电子技工业务2 电子技工业务-第2节 电与磁

第2章

船舶电子电气基础一、磁场的基本概念和基本物理量第二节电与磁

磁铁的内部与周围空间存在磁场,常用磁力线(或磁感应线)来描述磁场,如图2-14所示。磁力线是闭合回线,我们通常用磁力线的疏密程度来表示磁场的强弱,用磁力线的方向表示磁场的方向,磁力线上任意一点的切线方向即为该点的磁场方向。磁铁的磁力线是经磁铁内部并通过周围空间而闭合,其磁力线方向规定,在磁铁内部是S极指向N极的方向,外部是由N极指向S极的方向。图

2-14磁力线(一)磁通Φ第二节电与磁

磁通Φ是穿过某一截面S的磁力线总数。磁通Φ的单位要根据电磁感应定律

来确定，在国际单位制（SI）中，磁通的单位为伏秒，称为韦伯（Wb）。在电磁单位制中：φ的单位是麦克斯韦（Mx），与国际单位的换算关系是：1Wb=108Mx。磁通是一个矢量，它的方向与该处的磁场强度方向一致。(二)磁感应强度B第二节电与磁

若横截面S与磁感应强度B互相垂直,则B=Φ/S。磁感应强度B是用来表示磁场内某点的磁场强弱及方向的物理量,它是一个矢量。如果磁场内各点的磁感应强度大小相等、方向相同,则这种磁场称为均匀磁场。对于非均匀磁场,上式中的B可取S面内的平均值。磁感应强度B在数值上等于穿过垂直于磁场方向上的单位面积上的磁通,故又称它为磁通密度。磁感应强度B的单位是Wb/m2,称为特维斯(T),在电磁单位制中,磁感应强度B的单位是高斯(Gs)。1T=104Gs。(三)磁场强度H第二节电与磁

磁场强度H是计算磁场时所引用的一个物理量,也是矢量,它用来描述磁场与电流间的关系。(四)磁导率μ第二节电与磁

磁导率μ是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量,也就是用来衡量物质导磁能力的物理量。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度,即B=μH。磁场内某一点的磁场强度H只与电流大小、线圈匝数以及该点的几何位置有关,而与磁场媒质的磁导率无关,就是说在一定的电流值下,同一点的磁场强度不会因磁场媒质的不同而有异。但磁感应强度B是与磁场媒质的磁性有关的。当线圈内的媒质不同时,则磁导率μ不同,即使在同样的电流值下,同一点的磁感应强度的大小也不同,线圈内的磁通也就不同了。(四)磁导率μ第二节电与磁

磁场强度H的国际单位是安/米(A/m),磁导率μ的国际单位制单位为H/m。由实验测出,真空的磁导率为μ0=4π×10-7H/m。因为这是一个常数,所以将其他物质的磁导率和它去比较是比较方便的。任意一种物质的磁导率μ和真空的磁导率μ0的比值,称为该物质的相对磁导率μr,即μr=μ/μ0。自然界的所有物质按磁导率的大小,或者按磁化的特性,大体上可分成磁性材料和非磁性材料两大类。对非磁性材料而言,B≈μ0H,μr≈1,差不多不具有磁化的特性,而且每一种非磁性材料的磁导率都是常数。二、电流的力效应和电磁感应第二节电与磁

(一)电流的磁效应电流的周围空间存在磁场,产生磁场的根本原因是电流,这就是电流的磁效应。电流的方向与磁场的方向符合右手螺旋定则,在通电导体中,大拇指表示电流方向,四指表示磁场方向,如图2-15所示。在线圈中,四指则表示电流方向,大拇指表示磁场方向。图2-15右手螺旋定则(二)电流在磁场中的力效应第二节电与磁

电流产生磁场是电流的磁效应,而电流在磁场中受到力的作用是电流的力效应。由于电流的力效应,从而使载流导体在磁场中受到电磁力的作用,如图2-16所示。磁场对载流导体的作用力可由安培定律确定。

图2-16载流导体在磁场中的受力(二)电流在磁场中的力效应第二节电与磁

载流导体在磁场中受力的方向可由左手定则确定:伸平左手,拇指与四指垂直,让磁力线从掌心穿入,四指指向电流方向,则拇指为载流导体的受力方向,如图2-16所示。安培定律:

当载流直导体与磁场方向垂直时,载流导体受力F的大小与载流导体所在处的磁感应强度B(Wb/m2)的大小、载流导体电流I(A)的大小和载流导体在磁场中的有效长度L(m)三者的乘积成正比,即F=BIL(N)。

当载流直导体与磁场方向间的夹角为α时(0<α<90°),则其受力为F=BILsinα(N),互相垂直(α=90°)时受力最大。

图2-16载流导体在磁场中的受力(二)电流在磁场中的力效应第二节电与磁

两平行载流导体之间的作用力:每一个载流导体都产生磁场,各自的磁场方向都用右手螺旋关系确定;而每一个载流导体又都处于另一载流导体的磁场中,因而都受到力的作用,载流导体受力的方向用左手定则确定。因此两电流同方向的平行载流导体之间产生相互吸引的作用力,两电流方向相反则产生互相排斥的作用力,如图2-17所示。。

