通穿过铁心产生感应电动势 因而会产生感应电流 它围绕磁感场线成旋涡状流动 如图2 23 a 所示 2 涡流损耗 涡流在铁心的电阻上引起的功率损耗 3 减少涡流损耗 常将铁心分成许多彼此绝缘的薄片 硅钢片 使铁心中的电阻增大而涡流减少 这样可以有效地减少涡流损耗 如图2 23 b 所示 4 涡流的应用 电磁炉 图2 23涡流 25 天然磁石Fe3O4 吸铁性指南性 人类认识和使用最早的磁性材料 26 司南 指南车 指南鱼 27 各种指南针挂件 28 永磁材料软磁材料磁记录材料特殊功能的磁性材料磁弹性材料磁电阻材料磁制冷材料磁流体 新型磁性材料的分类 29 永磁材料 在特定的空间内提供一个磁场利用永磁材料的吸铁性及指南性 30 由于成本低廉 铁氧体磁材有广阔的应用领域 从电机 扬声器到玩具 工艺品 因而是目前应用最广的永磁材料 31 铝镍钴的主要应用领域 电子点火系统 电度表 伏安表 医疗仪器 工业电机 磁力簧片开关 发电机 手动工具 自动售货机 32 铁铬钴变形永磁合金是由天津市天材科技发展有限公司 33 金坛市磁性材料有限公司生产永磁铁氧体材料系列产品 34 35 烧结NdFeB永磁材料表面处理分电镀 Zn Ni 喷涂 电泳 磷酸钝化等 产品具有强的耐腐蚀性 36 用于手机 BB机振动器的烧结NdFeB永磁材料 37 用于各种电机的烧结NdFeB磁瓦 38 用于核磁共振成像仪及磁选机等的烧结NdFeB永磁材料 39 各种规格的环形烧结NdFeB永磁材料外径 3mm 160mm 内径 1mm 140mm 40 各种规格的圆片形烧结NdFeB永磁材料尺寸范围 外径 2mm 160mm 厚度 0 3mm 60mm 41 各种未经表面保护处理的烧结NdFeB永磁材料 42 喷涂处理的烧结NdFeB永磁体 43 各种管状烧结NdFeB永磁材料尺寸范围 外径 3mm 160mm 内径 1mm 140mm 44 圆柱形的烧结NdFeB永磁体 45 软磁材料 例如对于变压器 在线圈中加入磁芯后 将磁通限制在低磁阻的磁芯内 用较小激励电流 产生比没有磁芯时大得多的磁通 这就大大减少了电磁元件的体积 因此 加磁芯的基本目的是为链合或耦合两个或多个磁单元的磁通 提供容易通过的路径 将磁源和磁 负载 连接起来 作为磁通 汇流条 同时减少磁元件的体积 46 47 共模电感铁芯 磁放大器铁芯 漏电保护开关互感器铁芯 大功率开关变压器铁芯 深圳市天为科技有限公司 48 纳米晶开气隙恒电感 电流 电压互感器用铁芯 小型开关电源变压器用环形铁芯 非晶恒电感 49 磁带磁盘磁卡 磁记录媒体的分类 50 51 磁带结构图示 52 53 磁记录介质磁头 磁盘结构 54 4 4MbyteIBMRAMAC19552kbits in250 x24 diadisks 80GbyteSeagateUseries200132 6Gbits in22x3 5 glassdisks 55 56 特殊功能的磁性材料 磁弹性材料磁电阻材料磁制冷材料磁流体 57 磁弹性材料 磁性材料在磁场的作用下形状发生改变 具体表现可为长度上的伸长或缩短 体积上的膨胀和收缩 磁弹性材料应用模型 58 GMR磁头不仅在厚度上 而且在长度上都在100纳米以内 磁电阻材料 磁性材料的电阻在磁场的作用下发生改变的现象Magnetoresistance MR 59 磁制冷材料 磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术 基本原理是借助磁制冷材料的磁热效应 magnetocaloriceffect 即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量 而等温退磁时从外界吸取热量 以达到制冷目的 环境友好 无环境污染和破坏高效节能 卡诺循环效率可达到60 70 稳定可靠 60 磁流体 磁流体又称磁性液体或铁流体 是一种对磁场敏感可流动的液体磁性材料 它是将掺入到载液中的铁磁性微粒 10nm 用分散剂均匀地分散 使成为某种具有流动性的悬浮状的胶态液体 这种液体具有在通常离心力和磁场作用下即不沉降和凝集又能使其本身承受磁性可以被磁铁所吸引的特性 61 用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异 可广泛应用于密封减震 医疗器械 声音调节 光显示等领域 宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一 磁性液体 62 许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子