船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng)-第一章課件

第一章電與磁概述電工設(shè)備中發(fā)生的物理過程通常同時包含“電”和“磁”這兩個緊密相連的現(xiàn)象，即電生磁，磁生電。例如在電路原理課程中討論交流電路時所考慮的感應(yīng)電動勢，就是線圈中所鏈磁通隨時間變化而引起的；不過當(dāng)時我們用一個線性的電路參數(shù)“電感”來表達(dá)這個作用，僅從電路概念加以分析。本章重點闡述磁場基本概念和基本物理量，分析磁性材料的磁性能和磁路計算的基本定律。第一章電與磁概述1

第一章電與磁

本章主要講解內(nèi)容

第一節(jié)

磁場的基本概念和基本物理量

第二節(jié)

鐵磁材料的磁性能

第三節(jié)磁路的基本概念

第四節(jié)

電磁感應(yīng)第一章電與磁本章主要講解內(nèi)容2第一節(jié)磁場的基本概念和基本物理量一、磁場的基本概念

1．磁場與磁力線

（1）磁場:當(dāng)小磁針靠近永久磁鐵時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這表明在永久磁鐵的周圍有一種物質(zhì)存在，這一物質(zhì)稱為磁場。

（2）磁力線:磁場的分布情況用閉合磁力線來描述。在磁鐵的外部，磁力線從N極出發(fā)，經(jīng)外部空間進(jìn)入S極；再由S極經(jīng)磁鐵內(nèi)部回到N極而組成閉合回線，即磁力線是閉合的。

返回本章第一節(jié)磁場的基本概念和基本物理量一、磁場的基本概念返3圖1-1條形磁鐵的磁場返回（3）磁場方向l1曲線上a點的磁場方向即為a點切線l2的方向，（4）磁場強(qiáng)弱磁力線的疏密反映了磁場各處磁性的強(qiáng)弱程度；靠近磁鐵兩端的磁力線密，磁場就強(qiáng)，遠(yuǎn)離磁鐵兩端的磁力線疏，磁場就弱。圖1-1條形磁鐵的磁場返回（3）磁場方向4返回2．電流的磁效應(yīng)除了永久磁鐵周圍存在磁場外，當(dāng)小磁針靠近通電導(dǎo)線(或通電導(dǎo)線繞成的螺旋管線圈)，小磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這說明通電導(dǎo)線的周圍和磁鐵一樣也存在著磁場，這種現(xiàn)象，稱為電流的磁效應(yīng)。磁場是由電流產(chǎn)生的，磁場的強(qiáng)弱及方向由通過導(dǎo)線的電流決定。返回2．電流的磁效應(yīng)5（a）通電直導(dǎo)體（b）通電螺線管線圈圖1-2磁場與電流的方向返回2．電流的磁效應(yīng)磁場方向的確定：（a）右手握住直導(dǎo)體，拇指指向電流方向，則彎曲的四指的指向即為磁場方向。（b）右手握住線圈，彎曲的四指指向電流方向，則拇指的指向即為螺旋管內(nèi)部的磁場方向。（a）通電直導(dǎo)體（b）通電螺線管線圈返回2．6二、磁場的基本物理量

1．磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁感應(yīng)強(qiáng)度B

是表示磁場空間某點的磁場強(qiáng)弱和方向的物理量，是矢量。其定義式為:q-電荷所帶電量，單位是庫倫（C）B-磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位是特斯拉（Tesla）V-電荷運(yùn)動速度，單位是米/秒（m/s）f-電磁力，單位是牛頓（N）二、磁場的基本物理量q-電荷所帶電量，單位是庫倫（C）B7

均勻磁場：如果磁場內(nèi)各點磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向均同，則稱其為均勻磁場。均勻磁場可用疏密均勻、方向相同的磁力線來表示（本書若沒有特別說明，都指均勻磁場）。在均勻磁場中I–

通人導(dǎo)體的電流單位是安培(A)

f

-電磁力，單位是牛頓（N）l

-導(dǎo)體長度，單位是米(m)均勻磁場：如果磁場內(nèi)各點磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向均I–通8

2．磁通定義：

磁通的定義是磁感應(yīng)強(qiáng)度（假設(shè)磁場為均勻磁場）與垂直于磁場方向的面積的乘積定義式：B

單位：特斯拉（Tesla）φ

單位：韋伯（Wb）2．磁通B單位：特斯拉（Tesla）φ9

3．磁場強(qiáng)度

磁場強(qiáng)度是計算磁場所用的物理量，其大小為磁感應(yīng)強(qiáng)度和導(dǎo)磁率之比。

B

單位：特斯拉單位：安/米單位：亨/米IN為電流與線圈匝數(shù)的乘積，稱為磁動勢，用字F表示

F=NI(磁勢單位為A)3．磁場強(qiáng)度B單位：特斯拉單位：安/米10

4．磁導(dǎo)率（導(dǎo)磁系數(shù)）和相對磁導(dǎo)率

（1）磁導(dǎo)率

定義：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量。定義式：μ=B/H(H/m)

