《电工技术基础与技能》项目五 磁场和磁路的认知

电工技术基础与技能【任务目标】1．了解直线电流、环形电流以及螺线管电流的磁场，会用右手定则判断其磁场的方向;2.理解磁感应强度、磁通、磁导率、磁场强度的概念;3.了解匀强磁场的性质及有关计算;4.掌握磁场对电流作用力的有关计算及方向的判断，了解磁场对通电线圈的作用;5.了解铁磁性物质的磁化及磁化曲线，理解磁滞回线的含义;6.了解磁路及其相关物理量;7.学会拆装小型变压器。

项目五.磁场和磁路电工技术基础与技能5.1.1磁场的方向和磁感线

（1）磁场：磁体的周围空间中存在着磁场，磁场是一种以场的形式存在的物质，磁极之间通过磁场产生相互作用的力。（2）磁场的方向：在磁场中任一点，小磁针静止，N极所指的方向为该点的磁场方向。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.1磁场的方向和磁感线（3）磁感线：在磁场中画出一些曲线，在曲线上每一点的切线方向都与该点的磁场方向相同，如右图所示。5.1电流的磁效应磁感线的特点：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，即磁感线越密集的地方磁场越强，越稀疏的地方磁场越弱；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。电工技术基础与技能5.1.2电流的磁场（1）电流的磁效应：除了磁体周围存在磁场，电流也能产生磁场。丹麦物理学家奥斯特通过实验发现，通电导线周围的小磁针会发生偏转，如下图所示，即任何通有电流的导线，都可以在其周围空间产生磁场。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.2电流的磁场（2）磁场方向的判断——安培定则1）直线电流的磁场方向：用右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向跟电流方向一致，弯曲的四指所指的方向即为磁感线的环绕方向。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.2电流的磁场（2）磁场方向的判断——安培定则2）环形电流的磁场方向：让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁感线的方向。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.2电流的磁场（2）磁场方向的判断——安培定则3）通电螺线管的磁场方向：用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指方向跟电流的方向一致，那么大拇指所指方向就是螺线管内部磁感线的方向。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.3磁场的主要物理量（1）磁感应强度1）磁场的基本特性：磁场对其中的电流有力的作用，这种力称为磁场力（或叫电磁力、安培力）5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.3磁场的主要物理量（1）磁感应强度2）磁感应强度的定义：直导线所受的磁场力F与电流I和导线长度l的乘积Il的比值称为通电导线所在处的磁感应强度。磁感应强度用B表示，其大小5.1电流的磁效应B

=注意：磁场的定义式代表直线电流垂直于磁场的特殊情况！单位：F——N（牛顿），I——A（安培），l——m（米），B——T（特斯拉）3）物理意义：磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量。

4）矢量性：磁感应强度是一个矢量，它的方向即为该点的磁场方向。

电工技术基础与技能5.1.3磁场的主要物理量（1）磁感应强度5）匀强磁场的B及磁感线特点：匀强磁场中各点的磁感应强度大小和方向均相同，其磁感线为分布均匀的平行直线。比如U型磁铁两极间的部分区域，就可以看作匀强磁场，如图所示。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.3磁场的主要物理量5.1电流的磁效应（2）磁通1）定义：在磁感应强度为B的匀强磁场中取一个与磁场方向垂直，面积为S的平面，则B与S的乘积，称为穿过这个平面的磁通量

，简称磁通。公式：Φ

=B

S该公式成立的条件：一是穿过此平面的磁场为匀强磁场，二是该匀强磁场与平面垂直。公式中各量的国际单位：——Wb（韦伯），

B——T（特斯拉），S——m2（平方米）2）标量性：磁通是一个标量。3）磁通密度：由磁通的定义式可知，B

=，即B可看作单位面积的磁通，因此磁感应强度通常也称为磁通密度。电工技术基础与技能5.1.3磁场的主要物理量（2）磁通5.1电流的磁效应【例题】在0.5T的匀强磁场中，放入20cm2的线框，分别求出当线框平面与磁场方向垂直和平行时穿过线框的磁通。解：当线框平面与磁场方向垂直时，磁通Φ

=B

S=0.5×20×10－4Wb=1×10－3Wb当线框平面与磁场方向平行时，磁场没有穿过线框平面，因而磁通为零。电工技术基础与技能5.1.3磁场的主要物理量5.1电流的磁效应（3）磁导率1）物理意义：描述不同媒介质的导磁性能，磁导率越大代表导磁能力越强。2）大小：真空中的磁导率µ0

