学习单元3 磁路及电磁器件.ppt

1、学习单元3 磁路及电磁器件,知识要点：,磁、磁场与磁感应线的概念。 安培定则、楞次定律和法拉第定律。 自感和互感现象及其应用。,是本章节的重点也是难点。,课题一 磁场和电磁感应,一 磁、磁场与磁感线的概念,磁是物质运动的基本形式之一。,物体能够吸引铁、镍、钴等金属或它们合金的性质叫磁性。具有磁性的物体叫磁体。磁体上磁性最强的部位叫磁极。,1、磁,任何磁体都有两个磁极，而且无论怎样把磁体分割，磁体总保持两个磁极，通常以S磁体的南极（红色），以N表示磁体的北极（常涂绿色或白色）。 磁极间的相互作用力叫磁力。 规律：同性相斥，异性相吸。,磁化：指的是原来没有磁性的铁磁物质，放在磁铁旁边会获得磁性的现

2、象。 剩磁：被磁化的铁磁物质远离磁铁后仍保留着一定的磁性。,2、磁场：磁体周围存在的一种特殊的物质叫磁场。磁体间的相互作用力是通过磁场传送的。磁体间的相互作用力称为磁场力，同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。,注意：,1、磁场是一种物质（具有力和能的性质）。,2、它没有构成物质的分子或原子。,磁场的性质：磁场具有力的性质和能量性质。 磁场方向：在磁场中某点放一个可自由转动的小磁针，它N极所指的方向即为该点的磁场方向。,磁场的力和能的性质可以通过磁场方向和强弱表示出来。,一般情况下，磁场各个的强弱和方向都是不同的。,补充：,匀强磁场 在磁场中某一区域，若磁场的大小方向都相同，这部分磁场称为匀强磁

3、场。匀强磁场的磁感线是一系列疏密均匀、相互平行的直线。,3、磁感线 就是一条条从磁体北极没磁体周围空间到磁体南极，然后再通过磁体回到北极的闭合曲线。在磁场中画一系列曲线，使曲线上每一点的切线方向都与该点的磁场方向相同。,图2-1 磁感线,图2-1 磁感线,特点：,(1) 磁感线的切线方向表示磁场方向，其疏密程度表示磁场的强弱。 (2) 磁感线是闭合曲线，在磁体外部，磁感线由N极出来，绕到S极；在磁体内部，磁感线的方向由S极指向N极。 (3) 任意两条磁感线不相交。,说明：磁感线是为研究问题方便人为引入的假想曲线，实际上并不存在。,天然磁铁：,人造磁铁,永久磁铁,扬声器尾部的圆形磁铁,电工仪表中

4、的马碲形磁铁,汽车上使用的电磁铁和电磁开关,暂时磁铁,人造磁铁,永久磁铁,人造磁铁,暂时磁铁,永久磁铁,人造磁铁,暂时磁铁,永久磁铁,暂时磁铁,永久磁铁,二 磁场的基本物理量,1磁感应强度B,磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。 B的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目，B的方向用右手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。,注意：,磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量。 磁感应强度是一个矢量，它的方向即为该点的磁场方向。在国际单位制中，磁感应强度的单位是：特斯拉(T)。 用磁感线可形象的描述磁感应强度B的大小，B较大的地方，磁场较强，磁感线较密；B较小的地方，磁场较弱，

5、磁感线较稀；磁感线的切线方向即为该点磁感应强度B的方向。,2磁通,均匀磁场中磁通等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯(Wb)。,磁通是标量，只有大小没有方向。,由磁通的定义式，可得,即磁感应强度B可看作是通过单位面积的磁通，因此磁感应强度B也常叫做磁通密度，并用Wb/m2作单位。,相对磁导率r：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质r近似为1，铁磁物质的r远大于1。,非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。,真空的磁导率,3磁导率,磁导率表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。,4磁场强度H,磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有

