劳动版第四版《电工基础》第四章

《劳动版第四版《电工基础》第四章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《劳动版第四版《电工基础》第四章（79页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 4-1 磁场 第四章 磁场与电磁感应 4-1 磁场 4-2 磁场的主要物理量 4-3 磁场对电流的作用 4-4 铁磁物质 4-5 电磁感应 4-6 自感 4-7 互感 4-8 磁路欧姆定律 一、磁体及其性质 磁 ：磁是物质运动的一种基本形式，由电荷运动所产生。 某些物体能够吸引铁、镍、钴等物质的性质称为 磁性 。具 有磁性的物体称为 磁体 。磁体分 天然磁体 和 人造磁体 两大 类。 天然磁体 ：天然存在的磁体，如 Fe3O4 人造磁体 ：人工制造的磁体，包括 永久磁 体 （如计算机中的磁盘）和 暂时磁体 （如 起重电磁铁） 永久磁体的磁性可长期保存，暂时磁体的 磁性是暂时的，它随外部磁化条

2、件的消失 而消失。 磁体两端磁性最强的部分称 磁极 。可以在水 平面内自由转动的磁针，静止后总是一个磁极指 南，另一个指北。指北的磁极称北极（ N）；指 南的磁极称南极（ S）。 任何磁体都具有两 个磁极，而且无论把 磁体怎样分割总保持 有两个异性磁极。 与电荷间的相互作用力相似，当两个磁 极靠近时，它们之间也会产生相互作用的 力： 同名磁极相互排斥 ， 异名磁极相互吸引 。 二、磁场与磁感线 1 磁场 在磁体周围的空间中存在着一种特殊的物 质 磁场 。 磁极之间的作用力通过磁场进行传递。 动画 2 磁感线 磁场的分布常用磁感线来描述。 视频 三、电流的磁场 不仅磁铁能产生磁场，电 流也能产生

3、磁场，这种现象称 为电流的 磁效应 。 动画 磁场的应用：磁悬浮列车 4-2 磁场的主要物理量 导线方向与磁场方向保持垂直，经导线通电， 可以看到导线因受力而发生运动。 一、磁感应强度 先保持导线通电部分的长度不变，改变电 流的大小，然后保持电流不变，改变导线通电 部分的长度。 比较两次实验结果发现，通电导线长度一 定时，电流越大，导线所受电磁力越大；电流 一定时，通电导线越长，电磁力也越大。 在磁场中 ，垂直于磁场方向的通电导线，所 受电磁力 F与电流 I和导线长度 l的乘积 IL的比值称为 该处的 磁感应强度 ，用 B表示，即 磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，用符 号 T表示。 F B

4、Il 磁感应强度是个 矢量 ，它的方向就是该点的 磁场的方向。 磁感线的疏密程度可以大致反映磁感应强度 的大小。在同一个磁场的磁感线分布图上，磁感 线越密的地方，磁感应强度越大，磁场越强。 二、磁通 设在磁感应强度为 B的均匀磁场中，有一个 与磁场方向垂直的平面，面积为 S，我们把 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 = BS 磁通的单位是韦伯，简称 韦，用 Wb表示。 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。 当面积一定时，如果通过该面积的磁感线越多， 则磁通越大，磁感越强。 从

5、 =BS，可得 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 ，并且用 Wb/m2作单 位。 B S 三、磁导率 不同的媒介质对磁场的影响不同，影响 的程度与媒介质的导磁性能有关。 磁导率 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。由实验 测得真空中的磁导率 0=4 10-7H/m，为一 常数。 r 0 自然界大多数物质对磁场的影响甚微， 只有少数物质对磁场有明显的影响。 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： 相对磁导率只是一个比值。它表明在其 他条件相同的情况下，媒介质中的磁感应强度是真空中磁感应强度的多