（2）相對磁導(dǎo)率

定義：一般材料的磁導(dǎo)率和真空中的磁導(dǎo)率之比，稱為這種材料的相對磁導(dǎo)率。定義式：μr=μ/μ04．磁導(dǎo)率（導(dǎo)磁系數(shù)）和相對磁導(dǎo)率11第二節(jié)鐵磁材料的磁性能

為了在一定的的磁勢作用下能激勵較強(qiáng)的磁場，以使電機(jī)和變壓器等電器設(shè)備尺寸縮小、重量減輕、性能改善，必須增加磁路的磁導(dǎo)率。所以電機(jī)和變壓器的鐵心常用磁導(dǎo)率較高的鐵磁材料制成，下面對常用的鐵磁材料及其性質(zhì)作簡要說明。返回本章說明第二節(jié)鐵磁材料的磁性能為了在一定的的磁勢作用下能激121.高導(dǎo)磁性（a）(b)

圖1-3磁性材料的磁化思考：磁疇、磁化1.高導(dǎo)磁性（a）132.磁飽和性圖1-4磁化曲線圖1-5與H的關(guān)系非飽和段：oa、ab段半飽和段：bc段飽和段：c點以后圖1-42.磁飽和性圖1-4磁化曲線圖1-5與H143.磁滯性

如果勵磁線圈中通入交變勵磁電流,對鐵心進(jìn)行反復(fù)磁化，磁感應(yīng)強(qiáng)的變化總是滯后于磁場強(qiáng)度的變化,這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象.為消除剩磁所加的反向磁場強(qiáng)度值Hc稱為矯頑力。圖1-6磁滯回線3.磁滯性圖1-6磁滯回線15由實驗可知，鐵磁材料不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。圖1-7中示出了幾種鐵磁材料的磁化曲線。按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料可以分成三種類型：軟磁材料、永磁材料、矩磁材料。鐵磁材料的類型由實驗可知，鐵磁材料不同，其磁滯回線和磁化曲線也不鐵磁材料的16⑴軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金及鐵氧體等。鐵氧體在電子技術(shù)中應(yīng)用也很廣泛，例如可做計算機(jī)的磁心，磁鼓以及錄音機(jī)的磁帶、磁頭。⑴軟磁材料17⑵永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼、鈷鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。⑶矩磁材料

具有較小的矯頑力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計算機(jī)系統(tǒng)中可用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體及1J51型鐵鎳合金等。⑵永磁材料18鐵磁物質(zhì)的磁性是與磁疇結(jié)構(gòu)分不開的。當(dāng)鐵磁物質(zhì)受到強(qiáng)烈的振動，或在高溫下由于劇烈熱運(yùn)動影響，磁疇取向性容易混亂。這時與磁疇聯(lián)系的一系列鐵磁物質(zhì)（如高導(dǎo)磁率、磁滯等），就會全部消失。因此，管理人員在維修和安裝電機(jī)時，都應(yīng)注意。注意啦?。?！注意啦！?。?9第三節(jié)磁路的基本概念一、磁路

在工程上，為了得到較強(qiáng)的磁場，廣泛利用了鐵磁物質(zhì)。在電機(jī)、變壓器、繼電器、儀表等電器設(shè)備

中應(yīng)用鐵磁物質(zhì)制成一定的形狀，即人為地造成磁

通的路徑，磁通主要在這部分空間內(nèi)閉合，其周圍

則因?qū)Т畔禂?shù)小得多而磁通極少。這種磁通的路徑

稱為磁路。

返回本章？磁路第三節(jié)磁路的基本概念一、磁路返回本章？磁路20圖1-8（a）是永磁式（磁電式）儀表的磁路，圖1-8（b）為電磁繼電器的磁路，圖1-8（c）為單相鐵心式變壓器的磁路，圖1-8（d）為四極轉(zhuǎn)樞式電機(jī)的磁路；圖1-8幾種常見磁路幾種常見的磁路圖1-8（a）是永磁式（磁電式）儀表的磁路，圖1-8（b）圖21二、磁路的基本定律與磁路的特點

磁路概念的建立，是基于鐵磁物質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)大大地超過了非鐵磁物質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)。然而，若以此與電路相比，在電路中，導(dǎo)電材料的電導(dǎo)系數(shù)一般比電路周圍絕緣材料的電導(dǎo)系數(shù)大幾千萬倍以上，而磁路中的導(dǎo)磁材料的導(dǎo)磁系數(shù)一般不過比非磁性材料的導(dǎo)磁系數(shù)大幾千倍。因此，在磁路中漏磁現(xiàn)象比電路中漏電的現(xiàn)象大為顯著。把按照我們安排的路徑而閉合的磁通稱為主磁通，而把不按照這種路徑閉合的磁通稱為漏磁通。二、磁路的基本定律與磁路的特點22（a）（b）圖1-9磁路中的磁場分布（a）23磁路定律磁路定律是由描述磁場性質(zhì)的磁通連續(xù)性原理和安培環(huán)路定律導(dǎo)來的。圖1-10有分支磁路的分配磁路定律圖1-10有分支磁路的分配241.磁路的基爾霍夫第一定律