6、关，而与磁介质的磁导率无关，单位是安米（Am）。是为了简化计算而引入的辅助物理量。,二 电磁感应,1831年，英国科学家法拉第发现了磁能够转换为电能，也就是我们今天所要学习的电磁感应定律。,如下图3-4所示，在一个均匀磁场中放置一根导体AB，导体的两端联接一个检流计。,图3-4 电磁感应实验,当导体AB垂直切割磁感线时，可以观察到检流计指针有偏转： 说明导体回路中有电流存在 当导体AB平行于磁感线方向运动时，检流计指针不偏转； 说明导体回路不产生电流。,上述的实验现象说明： 当导体相对于磁场运动且切割磁感线或者线圈中的磁通发生变化时，在导体或线圈中都会产生感应电动势。 若导体或线圈构成闭合回路

7、，则导体或线圈中将有电流流过。,由上述实验分析我们可以知道：,产生电磁感应的条件是通过线圈回路的磁通发生变化。,我们把由于磁通变化而在导体划线圈中产生感应电动势的现象称为电磁感应，也称为“动磁生电”。 由电磁感应产生的电动势称为感应电动势； 由感应电动势产生的电流叫做感应电流。,一、直导体中的感应电动势,1、感应电动势的方向,感应电动势的方向可用图3-5所示右手定则确定，即伸平右手，拇指与其余四指垂直，让磁线穿过掌心，大拇指指向运动的方向，则四指的指向即为导体内感应电动势方向。,图3-5 右手定则,注意！,判断时，要把导体看成是一个电源，在导体内部，感应电动势的方向由负极指向正极。 感应电流的

8、方向与感应电动势的方向相同。 如果当直导体不形成回路时，导体中只产生感应电动势，不产生感应电流。,感应电动势是电源本身的特性，即只要穿过电路的磁通发生变化，电路中就有感应电动势产生，与电路是否闭合无关。,2、感应电动势的大小,设磁感应强度为B，当长度为l 的直导体以大小为v的线速度切割磁感线时， l中产生的感应电动势公式为,当导体的运动方向与磁感线垂直时，e最大；当导体的运动方向与磁感线平行时，e最小。,二、线圈中的感应电动势,1、感应电动势的方向,当线圈中的磁通量发生变化时，线圈中就会产生感应电动势。,感应电动势的方向由楞次定律和右手螺旋定则来确定。,实验证明：感应电流产生的磁通总是企图阻碍

9、原磁通的变化。（也就是彼消此长）,注意！,感应电流产生的磁通总是企图阻碍原磁通的变化，而不是阻碍原磁通存在。,如果原磁通要增加，则感应电流产生的磁通方向与原磁通方向相反。,如果原磁通量要减少，感应电流产生的磁通方向与原磁通一致。,如果线圈中原来的磁通量不变，则感应电流为零。,利用楞次定律判断感应电流方向的步骤：,（1）先确定原磁场的方向及其变化趋势； （2）由楞次定律确定感应电流的磁通方向与原磁通同向还是反向； （3）根据感应电流产生的磁通方向，用右手螺旋定则确定感应电流的方向。,2、感应电动势的大小,法拉第通过实验发现线圈中感应电动势的大小与下列因素有关： （1）在一定的时间内，与线圈交链的

10、磁通的变化量越大，感应电动势越大； （2）在磁通变化量一定的条件下，这种变化所经历的时间越短感应电动势越大； （3）在其它条件不变的情况下，线圈的匝数越多感应电动势越大。,感应电动势公式为,e 电动势，单位：伏（V）,式中， 磁通，单位：韦伯（Wb）,t 时间，单位：秒（S）,e 电动势，单位：伏（V）,式中， 磁通，单位：韦伯（Wb）,t 时间，单位：秒（S）,e 电动势，单位：伏（V）,式中， 磁通，单位：韦伯（Wb）,电动势的方向,式中的负号说明e的方向是阻碍磁通变化的，称为楞次定律。,（1）磁通方向和线圈绕向如图所示，当磁通 减小时， 电动势方向由A指向B。,例：在下图中，设匀强磁场的