6、少倍。 根据相对磁导率的大小，可把物质分为三类： 顺磁物质 相对磁导率稍大于 1。如空气、铝、 铬、铂等。 反磁物质 相对磁导率稍小于 1。如氢、铜等。 铁磁物质 相对磁导率远大于 1，其可达几百甚 至数万以上，且不是一个常数。如铁、钴、镍、 硅钢、坡莫合金、铁氧体等。 四、磁场强度 在真空中，通电线圈磁感应强度的大小与线圈 的匝数、线圈长度及电流强度有关 式中 B0 通电线圈的磁感应强度， T； 0 真空的磁导率， H/m； N 线圈的匝数； L 线圈的长度， m； I 线圈中的电流， A。 00 NIB l 当把圆环线圈从真空中取出，并在其中放入 相对磁导率为 r的媒介质，则磁感应强度将是

7、真 空中的 r倍，即： 磁感应强度与媒介质的磁导率有关。 0r NI NIB ll 该点的磁感应强度 B与媒介质磁导率 的比值 即为磁场中某点的 磁场强度 ，用 H表示，即： 磁场强度的单位为 A/m。 将 带入可得 BH BH 00 NIB l B N IH l 上式表明，在一定电流值下，同一点的磁场强 度不因磁场媒介质的不同而改变。 磁场强度也是一个矢量，在均匀媒介质中， 它的方向和磁感应强度的方向一致。 4-3 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 。 通电直导体在磁场内的受力方向可用 左手定 则 来判断。 动画 把一

8、段通电导线放入磁场中，当电流 方向与磁场方向垂直时，电流所受的电磁 力最大。 利用磁感应强度的表达式 B = F/Il，可 得电磁力的计算式为 F = BIl 动画：计算电磁力的大小 如果电流方向与 磁场方向不垂直，而 是有 一个夹角 ，这时 通电导线的有效长度 为 lsin。电磁力的计 算式变为 F = BIlsin 二、通电平行直导线间的作用 两条相距较近且 相互平行的直导线， 当通以相同方向的电 流时，它们相互吸引 （左图）；当通以相 反方向的电流时，它 们相互排斥（右图）。 动画 判断受力时，可以用右手螺旋法则判断每个 电流产生的磁场方向，再用左手定则判断另一个 电流在这个磁场中所受电

9、磁力的方向。 发电厂或变电所的母线排就是这种互相平行 的载流直导体，为了使母线不致因短路时所产生 的巨大电磁力作用而受到破坏，所以每间隔一定 间距就安装一个绝缘支柱，以平衡电磁力。 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。 在均匀磁场中放入一 个线圈，当给线圈通入电 流时，它就会在电磁力的 作用下旋转起来。 电刷 换向器 当线圈平面与磁感线平行时，线圈在 N极一侧 的部分所受电磁力向下，在 S极一侧的部分所受电 磁力向上，线圈按顺时针方向转动，这时线圈所 产生的转矩最大。当线圈平面与磁感线垂直时， 电磁转矩为零，但线圈仍靠惯性继续转动。通过 换向器的作用，与

10、电源负极相连的电刷 A始终与 转到 N极一侧的导线相连，电流方向恒为由 A流出 线圈；与电源正极相连的电刷 B始终与转到 S极一 侧的导线相连，电流方向恒为由 B流入线圈。因此， 线圈始终能按顺时针方向连续旋转。 4-4 铁磁物质 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 。 只有铁磁性物质才能被磁化，而非铁磁性物 质是不能被磁化的。这是因为铁磁物质可以看作 是由许多被称为 磁畴 的小磁体所组成。 在无外磁场作用时，磁畴排列杂乱无章，磁 性互相抵消，对外不显磁性；但在外磁场作用下， 磁畴就会沿着外磁场方向变成整齐有序的排列， 所以整体也就具有了磁性。 二、磁化曲线 当一