在磁路的分支處所連接著的各個鐵梗中磁通的代數(shù)和應(yīng)恒等于零。

2.磁路的基爾霍夫第二定律磁路中沿任意閉合回路磁壓的代數(shù)和等于沿該回路磁勢的代數(shù)和。1.磁路的基爾霍夫第一定律2.磁路的基爾霍夫第二定律25綜上所述，磁路和電路有很多相似之處。與電路一樣，計算磁路也是以磁路的基爾霍夫兩條定律相似的定律為基礎(chǔ)的。磁路的磁通、磁勢、磁壓、磁阻等量與電路中的電流、電動勢、電壓、電阻等量一一對應(yīng)。而且，磁路的歐姆定律對應(yīng)于電路的歐姆定律。另外必須指出，磁路和電路有一個本質(zhì)的差別，即磁通并不像電流一樣代表某種質(zhì)點的運(yùn)動。恒定磁通通過某磁阻并不像恒定電流通過電阻時那樣具有能量形式的轉(zhuǎn)換，會使電阻發(fā)熱。恒定的磁通的維持不需要任何能量，與電路中的焦耳-楞次定律相似的磁路定律是不存在的。對比思考綜上所述，磁路和電路有很多相似之處。與電路一樣，計算磁路也是26三、恒定磁通無分支磁路的計算

磁路的計算可以分為兩類：（1）已知磁通求磁勢；（2）已知磁勢求磁通。

在此我們僅討論已知磁通求磁勢，并且僅討論無分支

磁路。

練習(xí)一下計算三、恒定磁通無分支磁路的計算練習(xí)一下計算27無分支磁路中已知磁通求磁勢，可以按照下列步驟進(jìn)行：1.按照材料和截面的不同進(jìn)行分段；2.作出中心線，按照所給尺寸計算出磁路各段的截面S1、S2…和長度l1、l2…；3.按已知的磁通計算各個段落的磁感應(yīng)強(qiáng)度：

無分支磁路中已知磁通求磁勢，可以按照下列284.從各材料的B-H曲線（基本磁化曲線）上按已算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1、B2……找出與它們相對應(yīng)的磁場強(qiáng)度H1、H2……5.按照磁路的基爾霍夫第二定律求出所需要的磁勢：4.從各材料的B-H曲線（基本磁化曲線）上按已算出的29當(dāng)所給磁路中有空氣隙時，則可應(yīng)用空氣的導(dǎo)磁率μ0=

4π×10-7H/m，由空氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0

計算其磁場強(qiáng)度H0

：注意當(dāng)所給磁路中有空氣隙時，則可應(yīng)用空氣的導(dǎo)磁率μ0=注意30第四節(jié)電磁感應(yīng)

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它揭示了電與磁相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的重要方面。在電工技術(shù)中，運(yùn)用原理制造的發(fā)電機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)和變壓器等電器設(shè)備為充分而方便地利用自然界的能源提供了條件，在電子技術(shù)中，廣泛地采用電感元件來控制電壓或電流的分配、發(fā)射、接收和傳輸電磁信號；在電磁測量中，除了許多重要電磁量的測量直接應(yīng)用電磁感應(yīng)原理外，一些非電磁量也可用之轉(zhuǎn)換成電磁量來測量，從而發(fā)展了多種自動化儀表。返回本章你知道嗎第四節(jié)電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，31一、電磁感應(yīng)定律1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象1820年奧斯特的發(fā)現(xiàn)第一次揭示了電流能夠產(chǎn)生磁。法拉第很快就想到磁能否產(chǎn)生電，精心地實驗研究了10余年后，終于在1831年第一次發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并總結(jié)出電磁感應(yīng)定律。什么是電磁感應(yīng)現(xiàn)象？產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的條件是什么？如圖1-12

一、電磁感應(yīng)定律32圖1-12線圈的感應(yīng)電勢返回圖1-12線圈的感應(yīng)電勢返回332.電磁感應(yīng)定律為了表述電磁感應(yīng)的規(guī)律，以一匝線圈為例。如圖1-13所示設(shè)在時刻t1穿過導(dǎo)線回路的磁通量是φ1，在時刻t2

穿過導(dǎo)線回路的磁通量是φ2

，那么，在這段時間內(nèi)穿過回路的磁通量的變化是，則磁通量的變化率反映了磁通量變化的快慢和趨勢。圖1-132.電磁感應(yīng)定律圖1-1334法拉第電磁感應(yīng)定律精確的實驗表明，導(dǎo)體回路中感應(yīng)電動勢的大小等于穿過回路的磁通量的變化率。這個結(jié)論叫做法拉第電磁感應(yīng)定律。即：

（1-17）

式中的負(fù)號代表感應(yīng)電動勢方向。感應(yīng)電動勢的方向問題是法拉第電磁感應(yīng)定律的重要組成部分。

法拉第電磁感應(yīng)定律35式（1-17）只適用于單匝導(dǎo)線組成的回路如果回路不是單匝線框而是多匝線圈，如果穿過每匝線圈的磁通量相同，均為，則，稱為磁鏈或全磁通。則式（1-17）可表達(dá)為