11、磁感应强度B为0.1 T，切割磁感线的导线长度l为40 cm，向右运动的速度v为5 m/s，整个线框的电阻R为0.5 ，求： (1) 感应电动势的大小； (2) 感应电流的大小和方向； (3) 使导线向右匀速运动所需的外力； (4) 外力做功的功率； (5) 感应电流的功率。,解：(1) 线圈中的感应电动势为,(2) 线圈中的感应电流为,由右手定则可判断出感应电流方向为abcd。,(3) 由于ab中产生了感应电流，电流在磁场中将受到安培力的作用。用左手定则可判断出ab所受安培力方向向左，与速度方向相反，因此若要保证ab以速度v匀速向右运动，必须施加一个与安培力大小相等，方向相反的外力。所以，外

12、力大小为,外力方向向右。,(4) 外力做功的功率为,(5) 感应电流的功率为,可以看到，P = P，这正是能量守恒定律所要求的。,2. 自感与互感,一、自感,1、自感现象,图2-6 自感实验电路,当线圈中的电流变化时，线圈本身就产生了感应电动势，这个电动势总是阻碍线圈中电流的变化。这种由于线圈本身电流发生变化而产生电磁感应的现象叫自感现象，简称自感。在自感现象中产生的感应电动势，叫自感电动势。,A1、A2是规格完全一样的灯泡。闭合电键S，调节变阻器R，使A1、A2亮度相同，再调节R1，使两灯正常发光，然后断开开关S。重新闭合S，观察到什么现象？（实验反复几次）,现象：跟变阻器串联的灯泡A2立刻

13、正常发光，跟线圈L串联的灯泡A1逐渐亮起来。,电路图（如图所示）接通电路，待灯泡A正常发光。然后断开电路，观察到什么现象？,现象：S断开时，A灯突然闪亮一下才熄灭。,为什么A灯不立刻熄灭？,当S断开时，L中的电流突然减弱，穿过L的磁通量逐渐减少，L中产生感应电动势，方向与原电流方向相同，阻碍原电流减小。L相当于一个电源，此时L与A构成闭合回路，故A中还有一段持续电流。灯A闪亮一下，说明流过A的电流比原电流大。,2、自感系数,当电流流过回路时，回路中产生磁通，叫自感磁通，用 L表示。当线圈匝数为N时，线圈的自感磁链为,L = NL,同一电流流过不同的线圈，产生的磁链不同，为表示各个线圈产生自感磁

14、链的能力，将线圈的自感磁链与电流的比值称为线圈的自感系数，简称电感，用L表示,即L是一个线圈通过单位电流时所产生的磁链。 电感的单位是亨利(H)以及毫亨(mH)、微亨(H)，它们之间的关系为,电感的大小与线圈的匝数、形状、大小及周围磁介质的磁导率有关。,给定的空心线圈，电感是个常数，不随线圈中外电流大小而变化，称为线性电感。铁磁材料的磁导率不是常数，所以铁心线圈的电感随外电流的变化而变化，称为非线性电感。,3、自感电动势大小,由电磁感应定律，可得自感电动势,将,代入，则,自感电动势的大小与线圈中电流的变化率成正比。当线圈中的电流在1 s内变化1 A时，引起的自感电动势是1 V，则这个线圈的自感

15、系数就是1 H。,4、自感现象的应用,自感现象在各种电器设备和无线电技术中有着广泛的应用。日光灯的镇流器就是利用线圈自感的一个例子。,图2-7 日光灯电路图,工作原理 当开关闭合后，电源把电压加在起动器的两极之间，使氖气放电而发出辉光，辉光产生的热量使U形片膨胀伸长，跟静触片接触而使电路接通，于是镇流器的线圈和灯管的灯丝中就有电流通过。电流接通后，启动器中的氖气停止放电，U形触片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开。在电路突然断开的瞬间，镇流器的两端产生一个瞬时高压，这个电压和电源电压都加在灯管两端，使灯管中的水银蒸汽开始导电，于是日光灯管成为电流的通路开始发光。在日光灯正常发光时，与灯管串联