11、个线圈的结构、形状、匝数都已确定 时，铁磁物质的 B随 H变化的规律可用 B H曲 线来表示，称为 磁化曲线 。 曲线 oa段较为陡峭， B随 H近似成正比增加。 b点以后的部分近似平坦，表明即使再增大 线圈中的电流 I以增大 H， B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。这一段是从未饱和到饱和的逐步过渡。 各种电器的线圈中，一般都装有铁心以获得 较强的磁场。而且在设计时，常常是将其工作磁 通取在磁化曲线的膝部，还常将铁心制成闭合的 形状，使磁感线沿铁心构成回路。 三、磁滞回线 理想状态下的磁滞回线： 实际的磁滞回线： 磁感应强度

12、 B的变化落后于磁场强度 H 的变化，这一现象称为 磁滞 。 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 。 四、铁磁材料的分类 硬磁材料 特点： 不易磁化，不易退磁 典型材料及用途： 碳钢、钴钢等，适合 制作永久磁铁，扬声 器的磁钢 软磁材料 特点： 容易磁化，容易退磁 典型材料及用途： 硅钢、铸钢、铁镍合 金等，适合制作电机 、变压器、继电器等 设备中的铁心 矩磁材料 特点： 很易磁化，很难退磁 典型材料及用途： 锰镁铁氧体、锂锰铁 氧体等，适合制作磁 带、计算机的磁盘 4-5 电磁感应 一、电磁感应现象 电流能产生磁场，那么磁场

13、能否产生电流呢？ 将一条形磁铁放置在线圈中，当其静 止时，检流计的指针不偏转，但将它迅速 地插入或拔出时，检流计的指针都会发生 偏转，说明线圈中有电流。 这种利用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 。 二、楞次定律 以上实验表明：在线圈回路中产生感应电动 势和感应电流的原因是由于磁铁的插入和拔出导 致线圈中的磁通发生了变化。 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是 阻碍原磁通的变化 。 三、法拉第电磁感应定律 在上述实验中，如果改变磁铁插入或拔出的 速度，就会发现，磁铁运动速度

14、越快，指针偏转 角度越大，反之越小。而磁铁插入或拔出的速度， 反映的是线圈中磁通变化的速度。即： 线圈中感 应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正比 。 这就是法拉第电磁感应定律。 用 表示时间间隔 t内一个单匝线圈 中的磁通变化量，则一个单匝线圈产生的 感应电动势的大小为 如果线圈有 N匝，则感应电动势的大 小为 e t eN t 四、直导线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。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。 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

15、应电动势为： e = Blv 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 e = Blvsin 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，实际应用中，将导线做成线 圈，使其在磁场中转动，从而得到连续的电流。 动画：正弦交流电的产生 动画：实际应用的发电机 例题 如下图所示，在磁感应强度为 B的匀强磁 场中，有一长度为 l 的直导体 AB，可沿平行导电 轨道滑动。当导体以速度 v向左匀速运动时，试确 定导体中感应电动势的方向和大小。 解 : （ 1） 导体向左运动时，导电回路中磁通将增加， 根据楞次定律判断，导体中感应电动势的方向是 B端为正， A端为负。用

16、右手定则判断，结果相同。 （ 2）设导体在 t时间内左移距离为 d，则导电回 路中磁通的变化量为 = BS = Bld = Blvt 所以感应电动势 B lv te B lv tt 如果导体和磁感线之间有相对运动时，用右 手定则判断感应电流方向较为方便； 如果导线与磁感线之间无相对运动，只是穿 过闭合回路的磁通发生了变化，则用楞次定律来 判断感应电流的方向。 4-6 自感 一、自感现象 合上开关， HL2比 HL1 亮的慢 断开开关，灯泡闪亮一 下才熄灭 当线圈中的电流发生变化时，线圈中就会产 生感应电动势，这个电动势总是阻碍线圈中原来 电流的变化。 这种由于流过线圈本身的电流发生变化而引 起