說明式（1-17）只適用于單匝導(dǎo)線組成的回路如果回路不是說明36由愣次定律可知，感應(yīng)電動勢的方向總是使得其感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通來阻止原有磁通量的變化（增加或少）。即根據(jù)感應(yīng)電流的方向可以說明感應(yīng)電動勢方向。感應(yīng)電動勢的方向由愣次定律可知，感應(yīng)電動勢的方向總是使得其感應(yīng)電感應(yīng)電動勢的37圖1-14感應(yīng)電動勢方向的確定返回圖1-14感應(yīng)電動勢方向的確定返回38如圖1-14，在圖中把極插入線圈，可以看到磁棒插入過程中穿過線圈的向下的磁通量增加，根據(jù)右手定則可知，這時感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場方向朝上，其作用相當(dāng)于阻止線圈中磁通量的增加。若線圈不動，磁鐵向下運(yùn)動，則通過線圈的磁通φ1的方向向下，而且對線圈來說磁通是增加的，由楞次定律知線圈感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通φ2的方向與穿過它的磁鐵磁通φ1方向相反，再根據(jù)右手定則知感應(yīng)電流i從線圈內(nèi)部a流向b，而感應(yīng)電動勢eL的方向與其一致，由a經(jīng)線圈內(nèi)部指向b，而線圈兩端的電壓由b指向a如圖1-14所示。如圖1-14，在圖中把極插入線圈，可以看到磁棒插入過程39感應(yīng)電動勢的確定一般情形下，感應(yīng)電動勢的大小和方向可由下式來決定：（1-19）式中的負(fù)號體現(xiàn)了感應(yīng)電動勢eL的方向總是與磁通Φ的增量相關(guān)。感應(yīng)電動勢的確定40三、自感系數(shù)當(dāng)一線圈中的電流變化時，它所激發(fā)的磁場通過線圈自身的磁通量（或磁通匝鏈數(shù)）也在變化，使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這種因線圈中電流變化而在線圈自身所引起的感應(yīng)現(xiàn)象通常叫做自感現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電動勢叫做自感電動勢。如圖1-17實驗。三、自感系數(shù)41（a）（b）圖1-17自感現(xiàn)象的演示自感現(xiàn)象（a）（b）自感現(xiàn)象42（1-21）

（1-22）

（1-23）式1-23相量圖如圖1-18所示。

圖1-18

43由式1-23可以看出，對于相同的電流變化率，比例系數(shù)L越大的線圈所產(chǎn)生的自感電動勢越大，即自感作用越強(qiáng)。比例系數(shù)L稱為自感系數(shù)，簡稱自感（電感）。根據(jù)式（1-21）和式（1-22）也有自感的兩種定義。據(jù)式（1-22），自感在數(shù)值上等于線圈中電流強(qiáng)度變化率為1單位時，在這線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；或者，據(jù)式（1-21），自感在數(shù)值上等于線圈中電流強(qiáng)度為1單位時通過線圈自身的磁通匝鏈數(shù)。對式1-23的闡述由式1-23可以看出，對于相同的電流變化率，比例系數(shù)L越對式44三、鐵心線圈電路鐵心線圈分為兩種：

1.通直流電勵磁的直流鐵心線圈，如直流電機(jī)的勵磁線圈、電磁吸盤及各種直流電器的線圈；

2.通交流電勵磁的交流鐵心線圈，如交流電機(jī)、變壓器及各種交流電器的線圈。三、鐵心線圈電路45A.直流鐵心線圈的磁路

通直流電勵磁的直流鐵心線圈的磁路的分析比較簡單，因為勵磁電流是直流，產(chǎn)生的磁通是固定的，由式

(1-22)知在線圈和鐵心中不會感生電動勢，在一定的直流電壓U下,線圈中的電流I只和線圈本身的電阻R有關(guān)，即。這就是為什么交流線圈不能隨意接直流電源的原因。直流鐵心線圈的磁路A.直流鐵心線圈的磁路直流鐵心線圈的磁路46B.交流鐵心線圈的磁路

外加電壓與磁通φ的關(guān)系，轉(zhuǎn)換為相量形式：注：（1）在相位上，磁通φ滯后于外加電壓90°

（2）磁通的極大值φm取決于外加正弦電壓的有效值與頻率。

交流鐵心線圈的磁路B.交流鐵心線圈的磁路交流鐵心線圈的磁路47四、功率損耗與渦電流

圖1-21渦電流磁滯損耗有功損耗渦流損耗功率損耗磁滯損耗(ΔPh)：當(dāng)鐵磁體被反復(fù)磁化時,由于磁滯原因而引起的功率損耗。渦流損耗(ΔPe)：當(dāng)鐵心中磁通發(fā)生變化時,在鐵心內(nèi)引起感應(yīng)電動勢和電流(即渦流)。由于渦流在鐵心中造成的功率損耗。四、功率損耗與渦電流圖1-21渦電流磁滯損耗有功損耗渦48圖1-22變壓器鐵芯中的渦流損耗及改善措施圖1-22變壓器鐵芯中的渦流損耗及改善措施49圖1-23轉(zhuǎn)速記原理應(yīng)用圖1-23轉(zhuǎn)速記原理50五、電磁鐵