16、的镇流器就起着降压限流的作用，保证日光灯的正常工作。,自感的危害,自感现象也有不利的一面。在自感系数很大而电流又很强的电路中，在切断电源瞬间，由于电流在很短的时间内发生了很大变化，会产生很高的自感电动势，在断开处形成电弧，这不仅会烧坏开关，甚至会危及工作人员的安全。因此，切断这类电源必须采用特制的安全开关。,二、互感,由于一个线圈的电流变化，导致另一个线圈产生感应电动势的现象，称为互感现象。在互感现象中产生的感应电动势，叫互感电动势。,互感现象,互感系数,N1、N2分别为两个线圈的匝数。当线圈中有电流通过时，产生的自感磁通为 11，自感磁链为 11 = N111。11的一部分穿过了线圈，这一部

17、分磁通称为互感磁通 21。同样，当线圈通有电流时，它产生的自感磁通 22有一部分穿过了线圈，为互感磁通 12。,设磁通 21穿过线圈的所有各匝，则线圈的互感磁链 21 = N221 由于21是线圈中电流i1产生的，因此 21是i1的函数，即 21 = M21 i1 M21称为线圈对线圈的互感系数，简称互感。,同理，互感磁链 12 = N112 是由线圈中的电流i2产生，因此它是i2的函数，即 12 = M12 i2 可以证明，当只有两个线圈时，有,在国际单位制中，互感M的单位为亨利(H)。 互感M取决于两个耦合线圈的几何尺寸、匝数、相对位置和媒介质。当媒介质是非铁磁性物质时，M为常数。,互感电

18、动势的应用,互感现象在电工和电子技术中应用非常广泛，如电源变压器，电流互感器、电压互感器和中周变压器等都是根据互感原理工作的。,同名端,所谓同名端就是在任何瞬间通入相同的磁通产生的感应电动势的极性始终保持一致的端点。,图2-8 互感线圈的极性,(1) 当i增大时，它所产生的磁通 1增加，L1 中产生自感电动势，L2中产生互感电动势，这两个电动势都是由于磁通 1的变化引起的。根据楞次定律可知，它们的感应电流都要产生与磁通 1相反的磁通，以阻碍原磁通 1的增加，由安培定则可确定L1、L2中感应电动势的方向，即电源的正、负极，标注在图上，可知端点1与3、2与4极性相同。,(2) 当i减小时，L1、L

19、2中的感应电动势方向都反了过来，但端点1与3、2与4极性仍然相同。,(3) 无论电流从哪端流入线圈，1与3、2与4的极性都保持相同。,这种在同一变化磁通的作用下，感应电动势极性相同的端点叫同名端，感应电动势极性相反的端点叫异名端。,同名端的表示法,在电路中，一般用“ ”表示同名端，如图2-9所示。在标出同名端后，每个线圈的具体绕法和它们之间的相对位置就不需要在图上表示出来了。,图2-9 同名端表示法,同名端的判定,(1) 若已知线圈的绕法，可用楞次定律直接判定。 (2) 若不知道线圈的具体绕法，可用实验法来判定。,2-10是判定同名端的实验电路。当开关S闭合时，电流从线圈的端点1流入，且电流随

20、时间在增大。若此时电流表的指针向正刻度方向偏转，则说明1与3是同名端，否则1与3是异名端。,2-10 判定同名端实验电路,涡流,把块状金属放在交变磁场中，金属块内将产生感应电流。这种电流在金属块内自成回路，象水的旋涡，因此叫涡电流，简称涡流。,由于整块金属电阻很小，所以涡流很大，不可避免地使铁心发热，温度升高，引起材料绝缘性能下降，甚至破坏绝缘造成事故。铁心发热，还使一部分电能转换为热能白白浪费，这种电能损失叫涡流损失。,在电机、电器的铁心中，完全消除涡流是不可能的，但可以采取有效措施尽可能地减小涡流。为减小涡流损失，电机和变压器的铁心通常不用整块金属，而用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压制成。这样涡