图2-17

通电导体的平行受力(三)电磁感应第二节电与磁

1.直导体的感应电动势当导体与磁力线之间有相对的切割运动时,在导体中就产生感应电动势,如图2-18所示。

图2-18

运动导体在磁场中的受力这种感应电动势常被称为切割电动势或旋转电动势。当导体垂直于磁场方向运动时,感应电动势e的大小与导体处的磁感应强度B、导体在磁场中的有效长度l和导体与磁场的相对切割线速度v(m/s)三者的乘积成正比,即e=Blv(V)。(三)电磁感应第二节电与磁

1.直导体的感应电动势实际上右边三个物理量乘积的物理意义是相对运动导体单位时间切割的磁力线数(或磁通切割率),所以感应电动势与单位时间切割的磁力线数成正比,当导体的运动方向与磁场方向成α角度,e=BlVsinα;当α=90°,e最大,e=Blv;当α=0°时,e最小,e=0。

图2-18

运动导体在磁场中的受力感应电动势的方向用右手定则确定,如图2-18所示:伸平右手,拇指与四指垂首,让磁力线从掌心穿入,拇指方向指向导体相对于磁场的运动方向,则四指指向感应电动势的方向。(三)电磁感应第二节电与磁

2.线圈的感应电动势根据电磁感应定律:当穿过线圈的磁通量发生变化时,在线圈中产生感应电动势,感应电动势e的大小与磁通的变化率(即单位时间磁通的变化量,其极限值为dΦ/dt)成正比、与线圈匝数N成正比,即

,感应电动势的方向由楞次定律确定。

(三)电磁感应第二节电与磁

2.线圈的感应电动势楞次定律的一般表述:当线圈为闭合回路,感应电动势就会产生感应电流,感应电流反抗任何引起感应电动势的原因。

这里引起感应电动势的原因是穿过线圈的磁通发生变化,则感应电动势引起的电流(称为楞次电流)所产生的磁通去反抗线圈中磁通的变化,如图2-19所示。

图2-19楞次定律示意图(三)电磁感应第二节电与磁

2.线圈的感应电动势当线圈向左侧运动时,穿过磁圈的磁通Φ增加,则线圈中将产生感应电动势。

因为线圈电路是闭合的,所以也将产生感应电流,感应电流I(楞次电流)产生的磁通Φ2将与磁通Φ1方向相反,反抗磁通Φ1的增加;

图2-19楞次定律示意图(三)电磁感应第二节电与磁

2.线圈的感应电动势若线圈磁通减少,则楞次电流磁通与穿过线圈的磁通方向相同,反抗其减少。因此可根据穿过线圈磁通的方向和磁通的变化趋势来确定楞次电流磁通的方向,由楞次电流磁通的方向螺旋关系来确定楞次电流和感应电动势的方向。

图2-19楞次定律示意图(三)电磁感应第二节电与磁

3.自感现象及线圈的电感L只要穿过线圈的磁通有变化就在线圈中产生感应电动势,这是电磁感应定律,与变化磁通的来源无关。

但由于磁通Φ是由线圈本身电流I产生的,故线圈的总磁通链NΦ∝I,其比例常数用L表示,即L=NΦ/I,L称为自感系数,简称电感。

当由于通过线圈本身的电流及其所产生的磁通Φ发生变化而在线圈中引起的感应电动势,称为自感电动势eL,这种现象称为自感现象。

(三)电磁感应第二节电与磁

3.自感现象及线圈的电感LL=NΦ/I电感公式表明:一个线圈电感L的大小可用在线圈中通入单位电流,所能产生的磁通链的多少来衡量。电感L表明一个通电线圈产生磁通的能力,它与线圈的匝数N、几何尺寸和形状等有关。当这些因素固定不变时,则线圈的电感L就是一个常数,比如空芯线圈或线圈中的磁媒质非磁性材料,则μ就是一个常数,L也是一个常数;而铁芯线圈或线圈中的磁媒质为磁性材料,则μ就不是一个常数,L也不是一个常数。

(三)电磁感应第二节电与磁

3.自感现象及线圈的电感L由于任何一个导体通过电流时都产生磁通,它们都存在一定的电感L。自感电动势是电流的变化而引起的,而且是反抗电流的变化。电流的变化率越大,自感电动势越大。当仅需要确定自感电动势的方向时,可直接根据电流的方向及其变化趋势用楞次定律来确定,即自感电动势方向总是阻碍电流的变化。