電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵，再由銜帶動控制觸點閉合、斷開或銜鐵的動作可使其它機(jī)械裝置發(fā)生聯(lián)動。當(dāng)電源斷開時，電磁鐵的磁性隨著消失，銜鐵或其它零件即被釋放。電磁鐵可分為線圈、鐵心及銜鐵三部分。如圖1-24所示的是某種電磁鐵的結(jié)構(gòu)型式。五、電磁鐵51圖1-24電磁鐵結(jié)構(gòu)圖電磁鐵結(jié)構(gòu)圖1-24電磁鐵結(jié)構(gòu)圖52IU直流勵磁線圈電路的特點（R

為線圈的電阻）1.直流電磁鐵IU直流勵磁線圈電路的特點（R為線圈的電阻）1.直流電53直流電磁鐵U一定I一定磁動勢F=IN一定磁通和磁阻成反比

（線圈中沒有反電動勢）IU直流電磁鐵U一定I一定磁動勢F=IN一定磁通和54交流勵磁線圈電路的特點ui2.交流電磁鐵交流激勵線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢交流勵磁線圈電路的特點ui2.交流電磁鐵交流激勵線圈中產(chǎn)生感55ui交流電磁鐵電路方程：的感應(yīng)電勢和產(chǎn)生一般情況下很小ui交流電磁鐵電路方程：的感應(yīng)電勢和56假設(shè)則ui假設(shè)則ui57有效值相量有效值相量58交流磁路中磁阻Rm對電流的影響電磁鐵吸合過程的分析：在吸合過程中若外加電壓不變,則Φ基本不變。iu交流磁路中磁阻Rm對電流的影響電磁鐵吸合過程的分析：在吸合過59小電流小電磁鐵吸合后(氣隙?。?/p>

大起動電流大電磁鐵吸合前(氣隙大）注意：如果氣隙中有異物卡住，電磁鐵長時間吸不上，線圈中的電流一直很大，將會導(dǎo)致過熱，把線圈燒壞。

小電流小電磁鐵吸合后(氣隙小）大60

第一章電與磁概述電工設(shè)備中發(fā)生的物理過程通常同時包含“電”和“磁”這兩個緊密相連的現(xiàn)象，即電生磁，磁生電。例如在電路原理課程中討論交流電路時所考慮的感應(yīng)電動勢，就是線圈中所鏈磁通隨時間變化而引起的；不過當(dāng)時我們用一個線性的電路參數(shù)“電感”來表達(dá)這個作用，僅從電路概念加以分析。本章重點闡述磁場基本概念和基本物理量，分析磁性材料的磁性能和磁路計算的基本定律。第一章電與磁概述61

第一章電與磁

本章主要講解內(nèi)容

第一節(jié)

磁場的基本概念和基本物理量

第二節(jié)

鐵磁材料的磁性能

第三節(jié)磁路的基本概念

第四節(jié)

電磁感應(yīng)第一章電與磁本章主要講解內(nèi)容62第一節(jié)磁場的基本概念和基本物理量一、磁場的基本概念

1．磁場與磁力線

（1）磁場:當(dāng)小磁針靠近永久磁鐵時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這表明在永久磁鐵的周圍有一種物質(zhì)存在，這一物質(zhì)稱為磁場。

（2）磁力線:磁場的分布情況用閉合磁力線來描述。在磁鐵的外部，磁力線從N極出發(fā)，經(jīng)外部空間進(jìn)入S極；再由S極經(jīng)磁鐵內(nèi)部回到N極而組成閉合回線，即磁力線是閉合的。

返回本章第一節(jié)磁場的基本概念和基本物理量一、磁場的基本概念返63圖1-1條形磁鐵的磁場返回（3）磁場方向l1曲線上a點的磁場方向即為a點切線l2的方向，（4）磁場強(qiáng)弱磁力線的疏密反映了磁場各處磁性的強(qiáng)弱程度；靠近磁鐵兩端的磁力線密，磁場就強(qiáng)，遠(yuǎn)離磁鐵兩端的磁力線疏，磁場就弱。圖1-1條形磁鐵的磁場返回（3）磁場方向64返回2．電流的磁效應(yīng)除了永久磁鐵周圍存在磁場外，當(dāng)小磁針靠近通電導(dǎo)線(或通電導(dǎo)線繞成的螺旋管線圈)，小磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這說明通電導(dǎo)線的周圍和磁鐵一樣也存在著磁場，這種現(xiàn)象，稱為電流的磁效應(yīng)。磁場是由電流產(chǎn)生的，磁場的強(qiáng)弱及方向由通過導(dǎo)線的電流決定。返回2．電流的磁效應(yīng)65（a）通電直導(dǎo)體（b）通電螺線管線圈圖1-2磁場與電流的方向返回2．電流的磁效應(yīng)磁場方向的確定：（a）右手握住直導(dǎo)體，拇指指向電流方向，則彎曲的四指的指向即為磁場方向。（b）右手握住線圈，彎曲的四指指向電流方向，則拇指的指向即為螺旋管內(nèi)部的磁場方向。（a）通電直導(dǎo)體（b）通電螺線管線圈返回2．66二、磁場的基本物理量

