《电工基础》(劳动第五版)——第四章

4 1磁场 4 2磁场对电流的作用 4 3电磁感应 4 4自感和互感 4 5铁磁材料与磁路 1 能应用右手螺旋定则正确判断通电长直导线和通电螺线管的磁场方向 2 理解磁感应强度 磁通 磁导率的概念 4 1磁场 一 磁场与磁感线 当两个磁极靠近时 它们之间会发生相互作用 同名磁极相互排斥 异名磁极相互吸引 两个磁极互不接触 却存在相互作用力 这是因为在磁体周围的空间中存在着一种特殊的物质 磁场 用一些互不交叉的闭合曲线来描述磁场 这样的曲线称为磁感线 磁感线上每一点的切线方向就是该点的磁场方向 磁感线在磁体外部由N极指向S极 在磁体内部由S极指向N极 磁感线的疏密程度表现了各处磁场的强弱 蹄形磁铁的磁感线条形磁铁的磁感线 在磁场的某一区域里 如果磁感线是一些方向相同分布均匀的平行直线 则称这一区域为匀强磁场 匀强磁场 二 电流的磁场 电流周围存在着磁场 电流产生磁场的这种现象称为电流的磁效应 通电导线使磁针偏转 通电长直导线及通电螺线管周围的磁场方向可用右手螺旋定则 也称安培定则 来确定 三 磁场的主要物理量 磁场的强弱用磁感应强度来描述 符号为B 单位是特斯拉 T 简称特 某点处磁感应强度的方向 就是该点的磁场方向 磁场越强 磁感应强度越大 磁场越弱 则磁感应强度越小 1 磁感应强度 2 磁通 设在磁感应强度为B的匀强磁场中 有一个与磁场方向垂直的平面 面积为S 则把B与S的乘积定义为穿过这个面积的磁通量 简称磁通 用 表示磁通 则有 平面与B垂直平面与B不垂直磁通 如果磁场不与所讨论的平面垂直 则应以这个平面在垂直于磁场B的方向的投影面积S 与B的乘积来表示磁通 由 BS可得B S 这表示磁感应强度等于穿过单位面积的磁通 所以磁感应强度又称磁通密度 当面积一定时 该面积上的磁通越大 磁感应强度越大 磁场越强 3 磁导率 磁导率就是一个用来表示媒介质导磁性能的物理量 用 表示 其单位为H m 亨 米 为了比较媒介质对磁场的影响 把任一物质的磁导率与真空的磁导率的比值称作相对磁导率 用 r表示 即 1 理解磁场对电流的作用力 电磁力 能用左手定则正确判断电磁力的方向 2 了解磁场对通电线圈的作用及其应用 4 2磁场对电流的作用 一 磁场对通电直导体的作用 通常把通电导体在磁场中受到的力称为电磁力 也称安培力 通电导线长度一定时 电流越大 电流所受电磁力越大 电流一定时 通电导线越长 电磁力也越大 通电直导体在磁场中受到的电磁力 通电直导体在磁场内的受力方向可用左手定则来判断 左手定则 电磁力的计算式为 电流方向与磁场方向有一夹角 当电流方向与磁场方向垂直时 电流所受的电磁力最大 二 通电平行直导线间的作用 通入同方向电流的通入反方向电流的平行导线相互吸引平行导线相互排斥 三 磁场对通电线圈的作用 磁场对通电矩形线圈的作用是电动机旋转的基本原理 直流电动机的原理磁电式仪表的结构 磁悬浮列车 磁悬浮原理磁推进原理磁悬浮列车 1 理解感应电动势的概念 能用右手定则正确判断感应电动势的方向 2 掌握楞次定律及其应用 理解法拉第电磁感应定律 4 3电磁感应 一 电磁感应现象 条形磁铁快速插入线圈条形磁铁快速拔出线圈电磁感应现象 这种磁场产生电流的现象称为电磁感应现象 产生的电流称为感应电流 产生感应电流的电动势称为感应电动势 感应电流的产生与磁通的变化有关 当穿过闭合电路的磁通发生变化时 闭合电路中就有感应电流 二 楞次定律 楞次定律指出了磁通的变化与感应电动势在方向上的关系 即 感应电流产生的磁通总要阻碍引起感应电流的磁通的变化 如果把线圈看成是一个电源 则感应电流流出端 如图中线圈的下端 为电源的正极 三 法拉第电磁感应定律 法拉第电磁感应定律 线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正比 