自感现象有有害的一面,也有可利用的一面:例如拉断开关时,在极短的时间内使电流急剧降低到0,电流的变化率di/dt很大,故能产生很高的自感电压使在断开点处的空气击穿而产生电弧。开关刀片或触点因此被烧损,因此开关触点需要加灭弧罩。日光灯却利用镇流器(铁芯电感)在启辉器跳断瞬间产生高的自感电压使灯管击穿点亮。

(三)电磁感应第二节电与磁

4.互感现象当一个线圈的电流引起的变化磁通除在本线圈产生自感电动势外,如果该磁通的一部分或全部穿过相邻的线圈时,在相邻线圈中同样引起感应电动势,这种现象即为互感现象,在相邻线圈中所感生的电动势称为互感电动势。

互感电动势方向也可单独由楞次定律确定。变压器就是根据互感原理制成的。

三、铁磁材料第二节电与磁

在工程上,物质按其磁性划分为两类,即铁磁材料(或叫磁性材料)和非铁磁材料。非铁磁材料的磁导率都近似等于真空的磁导率。铁磁材料主要是指铁、钴、镍及其合金,是制造电机、电器等的主要材料之一。三、铁磁材料第二节电与磁

(一)铁磁材料的磁性能1.高导磁特性铁磁材料的磁导率μ>>μ0,或其相对磁导率μr>>1,可达数百、数千乃至数万之值。将铁磁材料放入电流磁场中,它将被磁化而产生很强的附加磁场,使磁场的磁感应强度比电流在真空或非磁性材料中产生的B0大百倍、千倍甚至数万倍,因此可用较小的励磁电流产生足够大的磁感应强度和磁通。用高磁导率的铁磁材料制造电机、电器可使其重量轻、体积小。三、铁磁材料第二节电与磁

(一)铁磁材料的磁性能2.磁饱和特性尽管铁磁材料的磁导率很大,但它不是常数,所以B与H(或励磁电流)之间是非线性关系,如图2-20所示,这种曲线称为磁化曲线,可通过实验获得。图2-20磁化曲线三、铁磁材料第二节电与磁

(一)铁磁材料的磁性能2.磁饱和特性磁化曲线大致可分成三段:ab段为非饱和段,B随H几乎是以直线迅速增加;bc段为半饱和段,B随H的增加逐渐减慢;c点以后B随H几乎不再有明显增加而趋于饱和,这种特性称为磁饱和特性。图2-20磁化曲线三、铁磁材料第二节电与磁

(一)铁磁材料的磁性能2.磁饱和特性普通电机、变压器的铁芯工作于饱和或接近于饱和段,线性电抗器工作于非饱和段,而饱和电抗器则经常工作于饱和段。在磁性材料中,μ不是常数,而是随着H的变化而变化,当达到磁饱和后,μ接近真空中的磁导率μ0。图2-20磁化曲线三、铁磁材料第二节电与磁

(一)铁磁材料的磁性能3.磁滞和剩磁特性如果励磁线圈中通入交变励磁电流,对铁芯进行反复磁化,将会得到如图2-21所示的磁滞回线。图2-21磁滞回线在反复磁化过程中，B将随H沿回线a—b—c—d—e—f—a而变化。由图可见,磁感应强度的大小和方向的变化总是滞后于磁场强度的变化,这种特性称为磁滞特性。三、铁磁材料第二节电与磁

(一)铁磁材料的磁性能3.磁滞和剩磁特性当断开励磁电流(H=0)后,磁感应强度仍不为零的现象,称为剩磁特性,所保留的磁感应强度Br或磁通Φ称为剩磁。图2-21磁滞回线利用剩磁特性制造永久磁铁;自励发电机靠剩磁开始发电。但剩磁对某些电机和电器也是有不利影响的。为消除剩磁所加的反向磁场强度值HC称为矫顽力。过高的温度和振动会使剩磁减弱甚至消失。三、铁磁材料第二节电与磁

(二)铁磁材料的类型1.软磁材料根据磁性材料的磁滞回线形状,主要分为三种类型,分别是软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。磁滞回线狭窄,剩磁和矫顽力小,如铸铁、铸钢、纯铁、硅钢、坡莫合金和铁氧体等材料。电机、变压器等的铁芯必须用软磁材料。三、铁磁材料第二节电与磁

(二)铁磁材料的类型2.硬磁材料根据磁性材料的磁滞回线形状,主要分为三种类型,分别是软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。磁滞回线宽,剩磁和矫顽力大。一般用来制造永久磁铁,如钨钢、钴钢及铁镍铝钴合金等。三、铁磁材料第二节电与磁

(二)铁磁材料的类型3.矩磁材料根据磁性材料的磁滞回线形状,主要分为三种类型,分别是软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。磁滞回线狭窄,接近矩形,但剩磁大,而矫顽力却小,磁稳定性也好,如镁锰铁氧体、铁镍合金等材料,常用于计算机和控制系统中作记忆元件、开关元件和逻辑元件等。三、铁磁材料第二节电与磁

(三)铁损当铁磁体被反复磁化时,由于磁滞原因而引起的功率损耗称