电机及电气控制技术教案：第1讲

****学院单元教学设计****学年第**学期课程名称：电机与电气控制技术授课班级：****任课教师：所在系部及教研室：研室

第1讲标题：电磁学基础（2学时）授课班级上课时间上课地点多媒体教室教学目的磁场的产生及衡量磁场的物理量；物质磁化的过程及常用的铁磁材料；电磁感应定律、电磁力定律等基本知识。教学目标能力（技能）目标知识目标会应用“右手定则”判断导体切割磁场产生感应电动势方向会应用“左手定则”判断通电导体在磁场中的受力方向了解磁场的产生；了解铁磁材料的磁化过程及特点；理解电磁感应定律；理解电磁力定律。重点难点及解决方法重点：电磁场的产生、电磁感应定律、电磁力定律。难点：同上方法：利用实物进行演示，观察电磁转化现象。参考资料【步骤一】说明主要教学内容、目的（时间：3分钟）磁场的产生及衡量磁场的物理量；物质磁化的过程及常用的铁磁材料；电磁感应定律、电磁【步骤二】新知识讲解（时间：80分钟）一、磁场磁场是如何产生的？磁场分为永久磁体磁场和电磁场。永久磁体磁场是指自然界中被磁化的能永久保持稳定磁场的物质。常见的一块条形永久磁铁具有N极和S极，在其内部及四周存在着磁场，磁力线分布如图1-1所示。磁力线构成一个闭合的环路，磁力线的切线方向表示磁场方向，磁极外部由N及到S极，磁极内部由S极到N极。磁力线越密集处，磁场越强，可知磁极端部磁场磁场最强。通电导线的四周会产生磁场，如图1-2所示。将一根导线垂直穿过纸板。纸板上撒上一些铁屑，然后使电流通过导线，并轻敲纸板，铁屑在磁场的作用下，会有规则的围绕导线形成许多同心圆，用小磁针测定，小磁针的N极指向磁力线的切线方向。若导线中电流方向改变，小磁针的方向也随之改变，这说明通电导线四周有磁场产生，磁场的方向按右手定则判断，如图1-3所示，用右手握住导线并把大姆指伸出，使大姆指指向电流方向，则环绕导线的四指方向就是通电导线周围磁场的方向。在电机中需要的磁场一般不是用永久磁铁产生的，而是采用通电线圈产生的。通电的空心螺旋线圈产生磁场情况如图1-4所示。应用右手螺旋定则来判断磁场，即弯曲的四指与线圈电流方向一致，则大拇指的指向就是磁场的N极。一般在通电的空心螺旋线圈中加入铁心，可以使磁通集中在铁心中，减小了磁路的磁阻，在交直流电机以及变压器中有广泛的应用。如图1-5所示为通电的电磁线圈中磁场情况。在电磁学中，一般用磁感应强度来表征磁场的强弱和方向，常用符号B表示。磁感应强度（magneticfluxdensity），描述磁场强弱和方向的基本物理量，是矢量，也被称为磁通量密度或磁通密度。磁感应强度B在数值上等于垂直于磁场方向长1m，电流为1A的导线所受磁场力的大小，即B=F/IL。物理单位为特斯拉，常用符号T表示。二、磁化及铁磁材料1.磁化和退磁日常生活中常见的缝衣针、螺丝刀等钢铁物体，与磁铁接触后就会显示出磁性，我们把钢性材料与磁铁接触后显示出磁性的现象称之为磁化。原来有磁性的物体，经过高温、剧烈震动或者逐渐减弱的交变磁场的作用，就会失去磁性，这种现象叫做退磁。（1）铁磁性物质的磁化当把一根铁棒插入通有电流的线圈时，可以发现铁棒能够吸引铁屑，这是由于铁棒被磁化的缘故。所谓磁化是指使原来没有磁性的物质具有磁性的过程。只有铁磁性物质能够被磁化，非铁磁性物质不能被磁化。铁磁性物质能够被磁化的主要原因是其内部存在大量的磁性小区域，即磁畴。在无外磁场作用时，铁磁物质中磁畴的排列杂乱无章，磁性相互抵消，物质对外界并不显磁性。但是，在外磁场作用下，磁畴将沿着磁场的方向排列，从而产生附加磁场，如图1-6所示。附加磁场与外磁场叠加在一起，使得总磁场增强。有些铁磁性物质在去掉外磁场后对外仍显磁性，于是它们变成了永久磁铁。（2）磁化曲线铁磁性物质在外磁场作用下，其内部将产生磁场。表征铁磁性物质内磁感应强度B随外磁场强度H变化的曲线，称为磁化曲线，也称为B-H曲线。如果铁磁性物质从完全无磁的状态进行磁化所得到的磁化曲线称为起始磁化曲线。磁化曲线是非线性的。起始磁化曲线应经过坐标原点，如图1-7所示。在磁化曲线起始的0a段，曲线上升缓慢，这是由于铁磁物质内部磁畴的惯性造成的，这个阶段称为起始磁化阶段。随着H的增大，B也增大，磁化曲线中ab段的变化接近于直线，这是由于大量的磁畴在外磁场作用下沿着磁场的方向排列，附加磁场增强。然后，在bc段，随着H的增大，B也增大，但增大的速度变慢，这是由于铁磁性物质内部只剩下了少数的磁畴。最后，在cd段，由于铁磁性物质几乎全部被磁化，继续增大H，B几乎没有变化，即B达到了饱和值。