N匝线圈的感应电动势的大小为 感应电动势的方向需要根据楞次定律进行判定 在电路计算中 应根据实际方向与参考方向的关系确定其正负 四 直导线切割磁感线产生感应电动势 导体切割磁感线产生感应电动势 感应电动势的方向可用右手定则判断 如图所示 平伸右手 大拇指与其余四指垂直 让磁感线穿入掌心 大拇指指向导体运动方向 则其余四指所指的方向就是感应电动势的方向 右手定则 如果导体运动方向与磁感线方向有一夹角 则导体中的感应电动势为 当导体 导体运动方向和磁感线方向三者互相垂直时 导体中的感应电动势为 导体运动方向与磁感线方向有一个夹角 发电机就是应用导线切割磁感线产生感应电动势的原理发电的 发电机原理示意图 霍尔元件 霍尔效应利用霍尔元件制成的位置传感器霍尔元件的应用 冲床磁感应电子计数器示意图 1 了解自感现象 互感现象及其应用 2 理解自感系数和互感系数的概念 3 理解同名端的概念 能正确判断和测定互感线圈的同名端 4 4自感和互感 一 自感 1 自感现象 自感实验电路一 这种由于流过线圈自身的电流发生变化而引起的电磁感应现象称为自感现象 简称自感 在自感现象中产生的感应电动势称为自感电动势 用eL表示 自感电流用iL表示 自感电动势的方向可结合楞次定律和右手螺旋定则来确定 2 自感系数 当线圈中通入电流后 这一电流使每匝线圈所产生的磁通称为自感磁通 为了衡量不同线圈产生自感磁通的能力 引入自感系数 又称电感 这一物理量 用L表示 它在数值上等于一个线圈中通过单位电流所产生的自感磁通 即有铁心的线圈 其电感要比空心线圈的电感大得多 3 自感电动势的大小 自感现象是一种特殊的电磁感应现象 它必然也遵从法拉第电磁感应定律 自感电动势大小的计算式为 自感电动势的大小与电流的变化率和自感系数之积成正比 电流变化率越大 自感电动势越大 反之亦然 所以 电感L也反映了线圈产生自感电动势的能力 自感电动势的方向应根据楞次定律判定 二 互感 1 互感现象 互感实验电路 这种由一个线圈中的电流发生变化而在另一线圈中产生电磁感应的现象称为互感现象 简称互感 由互感产生的感应电动势称为互感电动势 用eM表示 为描述一个线圈电流的变化在另一个线圈中产生互感电动势的能力 引入互感系数 简称互感 这一物理量 用M表示 互感的单位也是H 互感系数与两个线圈的匝数 几何形状 相对位置以及周围介质等因素有关 2 互感电动势的大小和方向 互感现象遵从法拉第电磁感应定律 互感电动势大小的计算式为互感电动势方向也应根据楞次定律判定 3 同名端 由于线圈绕向一致而产生感应电动势的极性始终保持一致的端子称为线圈的同名端 用 或 表示 互感线圈的同名端 4 互感线圈的连接 两个线圈的一对异名端相接称为顺串 这时两个线圈的磁通方向是相同的 串接后的等效电感 两个互感线圈顺串 两个线圈的一对同名端相接称为反串 这时两个线圈的磁通方向是相反的 串接后的等效电感 两个互感线圈反串 如果将两个相同线圈的同名端接在一起 则两个线圈所产生的磁通在任何时候都是大小相等而方向相反 因而相互抵消 这样接成的线圈就不会有磁通穿过 在绕制电阻时 将电阻线对折 双线并绕 就可以制成无感电阻 无感电阻 在有铁心的线圈中通入交流电时 就有交变的磁场穿过铁心 这时会在铁心内部产生自感电动势并形成电流 由于这种电流形如旋涡 故称涡流 一 涡流 高频感应炉冶炼金属家用电磁炉示意图涡流的利用 单层铁心涡流损耗大多层铁心涡流损耗小采用多层铁心减小涡流损耗 二 互感器 互感器有两个或两个以上绕组 它利用互感原理使交流电从一个绕组传向另一个 或几个 绕组 以实现电能或信号的 隔空 传递 多绕组变压器钳形电流表互感原理的应用示例 电流互感器电压互感器收音机中的中频变压器互感原理的应用示例 漏电保护器原理图 三极 组合式 二极 两种漏电保护器外形 三 汽车点火线圈 汽车点火线圈的外形点火线圈的电路结构 