1．磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁感應(yīng)強(qiáng)度B

是表示磁場空間某點的磁場強(qiáng)弱和方向的物理量，是矢量。其定義式為:q-電荷所帶電量，單位是庫倫（C）B-磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位是特斯拉（Tesla）V-電荷運(yùn)動速度，單位是米/秒（m/s）f-電磁力，單位是牛頓（N）二、磁場的基本物理量q-電荷所帶電量，單位是庫倫（C）B67

均勻磁場：如果磁場內(nèi)各點磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向均同，則稱其為均勻磁場。均勻磁場可用疏密均勻、方向相同的磁力線來表示（本書若沒有特別說明，都指均勻磁場）。在均勻磁場中I–

通人導(dǎo)體的電流單位是安培(A)

f

-電磁力，單位是牛頓（N）l

-導(dǎo)體長度，單位是米(m)均勻磁場：如果磁場內(nèi)各點磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向均I–通68

2．磁通定義：

磁通的定義是磁感應(yīng)強(qiáng)度（假設(shè)磁場為均勻磁場）與垂直于磁場方向的面積的乘積定義式：B

單位：特斯拉（Tesla）φ

單位：韋伯（Wb）2．磁通B單位：特斯拉（Tesla）φ69

3．磁場強(qiáng)度

磁場強(qiáng)度是計算磁場所用的物理量，其大小為磁感應(yīng)強(qiáng)度和導(dǎo)磁率之比。

B

單位：特斯拉單位：安/米單位：亨/米IN為電流與線圈匝數(shù)的乘積，稱為磁動勢，用字F表示

F=NI(磁勢單位為A)3．磁場強(qiáng)度B單位：特斯拉單位：安/米70

4．磁導(dǎo)率（導(dǎo)磁系數(shù)）和相對磁導(dǎo)率

（1）磁導(dǎo)率

定義：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量。定義式：μ=B/H(H/m)

（2）相對磁導(dǎo)率

定義：一般材料的磁導(dǎo)率和真空中的磁導(dǎo)率之比，稱為這種材料的相對磁導(dǎo)率。定義式：μr=μ/μ04．磁導(dǎo)率（導(dǎo)磁系數(shù)）和相對磁導(dǎo)率71第二節(jié)鐵磁材料的磁性能

為了在一定的的磁勢作用下能激勵較強(qiáng)的磁場，以使電機(jī)和變壓器等電器設(shè)備尺寸縮小、重量減輕、性能改善，必須增加磁路的磁導(dǎo)率。所以電機(jī)和變壓器的鐵心常用磁導(dǎo)率較高的鐵磁材料制成，下面對常用的鐵磁材料及其性質(zhì)作簡要說明。返回本章說明第二節(jié)鐵磁材料的磁性能為了在一定的的磁勢作用下能激721.高導(dǎo)磁性（a）(b)

圖1-3磁性材料的磁化思考：磁疇、磁化1.高導(dǎo)磁性（a）732.磁飽和性圖1-4磁化曲線圖1-5與H的關(guān)系非飽和段：oa、ab段半飽和段：bc段飽和段：c點以后圖1-42.磁飽和性圖1-4磁化曲線圖1-5與H743.磁滯性

如果勵磁線圈中通入交變勵磁電流,對鐵心進(jìn)行反復(fù)磁化，磁感應(yīng)強(qiáng)的變化總是滯后于磁場強(qiáng)度的變化,這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象.為消除剩磁所加的反向磁場強(qiáng)度值Hc稱為矯頑力。圖1-6磁滯回線3.磁滯性圖1-6磁滯回線75由實驗可知，鐵磁材料不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。圖1-7中示出了幾種鐵磁材料的磁化曲線。按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料可以分成三種類型：軟磁材料、永磁材料、矩磁材料。鐵磁材料的類型由實驗可知，鐵磁材料不同，其磁滯回線和磁化曲線也不鐵磁材料的76⑴軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金及鐵氧體等。鐵氧體在電子技術(shù)中應(yīng)用也很廣泛，例如可做計算機(jī)的磁心，磁鼓以及錄音機(jī)的磁帶、磁頭。⑴軟磁材料77⑵永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼、鈷鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。⑶矩磁材料

具有較小的矯頑力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計算機(jī)系統(tǒng)中可用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體及1J51型鐵鎳合金等。⑵永磁材料78鐵磁物質(zhì)的磁性是與磁疇結(jié)構(gòu)分不開的。當(dāng)鐵磁物質(zhì)受到強(qiáng)烈的振動，或在高溫下由于劇烈熱運(yùn)動影響，磁疇取向性容易混亂。這時與磁疇聯(lián)系的一系列鐵磁物質(zhì)（如高導(dǎo)磁率、磁滯等），就會全部消失。因此，管理人員在維修和安裝電機(jī)時，都應(yīng)注意。注意啦?。?！注意啦?。?！79第三節(jié)磁路的基本概念一、磁路