21、流被限制在狭窄的薄片内，回路电阻很大，涡流大为减小，从而使涡流损失大大降低。 铁心采用硅钢片，是因为这种钢比普通钢电阻率大，可以进一步减少涡流损失，硅钢片的涡流损失只有普通钢片的1/5 1/4。,涡流的应用,在一些特殊场合，涡流也可以被利用，如可用于有色金属和特种合金的冶炼。利用涡流加热的电炉叫高频感应炉，它的主要结构是一个与大功率高频交流电源相接的线圈，被加热的金属就放在线圈中间的坩埚内，当线圈中通以强大的高频电流时，它的交变磁场在坩埚内的金属中产生强大的涡流，发出大量的热，使金属熔化。,课题二 铁磁性材料的磁性能,一、铁磁材料的磁性能,在外磁场的作用下能产生远远大于外磁场的附加磁场。,高导

22、磁性,铁磁材料,磁滞性,磁饱和性,磁感应强度B的变化总是滞后磁场强度H的变化,当外磁场增加到一定的数值时，即使外磁场再增加，附加磁场也不会再增加，这是B达到最大值。,高导磁性,磁饱和性,磁滞性,高导磁性,磁饱和性,在外磁场的作用下能产生远远大于外磁场的附加磁场。,当外磁场增加到一定的数值时，即使外磁场再增加，附加磁场也不会再增加，这是B达到最大值。,磁感应强度B的变化总是滞后磁场强度H的变化,二、铁磁材料的分类,软磁材料,特点：磁导率很大，容易磁化，也容易去磁。,硬磁材料,矩磁材料,特点：不易磁化，也不易去磁。,特点：在很小的外磁场作用下就能磁化，并达到饱和，有去掉外磁场后，磁性不变。,课题三

23、 磁路及磁路欧姆定律,一、电流的磁场,当导线通入电流时，放在导线旁边的磁针会受到力的作用而偏转。,表明通电导线的周围存在着磁场，电与磁是有密切联系的。,1、通电直导线周围的磁场,通电直导线周围磁场的磁感线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在与导线垂直的平面上。如下图所示：,图2-2 通电直导线的磁场,图2-2 通电直导线的磁场,实验表明，改变电流的方向，各点的磁场方向都随之改变。,直线电流所产生的磁场方向可用安培定则来判定，方法是：用右手握住导线，让拇指指向电流方向，四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。,2、通电线圈的磁场,把直导线绕成螺线管线圈为，并通入电流，结果通电线圈产生类似

24、条形磁铁的磁场，也就是，在线圈外部，磁感线从N极出来进入S极，在内部，磁感线的方向由S极指向N极，关和外部的磁感线形成闭合曲线。,图2-3 通电线圈的磁场,实验证明:通电线圈磁场的强弱，不仅与线圈的电流大小有关，而且还与线圈的匝数有关，即与线圈的电流和匝数的乘积成正比。,螺线管通电后，磁场方向仍可用安培定则来判定：用右手握住螺线管，四指指向电流的方向，拇指所指的就是螺线管内部的磁感线方向。,二、电磁力,磁场对放在其中的通电直导线有力的作用，这个力称为安培力。,(1)当电流I的方向与磁感应强度B垂直时，导线受安培力最大，根据磁感应强度,1、磁场对通电直导体的作用。,(2) 当电流I的方向与磁感应

25、强度B平行时，导线不受安培力作用。,(3) 如图2-2所示，当电流I的方向与磁感应强度B之间有一定夹角时，可将B分解为两个互相垂直的分量：,图2-2 磁场对直线电流的作用,图2-2 磁场对直线电流的作用,一个与电流I平行的分量，B1 = Bcos；另一个与电流I垂直的分量，B2 = Bsin。B1对电流没有力的作用，磁场对电流的作用力是由B2产生的。因此，磁场对直线电流的作用力为,当 = 90时，安培力F最大；当 = 0时，安培力F = 0。,公式中各物理量的单位均采用用国际单位制： 安培力F的单位用牛顿(N)； 电流I的单位用安培(A)； 长度l的单位用米(m)； 磁感应强度B的单位用特斯拉