：µ0

=4

10-7

H/m相对磁导率µr：其他媒介质的磁导率与真空中磁导率的比值称为相对磁导率（无单位）µr=3）根据相对磁导率对物质进行分类：µr＜1 反磁性物质；µr＞1 顺磁性物质；µr»1 铁磁性物质。前面两种为非铁磁性物质µr1，铁磁性物质µ不是常数。电工技术基础与技能5.1.3磁场的主要物理量（3）磁导率5.1电流的磁效应材料相对磁导率材料相对磁导率汞0.999971铝1.000022银0.999974铂1.00026铅0.999982钴174真空1镍1120空气1.00000004已经退火的铁7000钠1.0000072镍铁合金60000不同材料的相对磁导率电工技术基础与技能5.1.3磁场的主要物理量5.1电流的磁效应（4）磁场强度1）定义：磁场强度等于磁场中某点的磁感应强度B与媒介质磁导率

µ的比值公式：H=单位：H——A/m（安/米），B——T（特斯拉）µ——

H/m（亨/米）2）H的矢量性：磁场强度是一个矢量，它的方向即为该点的磁场方向。3）物理意义：描述磁场的强弱和方向。

4）与磁感应强度的区别：磁感应强度与媒介质有关，而磁场强度与媒介质无关。

电工技术基础与技能5.1.4磁场对通电导线的作用力（1）磁场力的大小1）直线电流与磁场方向垂直时：根据公式B

=可知磁场力的大小为F

=

B

I

l。该公式成立的条件：

一是电流置于匀强磁场中，二是该电流垂直于磁场。

2）直线电流与磁场平行时：

不受磁场力，即F=0。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.4磁场对通电导线的作用力（1）磁场力的大小3）直线电流与磁场间有一个夹角θ时：如图所示，可运用平行四边形法则将磁感应强度B分解为平行于磁场和垂直于磁场两个方向，B1=B

cos

，B2

=Bsin。B1对通电导线没有作用力，因而通电导线的受力由B2决定，即F

=

B2Il=B

Il

sin

当

B、

I、l均确定时，磁场力的大小随电流与磁场的夹角

变化。当

=时，sin

=1，此时磁场力最大，F

=BIl；当

=

0时，sin

=0，此时磁场力最小，F

=0；当

介于二者之间时，磁场力随

增大而增大。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.4磁场对通电导线的作用力（2）磁场力的方向1）电流方向与磁场方向垂直：可直接用左手定则来判定磁场力的方向。如图所示，伸出左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，让磁感线垂直进入手心，并使四指指向电流方向，这时手掌所在的平面与磁感线和导线所在的平面垂直，大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中受力的方向。

2）电流方向与磁场方向不垂直：先用平行四边形的分解方法将磁感应强度分解为与电流平行和与电流垂直两个方向，针对与电流垂直的分量运用左手定则来判定磁场力的方向。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.4磁场对通电导线的作用力（3）磁电式电流表如图所示，电流表内部的矩形线圈abcd置于匀强磁场内，一旦通电，线圈相对的两条边ab和cd将受到一对磁场力而使线圈发生偏转，从而带动指针偏转。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.5铁磁性物质的磁化曲线（1）磁化：使原来不具有磁性的物质获得磁性的过程称为磁化。（2）发生磁化的条件：只有铁磁性物质才能被磁化。（3）发生磁化的原因：铁磁性物质内部可分为许多小的区域，每一个小区域就叫做一个磁畴，每一个磁畴就如同一个小磁铁，有自己的磁场。一般情况下，各个磁畴的方向不同，磁场相互抵消，所以整个材料对外就不显磁性。当各个磁畴的方向趋于一致时，整块材料对外就显示出磁性。磁化就是要让磁性材料中磁畴的方向变得一致。当对外不显磁性的材料被放进另一个强磁场中时，就会被磁化。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.5铁磁性物质的磁化曲线（4）永久磁铁：有些铁磁性物质在磁场中被磁化后，即便去掉外磁场，磁畴也基本保持取向一致，对外仍显示出磁性，这就成了永久磁铁。（5）磁化曲线：用图形来表示某种铁磁材料在磁化过程中磁感强度B与磁场强度H之间关系的一种曲线，叫做磁化曲线，又叫B-H曲线，如图所示。5.1电流的磁效应曲线表明，