1 理解铁磁材料的磁化以及磁化曲线 磁滞回线与铁磁材料性能的关系 2 了解铁磁材料的分类及应用 3 理解磁动势和磁阻的概念及磁路欧姆定律 4 5铁磁材料与磁路 一 铁磁物质的磁化 使原来没有磁性的物质具有磁性的过程称为磁化 只有铁磁材料才能被磁化 而非铁磁性材料是不能被磁化的 这是因为铁磁物质可以看作由许多被称为磁畴的小磁体所组成 当一个线圈的结构 形状 匝数都已确定时 线圈中的磁通 随电流I变化的规律可用 I曲线来表示 称为磁化曲线 它反映了铁心的磁化过程 利用电流产生的磁场磁化铁心磁化曲线磁化实验与磁化曲线 曲线Oa段较为陡峭 随I近似成正比增加 b点以后的部分近似平坦 这表明即使再增大线圈中的电流I 也已近似不变了 铁心磁化到这种程度称为磁饱和 a点到b点是一段弯曲的部分 称为曲线的膝部 这表明从未饱和到饱和是逐步过渡的 磁化曲线 各种电器的线圈中 一般都装有铁心以获得较强的磁场 为了尽可能增强线圈中的磁场 还常将铁心制成闭合的形状 使磁感线沿铁心构成回路 磁感线沿铁心构成回路 理想情况实际情况反复磁化和磁滞回线 当线圈中电流变化到零时 由于磁畴存在惯性 铁心中的 并不为零 而是仍保留部分剩磁 如图b中的b e两点 此时必须加反向电流 并达到一定数值 图b中c f两点 才能使剩磁消失 上述现象称为磁滞 图b中的封闭曲线称为磁滞回线 铁心在反复磁化的过程中 由于要不断克服磁畴惯性将损耗一定的能量 称为磁滞损耗 这将使铁心发热 二 铁磁材料的分类 三 磁路与磁路欧姆定律 1 磁路 磁通所通过的路径称为磁路 磁电系仪表变压器电动机几种电气设备的磁路 磁路可分为无分支磁路和有分支磁路 全部在磁路内部闭合的磁通称主磁通 部分经过磁路周围物质而自成回路的磁通称为漏磁通 由于制造和结构上的原因 磁路中常有气隙 当气隙很小时 气隙中的磁感线是平行而均匀的 只有极少数磁感线扩散出去形成所谓的边缘效应 主磁通 漏磁通和边缘效应 磁阻就是磁通通过磁路时所受到的阻碍作用 用符号Rm表示 磁路中磁阻的大小与磁路的长度L成正比 与磁路的横截面积S成反比 并与组成磁路材料的磁导率有关 其公式为 2 磁路欧姆定律 通过磁路的磁通与磁动势成正比 而与磁阻成反比 称磁路欧姆定律 即如果磁路中有空气隙 由于空气隙的磁阻远比铁磁材料的磁阻大 整个磁路的磁阻会大大增加 若要有足够的磁通 就必须增大励磁电流或增加线圈的匝数 即增大磁动势 由于铁磁材料磁导率的非线性 磁阻Rm不是常数 所以磁路欧姆定律只能对磁路作定性分析 磁路和电路的比较 四 电磁铁 电磁铁是利用通有电流的铁心线圈对铁磁性物质产生电磁吸力的装置 它们都是由线圈 铁心和衔铁三个基本部分组成 马蹄式 起重电磁铁 拍合式 继电器 螺管式 电磁阀 电磁铁的几种结构形式 电磁继电器 平面磨床吸盘电磁铁和电磁吸盘 起重电磁铁 直流电磁铁和交流电磁铁的比较 本章小结 1 磁铁周围和电流周围都存在着磁场 磁感线能形象地描述磁场 是互不交叉的闭合曲线 在磁体外部由N极指向S极 在磁体内部由S极指向N极 磁感线上一点的切线方向表示该点的磁场方向 2 电流产生的磁场方向可用安培定则判断 磁场对处在其中的载流导体有作用力 其方向用左手定则判断 电磁力的大小为F BIlsin 式中 为载流直导体与磁感应强度方向的夹角 3 磁场与磁路的基本物理量见表 4 产生感应电动势的条件是线圈中的磁通发生变化或导体相对磁场运动而切割磁感线 直导体切割磁感应线产生的感应电动势方向用右手定则来判断 其大小为e Blvsin 5 楞次定律 感应电流的磁场总是阻碍原磁通的变化 法拉第电磁感应定律 线圈中感应电动势的大小与磁通的变化率成正比 即e N t 通常用此式计算感应电动势的大小 而用楞次定律来判别感应电动势的方向 6 由于线圈本身电流变化而引起的电磁感应现象称为自感 自感电动势的大小与电流