在工程上，為了得到較強(qiáng)的磁場，廣泛利用了鐵磁物質(zhì)。在電機(jī)、變壓器、繼電器、儀表等電器設(shè)備

中應(yīng)用鐵磁物質(zhì)制成一定的形狀，即人為地造成磁

通的路徑，磁通主要在這部分空間內(nèi)閉合，其周圍

則因?qū)Т畔禂?shù)小得多而磁通極少。這種磁通的路徑

稱為磁路。

返回本章？磁路第三節(jié)磁路的基本概念一、磁路返回本章？磁路80圖1-8（a）是永磁式（磁電式）儀表的磁路，圖1-8（b）為電磁繼電器的磁路，圖1-8（c）為單相鐵心式變壓器的磁路，圖1-8（d）為四極轉(zhuǎn)樞式電機(jī)的磁路；圖1-8幾種常見磁路幾種常見的磁路圖1-8（a）是永磁式（磁電式）儀表的磁路，圖1-8（b）圖81二、磁路的基本定律與磁路的特點

磁路概念的建立，是基于鐵磁物質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)大大地超過了非鐵磁物質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)。然而，若以此與電路相比，在電路中，導(dǎo)電材料的電導(dǎo)系數(shù)一般比電路周圍絕緣材料的電導(dǎo)系數(shù)大幾千萬倍以上，而磁路中的導(dǎo)磁材料的導(dǎo)磁系數(shù)一般不過比非磁性材料的導(dǎo)磁系數(shù)大幾千倍。因此，在磁路中漏磁現(xiàn)象比電路中漏電的現(xiàn)象大為顯著。把按照我們安排的路徑而閉合的磁通稱為主磁通，而把不按照這種路徑閉合的磁通稱為漏磁通。二、磁路的基本定律與磁路的特點82（a）（b）圖1-9磁路中的磁場分布（a）83磁路定律磁路定律是由描述磁場性質(zhì)的磁通連續(xù)性原理和安培環(huán)路定律導(dǎo)來的。圖1-10有分支磁路的分配磁路定律圖1-10有分支磁路的分配841.磁路的基爾霍夫第一定律

在磁路的分支處所連接著的各個鐵梗中磁通的代數(shù)和應(yīng)恒等于零。

2.磁路的基爾霍夫第二定律磁路中沿任意閉合回路磁壓的代數(shù)和等于沿該回路磁勢的代數(shù)和。1.磁路的基爾霍夫第一定律2.磁路的基爾霍夫第二定律85綜上所述，磁路和電路有很多相似之處。與電路一樣，計算磁路也是以磁路的基爾霍夫兩條定律相似的定律為基礎(chǔ)的。磁路的磁通、磁勢、磁壓、磁阻等量與電路中的電流、電動勢、電壓、電阻等量一一對應(yīng)。而且，磁路的歐姆定律對應(yīng)于電路的歐姆定律。另外必須指出，磁路和電路有一個本質(zhì)的差別，即磁通并不像電流一樣代表某種質(zhì)點的運(yùn)動。恒定磁通通過某磁阻并不像恒定電流通過電阻時那樣具有能量形式的轉(zhuǎn)換，會使電阻發(fā)熱。恒定的磁通的維持不需要任何能量，與電路中的焦耳-楞次定律相似的磁路定律是不存在的。對比思考綜上所述，磁路和電路有很多相似之處。與電路一樣，計算磁路也是86三、恒定磁通無分支磁路的計算

磁路的計算可以分為兩類：（1）已知磁通求磁勢；（2）已知磁勢求磁通。

在此我們僅討論已知磁通求磁勢，并且僅討論無分支

磁路。

練習(xí)一下計算三、恒定磁通無分支磁路的計算練習(xí)一下計算87無分支磁路中已知磁通求磁勢，可以按照下列步驟進(jìn)行：1.按照材料和截面的不同進(jìn)行分段；2.作出中心線，按照所給尺寸計算出磁路各段的截面S1、S2…和長度l1、l2…；3.按已知的磁通計算各個段落的磁感應(yīng)強(qiáng)度：

無分支磁路中已知磁通求磁勢，可以按照下列884.從各材料的B-H曲線（基本磁化曲線）上按已算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1、B2……找出與它們相對應(yīng)的磁場強(qiáng)度H1、H2……5.按照磁路的基爾霍夫第二定律求出所需要的磁勢：4.從各材料的B-H曲線（基本磁化曲線）上按已算出的89當(dāng)所給磁路中有空氣隙時，則可應(yīng)用空氣的導(dǎo)磁率μ0=

4π×10-7H/m，由空氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0

計算其磁場強(qiáng)度H0

：注意當(dāng)所給磁路中有空氣隙時，則可應(yīng)用空氣的導(dǎo)磁率μ0=注意90第四節(jié)電磁感應(yīng)