26、(T)。,左手定则,安培力F的方向可用左手定则判断：伸出左手，使拇指跟其他四指垂直，并都跟手掌在一个平面内，让磁感线穿入手心，四指指向电流方向，大拇指所指的方向即为通电直导线在磁场中所受安培力的方向。,由左手定则可知：F B，F I，即F垂直于B、I所决定的平面。,将一矩形线圈abcd放在匀强磁场中，如图2-3所示，线圈的顶边ad和底边bc所受的磁场力Fad、Fbc大小相等，方向相反，在一条直线上，彼此平衡；而作用在线圈两个侧边ab和cd上的磁场力Fab、Fcd虽然大小相等，方向相反，但不在一条直线上，产生了力矩，称为磁力矩。,2、磁场对通电线圈的作用,图2-3 磁场对通电矩形线圈的作用力,这

27、个力矩使线圈绕OO 转动，转动过程中，随着线圈平面与磁感线之间夹角的改变，力臂在改变，磁力矩也在改变。,当线圈平面与磁感线平行时，力臂最大，线圈受磁力矩最大； 当线圈平面与磁感线垂直时，力臂为零，线圈受磁力矩也为零。,课题四 变压器,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。,变压器的主要功能有：,在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及负载功率因数cos 一定时：,电能损耗小,节省金属材料（经济）,U I,P = I Rl,I S,变压器的种类,一、变压器的结构,变压器的磁路,变压器的电路,二、 变压器的的工作原理,1、变压原理,原绕组匝数为N1，电压u1，电流i

28、1，主磁电动势e1 ，漏磁电动势e1；副绕组匝数为N2 ，电压u2 ，电流i2 ，主磁电动势e2 ，漏磁电动势e2 。,空载运行：,原绕组接交流电源，副绕组开路。,原副绕组同受主磁通作用，所以在两个绕组中产生的感应电动势,原、副绕组上产生的感应电动势的有效值为,忽略电阻R1和漏抗X1的电压，则：,k称为变压器的变比。,变压器空载时:,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,三、变压器变换电流的作用,有载运行,使原绕组接通电源，副绕组接通负载。,设变压器的副绕组向负载输出的功率为 而变压器的原绕组从电源获得的功率为 。忽略变压器本身的损耗，根据能量守恒定律,。由交流电功率公式,可得，,叫做变压器的

29、变流比，这说明变压器具有变流作用。,四、变压器阻抗变换的作用,由图可知：,结论： 变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K 2 倍。,+,+,解：（1）负载直接接信号源时，负载获得功率为： （2）最大输出功率时，折算到原绕组应等于。负载获得的最大功率为： 变压器变比为：,4. 变压器的的损耗和效率,（1）输入功率,（2）输出功率,（3）变压器的损耗,（4）额定容量,（5）变压器的效率,变压器型汽车电路,低压直流日光灯电路,低压直流日光灯具有光色均匀柔和、发光效率高、省电的优点。,车用日光灯电路工作原理如图所示。,课题五 几种特殊的变压器,一、自耦变压器,图3-16 自耦调压器,二、电流互感器 1电流互感器结构和原理,（a） （b） 图3-18 电流互感器 （a）电流互感器外形 （b）电流互感器接线图及符号,2 使用注意事项：,1） 副边不能开路，以防产生高电压； 2） 铁心、低压绕组的一端 接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。,图3-19 钳形电流表测量状态及结构原理图,3钳形电流表（电流互感器的一种变形） 4脉冲变压器 脉冲变压器是用来变换脉冲电压的，其作用是将输入的脉冲电压（不连续变化的电压）经变压器变