17、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。 二、自感系数 自感电流产生的磁通称为 自感磁通 。 一个线圈中通过单位电流所产生的自感磁 通称为 自感系数 （简称 电感 ），用 L表示，即 L的单位是亨利，用 H表示。常采用较小的 单位有毫亨 (mH)和微亨（ H）。 N L I 线圈的电感是由线圈本身的特性决定的。线 圈越长，单位长度上的匝数越多，截面积越大， 电感就越大。有铁心的线圈，其电感要比空心线 圈的电感大得多。 有铁心的线圈，其电感也不是一个常数，称 为 非线性电感 。电感为常数的线圈称为 线性

18、电感 。 空心线圈当其结构一定时，可近似地看成线性电 感。 三、自感电动势 由 N=LI， 有 代入 ，可得 L eN t L IeL t N = L I 四、 RL电路过渡过程 电感线圈与电容器相似，都是电路中的储能 元件。 开关 SA刚刚闭合时，电流不可能一下子由零 变到稳定值，而是逐渐地增大；而当切断电源时，电流也不是立即消失，而是逐渐减小而消失。 过渡过程的快慢与 L和 R的数值有关， L与 R的比值称为 RL电路的时间常数，即： 越小，表明过渡过程越快。 L R 4-7 互感 一、互感现象和互感电动势 在开关 SA闭合或断开瞬间以及改变 RP的阻 值，检流计的指针都会发生偏转。 我们

19、把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 。 互感电动势的计算公式为 式中 M称为 互感系数 ，简称 互感 ，单位和自感 一样，也是亨（ H）。 1 M2 IeM t 二、互感线圈的同名端 我们把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。 图中 1、 4、 5就是一组同名端。 SA闭合瞬间， A线圈有电流 i从 1端流进，根 据楞次定律，在 A线圈两端产生自感电动势，极 性为左正右负。利用同名端可确定 B线圈的 4

20、端和 C线圈的 5端皆为互感电动势的正端。 4-8 磁路欧姆定律 一、磁路 磁通所通过的路径称为 磁路 。 磁路可分为 无分支磁路 和 有分支磁路 。如上图 a和 b为无分支磁路， c为有分支磁路。 磁路中除铁心外往往还有一小段非铁磁材料， 例如空气隙等等。 由于磁感线是连续的，所以通过无分支磁路各 处横截面的磁通是相等的。 与电路比较，磁路的漏磁现象要比电路的漏 电现象严重得多。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 。 在漏磁不严重的情 况下可将其忽略，只考 虑主磁通。 二、磁路欧姆定律 1磁动势 通电线圈的匝数越多，电流越大，磁场越 强，

21、磁通 也就越多。我们把通过线圈的电流 I和 线圈匝数 N的乘积称为磁动势，用 Fm表示，即 Fm = NI 磁动势的单位是 A。 2磁阻 磁通通过磁路时所受到的阻碍作用称为 磁阻 ， 用符号 Rm表示。其公式为 式中 、 l 、 S的单位分别为 H/m、 m、 m2，磁 阻 Rm的单位为 H 1。 m lR S 3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，即 上式与电路的欧姆定律相似，故称 磁路欧姆 定律 。 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。 m m F R 三、磁路与电路的比较 磁 路 电 路 磁动势 Fm = NI 电动势 E 磁通 电流 I 磁阻 电阻 磁导率 电阻率 磁路欧姆定律 电路欧姆定律 m lR S lR S m m F R EI R 四、电磁铁 将螺线管紧密地套在一个铁心上，就构成了 一个电磁铁。实际应用的电磁铁一般由 励磁线圈 、 铁心 、 衔铁 三个主要部分组成。 直流电磁铁和交流电磁铁的主要区别 直流电磁铁 交流电磁铁 空气隙对励磁电流 的影响 励磁电流恒定不变， 与空气隙无关 励磁电流随空气隙 的增大而增大 磁滞损耗和 涡流损耗 无 有 吸力 恒定不变 脉动变化 铁心结构 由整块铸钢或工程 纯铁制成 由多层彼此绝缘的 硅钢片叠成