µ不是一个常数。当H逐渐增大时，B也增加，但上升段缓慢(oa段)；当H继续增大时，B急骤增加，几乎成直线上升(ab段)；当H进一步增大时，B的增加又变得缓慢；达到c点以后，H值即使再增加，B却几乎不再增加，即达到了饱和。在磁化曲线中，已知H的值就可查出对应的B的值，因此在计算介质中的磁场问题时，磁化曲线是一个很重要的依据。不同的铁磁材料有着不同的磁化曲线，其B的饱和值也不相同。电工技术基础与技能5.1.5铁磁性物质的磁化曲线不同的铁磁材料有着不同的磁化曲线，其B的饱和值也不相同，如图所示，相同的磁场强度下，硅钢片的磁感应强度大于铸钢和铸铁，即硅钢片的导磁性能较好。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.6磁滞回线（1）剩磁：如图所示，实验表明，当B随H沿起始磁化曲线OM达到饱和值以后，逐渐减小H的数值，B并不是沿起始磁化曲线减小，而是沿另一条曲线MR下降。当H减至零时，B的值并不等于零而是到达R点，说明铁磁材料中依然保留有一定的磁性，称为剩磁，用Br表示。5.1电流的磁效应（2）矫顽磁力：若要消除剩磁，必须外加反方向的磁场，随着反向磁场逐渐增强，铁磁性物质逐渐退磁，当反向磁场增大到Hc时，B减小为零，剩磁完全消失，图中RC段称为退磁曲线，Hc称为矫顽磁力。电工技术基础与技能5.1.6磁滞回线（3）磁滞回线：当反向磁场继续增大，B将随之由零开始反向增大直至饱和，若反向磁场减小，则B-H曲线将沿M’R’变化，即H减为零，B不为零，此时再加正向磁场来消除剩磁，曲线沿R’C’变化，继续增加正向磁场，曲线将沿C’M变化。如此循环，得到一个封闭的对称于原点的闭合曲线，称为磁滞回线。（4）磁滞现象：在整个变化过程中，B的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.6磁滞回线当交变磁场强度H的幅值发生变化，就可相应得到大小不同的磁滞回线，如图所示。将各条磁滞回线的顶点相连，得到的一条曲线就称之为基本磁化曲线。由于大多数铁磁性物质是工作在交变磁场中的，基本磁化曲线能较好地反映铁磁材料的基本性能，因此非常重要。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.7铁磁性物质的分类（1）磁滞损耗：铁磁性物质内部的磁畴在反复交变磁化的过程中要来回翻转，因此会损耗一些能量，这种损耗称为磁滞损耗。（2）磁滞回线包围的面积越大，磁滞损耗就会越大。（3）铁磁性物质的分类：根据磁滞回线的不同形状，一般将铁磁性材料分为硬磁材料、软磁材料和矩磁材料。5.1电流的磁效应电工技术基础与技能5.1.7铁磁性物质的分类5.1电流的磁效应铁磁性物质分类磁滞回线特征典型材料主要用途硬磁材料宽而平，包围面积较大需要较强的外磁场才能使其磁化，而且不易退磁，剩磁较强，所需矫顽磁力较大钨钢、铬钢、钴钢等永久磁铁软磁材料窄而陡，包围面积小剩磁和矫顽磁力都较小，较易被磁化也易去磁硅钢、坡莫合金等制作电动机、变压器和高精度交流仪表的铁心矩磁材料呈矩形在很弱的外磁场作用下就能被磁化，并达到磁饱和，当撤掉外磁场后，磁性仍然保持与磁饱和状态相同锰镁铁氧体及锂锰铁氧体等制造计算机中存储元件的环形磁心电工技术基础与技能5.1.7铁磁性物质的分类按磁滞回线形状不同，分为以下几类：5.1电流的磁效应硬磁材料软磁材料矩磁材料电工技术基础与技能5.2.1磁路5.2磁路的基本概念（1）主磁通：当线圈中通以电流后，大部分磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路，这部分磁通称为主磁通。（2）漏磁通：有一小部分磁通没有经过工作气隙和衔铁，而是经过空气自成回路，这部分磁通称为漏磁通。（3）磁路：磁通经过的闭合路径称为磁路。（4）分类：无分支磁路和有分支磁路。有分支磁路如右图所示。电工技术基础与技能5.2.2磁路中的物理量5.2磁路的基本概念（1）磁动势：通过线圈的电流与线圈匝数的乘积称为磁动势，用符号Em表示，单位为A（安）。如果用N表示线圈的匝数，I表示通过线圈的电流，则磁动势为Em=NI（2）磁阻：表示磁通通过磁路时所受到的阻碍作用，用符号Rm表示。磁路中的磁阻大小与磁路的长度l成正比，与磁路的横截面积A成反比，并与组成磁路的材料的性质有关，写成公式为

式中，当l、μ、A都带国际单位计算时，磁阻Rm的单位为1/H。电工技术基础与技能5.2.2磁路中的物理量5.2磁路的基本概念磁路中的某些物理量与电路中的某些物理量有对应关系，同时磁路中某些物理量之间与电路中某些物理量之间也有相似的关系，下表列出了磁路与电路对应的物理量及其关系式。电工技术基础与技能1.变压器的拆解任务实施：小型简易变压器的