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它揭示了電與磁相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的重要方面。在電工技術(shù)中，運(yùn)用原理制造的發(fā)電機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)和變壓器等電器設(shè)備為充分而方便地利用自然界的能源提供了條件，在電子技術(shù)中，廣泛地采用電感元件來控制電壓或電流的分配、發(fā)射、接收和傳輸電磁信號；在電磁測量中，除了許多重要電磁量的測量直接應(yīng)用電磁感應(yīng)原理外，一些非電磁量也可用之轉(zhuǎn)換成電磁量來測量，從而發(fā)展了多種自動化儀表。返回本章你知道嗎第四節(jié)電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，91一、電磁感應(yīng)定律1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象1820年奧斯特的發(fā)現(xiàn)第一次揭示了電流能夠產(chǎn)生磁。法拉第很快就想到磁能否產(chǎn)生電，精心地實驗研究了10余年后，終于在1831年第一次發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并總結(jié)出電磁感應(yīng)定律。什么是電磁感應(yīng)現(xiàn)象？產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的條件是什么？如圖1-12

一、電磁感應(yīng)定律92圖1-12線圈的感應(yīng)電勢返回圖1-12線圈的感應(yīng)電勢返回932.電磁感應(yīng)定律為了表述電磁感應(yīng)的規(guī)律，以一匝線圈為例。如圖1-13所示設(shè)在時刻t1穿過導(dǎo)線回路的磁通量是φ1，在時刻t2

穿過導(dǎo)線回路的磁通量是φ2

，那么，在這段時間內(nèi)穿過回路的磁通量的變化是，則磁通量的變化率反映了磁通量變化的快慢和趨勢。圖1-132.電磁感應(yīng)定律圖1-1394法拉第電磁感應(yīng)定律精確的實驗表明，導(dǎo)體回路中感應(yīng)電動勢的大小等于穿過回路的磁通量的變化率。這個結(jié)論叫做法拉第電磁感應(yīng)定律。即：

（1-17）

式中的負(fù)號代表感應(yīng)電動勢方向。感應(yīng)電動勢的方向問題是法拉第電磁感應(yīng)定律的重要組成部分。

法拉第電磁感應(yīng)定律95式（1-17）只適用于單匝導(dǎo)線組成的回路如果回路不是單匝線框而是多匝線圈，如果穿過每匝線圈的磁通量相同，均為，則，稱為磁鏈或全磁通。則式（1-17）可表達(dá)為

說明式（1-17）只適用于單匝導(dǎo)線組成的回路如果回路不是說明96由愣次定律可知，感應(yīng)電動勢的方向總是使得其感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通來阻止原有磁通量的變化（增加或少）。即根據(jù)感應(yīng)電流的方向可以說明感應(yīng)電動勢方向。感應(yīng)電動勢的方向由愣次定律可知，感應(yīng)電動勢的方向總是使得其感應(yīng)電感應(yīng)電動勢的97圖1-14感應(yīng)電動勢方向的確定返回圖1-14感應(yīng)電動勢方向的確定返回98如圖1-14，在圖中把極插入線圈，可以看到磁棒插入過程中穿過線圈的向下的磁通量增加，根據(jù)右手定則可知，這時感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場方向朝上，其作用相當(dāng)于阻止線圈中磁通量的增加。若線圈不動，磁鐵向下運(yùn)動，則通過線圈的磁通φ1的方向向下，而且對線圈來說磁通是增加的，由楞次定律知線圈感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通φ2的方向與穿過它的磁鐵磁通φ1方向相反，再根據(jù)右手定則知感應(yīng)電流i從線圈內(nèi)部a流向b，而感應(yīng)電動勢eL的方向與其一致，由a經(jīng)線圈內(nèi)部指向b，而線圈兩端的電壓由b指向a如圖1-14所示。如圖1-14，在圖中把極插入線圈，可以看到磁棒插入過程99感應(yīng)電動勢的確定一般情形下，感應(yīng)電動勢的大小和方向可由下式來決定：（1-19）式中的負(fù)號體現(xiàn)了感應(yīng)電動勢eL的方向總是與磁通Φ的增量相關(guān)。感應(yīng)電動勢的確定100三、自感系數(shù)當(dāng)一線圈中的電流變化時，它所激發(fā)的磁場通過線圈自身的磁通量（或磁通匝鏈數(shù)）也在變化，使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這種因線圈中電流變化而在線圈自身所引起的感應(yīng)現(xiàn)象通常叫做自感現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電動勢叫做自感電動勢。如圖1-17實驗。三、自感系數(shù)101（a）（b）圖1-17自感現(xiàn)象的演示自感現(xiàn)象（a）（b）自感現(xiàn)象102（1-21）

（1-22）

（1-23）式1-23相量圖如圖1-18所示。

圖1-18

103由式1-23可以看出，對于相同的電流變化率，比例系數(shù)L越大的線圈所產(chǎn)生的自感電動勢越大，即自感作用越強(qiáng)。比例系數(shù)L稱為自感系數(shù)，簡稱自感（電