不同的铁磁性物质具有不同的磁化曲线。（3）磁滞回线上面介绍的磁化曲线只反映了铁磁性物质在外磁场由零逐渐增强时的磁化过程。但是，在实际使用中，许多铁磁性材料往往工作在大小和方向交替变化的磁场中，这时由于铁磁性物质具有滞后效应和粘滞性，使得B的值不仅与相应的H有关，还与物质之前的磁化状态有关。实验表明，如果B达到饱和值后，逐渐减小H，这时B并不是沿着图1-7中的磁化曲线减小，而是沿着另一条曲线下降，如图1-8所示的de段。当H减小至零时，B的值不是零，而是Br，Br称为剩磁。为了消除剩磁，必须施加反向的磁场。当反向磁场由零增大到Hc时，B的值为零。Hc称为矫顽力，它反映了铁磁性物质保持剩磁的能力。继续增大反向磁场，B的值将从零变为负值，即B的方向发生改变，铁磁性物质被反向磁化。反向磁化使B达到饱和值后，减小反向磁场，磁化曲线将沿gk段变化，在k点处H为零。继续增大正向磁场，磁化曲线将沿khd变化。从磁化的整个过程可以看出，B的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。磁化过程所形成的闭合的、对称于原点的曲线defgkhd，称为磁滞回线。2.铁磁材料铁、钴、镍以及它们的合金，还有一些氧化物，磁化后的磁性比其他物质强得多，这些物质叫做铁磁性物质，也叫强磁性物质。铁磁性物质的结构与其他物质有所不同，一般物质是由原子构成的，原子是由原子核和电子构成，电子绕原子核旋转。铁磁性物质内部的电子自旋，可以在小范围内自发的排列起来，形成一个自发的磁化区，这就相当于一个小磁体，称之为磁畴。磁化前，各个磁畴的磁化方向不同，杂乱无章地混在一起，各个磁畴的作用在宏观上互相抵消，物体对外不显磁性。磁化过程中，由于外磁场的影响，磁畴的磁化方向有规律地排列起来，使得磁场大大加强。这个过程就是磁化的过程。高温下，磁性材料的磁畴会被破坏．在受到剧烈震动时，磁畴的排列会被打乱，这些情况下材料都会产生退磁现象。有些铁磁性材料，在外磁场撤去以后，各磁畴的方向仍能很好地保持一致，物体具有很强的剩磁，这样的材料叫做硬磁性材料。有的铁磁性材料，外磁场撤去以后，磁畴的磁化的方向又变得杂乱，物体没有明显的剩磁，这样的材料叫做软磁性材料。永磁体要有很强的剩磁，所以要用硬磁性材料制造。电磁铁要在通电时有磁性，断电时失去磁性，所以要用软磁性材料制造。三、电磁感应定律1.感应电动势的大小如图1-9所示，将一根导体置于磁场中，导体两端接一只电流表构成闭合回路。当导体向上运动时，导体切割磁力线，这时电流表指针发生偏转，说明在导体中产生了电流，这种现象称为电磁感应现象。法拉第电磁感应定律是基于法拉第于1831年所作的实验。感应电动势的大小可以用公式E=Blv来计算，式中B为磁感应强度，l为导体的有效长度，v为导体运动速度。闭合线圈面积不变，改变磁场强度，磁通量也会改变，也会发生电磁感应现象，这说明感应电动势的大小跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。2.感应电动势（电流）的方向（1）楞次定律楞次定律（Lenz'slaw）是一条电磁学的定律，可以用来判断由电磁感应而产生的电动势的方向。它是由俄国物理学家海因里希·楞次（HeinrichFriedrichLenz）在1834年发现的。可以表述为：感应电流具有这样的方向，即感应电流产生的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。简单地说就是“来拒去留”的规律。（2）右手定则感应电动势（电流）方向判断定则如图1-10所示，伸开右手，使大拇指与其余四指在同一平面内并跟四指垂直,让磁力线垂直穿入手心,使大拇指指向导体运动的方向,这时四指所指的方向就是感应电动势（电流）的方向。四、电磁力定律通电导体在磁场中要受到电磁力的作用。如图1-11所示，一根通电导体置磁场中，当它在磁场中所处位置不与磁力线相平行时，将受到磁场的一个推动导体运动的力（F）的作用，其大小可用公式F=BIl来计算，式中B为磁感应强度，l为导体的有效长度，I为导体中的电流。导体的受力（F）方向按左手定则判断，如图1-12所示，左手伸开，四指并拢，大拇指与四指成垂直方向，磁力线垂直穿过手心，四指指向电流方向，则大拇指指向该通电导体的受力方向。【步骤三】知识和能力的归纳（时间：5分钟）磁场分为永久磁体磁场和电磁场，电机控制过程主要应用电磁场。不同铁磁材料的磁化性质决定其在实际中的应用