汽車電工電子基礎(chǔ) 第2版 教學(xué)大綱 模塊二任務(wù)四 認(rèn)識與運(yùn)用磁場

福建工業(yè)學(xué)校電子講義第15頁共15頁項(xiàng)目二電磁器件任務(wù)四認(rèn)識與運(yùn)用磁場【任務(wù)目標(biāo)】知識目標(biāo)：及相關(guān)物理量；作用；掌握通電線圈在繼電器中的應(yīng)用。核心素養(yǎng)：逐漸養(yǎng)成探索工程領(lǐng)域復(fù)雜實(shí)驗(yàn)和工程問題的精神，善于觀察和總結(jié)分析問題。技能目標(biāo)：探究用鐵屑及條形磁鐵模擬磁場分布實(shí)驗(yàn)；探究通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場及磁感線；探究通電線圈產(chǎn)生的磁場及磁感線；探究通電線圈磁場強(qiáng)弱與流過電流大小和線圈匝數(shù)的關(guān)系。建議課時：6課時?！救蝿?wù)描述】汽車上的電動機(jī)、發(fā)電機(jī)的工作都與磁場密切相關(guān)。磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質(zhì)，雖然它不是由原子或分子組成的，但卻是客觀存在的。本任務(wù)借助相關(guān)實(shí)驗(yàn)來介紹磁場產(chǎn)生過程和相關(guān)概念。【任務(wù)實(shí)施】磁場認(rèn)知。一、器材磁場認(rèn)知實(shí)驗(yàn)所需器材見表2-12。表2-12磁場認(rèn)知實(shí)驗(yàn)所需器材序號 名 稱 實(shí)物圖序號 名 稱 實(shí)物圖1磁鐵6直導(dǎo)線2蓄電池7通孔平板及線圈3開關(guān)8滑動變阻器4限流電阻9自攻長鐵螺釘和大頭針5小磁針10漆包線二、用鐵屑及條形磁鐵模擬磁場分布實(shí)驗(yàn)用鐵屑及條形磁鐵模擬磁場分布實(shí)驗(yàn)的步驟見表2-13。表2-13用鐵屑及條形磁鐵模擬磁場分布實(shí)驗(yàn)步驟步 驟 實(shí)施項(xiàng)目 實(shí)施示意圖1將條形磁鐵放置在一塊平板玻璃上2往放置條形磁鐵的玻璃上撒鐵屑粉，觀察鐵屑粉的分布情況3在條形磁鐵的周邊放置小磁針，觀察小磁針偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象三、通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場及磁感線通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場及磁感線實(shí)驗(yàn)步驟見表2-14。表2-14通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場及磁感線實(shí)驗(yàn)步驟步 驟實(shí)施項(xiàng)目實(shí)施示意圖1仿照項(xiàng)目一串并聯(lián)電路的連接方法，用導(dǎo)線串聯(lián)連接蓄電池、開關(guān)、電阻。小磁針放在直導(dǎo)線旁邊該實(shí)驗(yàn)在無風(fēng)無干擾環(huán)境中進(jìn)行，右圖為直導(dǎo)線未通電時的情況2直導(dǎo)線通電時，觀察小磁針的偏擺步 驟實(shí)施項(xiàng)目實(shí)施示意圖3改變直導(dǎo)線通電電流方向，觀察小磁針的偏擺四、通電線圈產(chǎn)生的磁場及磁感線通電線圈產(chǎn)生的磁場及磁感線實(shí)驗(yàn)如表2-15所示。表2-15通電線圈產(chǎn)生的磁場及磁感線實(shí)驗(yàn)步驟步 驟實(shí)施項(xiàng)目實(shí)施示意圖1右圖是在通孔平板上用導(dǎo)線連接蓄電池與線圈，線圈周圍放置鐵屑和小磁針，線圈未通電2線圈通電時，觀察鐵屑和小磁針的分布情況3線圈電流方向改變時，觀察鐵屑和小磁針的分布情況4根據(jù)右手螺旋定則判別磁感線方向五、通電線圈磁場強(qiáng)弱與流過電流大小和線圈匝數(shù)關(guān)系通電線圈磁場強(qiáng)弱與流過電流大小和線圈匝數(shù)實(shí)驗(yàn)步驟見表2-16。表2-16通電線圈磁場強(qiáng)弱與流過電流大小和線圈匝數(shù)實(shí)驗(yàn)步驟步 驟實(shí)施項(xiàng)目實(shí)施示意圖1在自攻長鐵螺釘上纏繞導(dǎo)線，形成通電線圈，連接蓄電池、開關(guān)、滑動變阻器和線圈，開關(guān)閉合后用自攻長鐵螺釘去吸附大頭針，右圖為滑動變阻器位于中間位置時，觀察吸附大頭針的數(shù)量2改變流入線圈的電流大小，觀察到的現(xiàn)象3改變線圈匝數(shù)觀察到的現(xiàn)象【檢測評價(jià)】檢測評價(jià)見表2-17。表2-17檢測評價(jià)序號實(shí)操活動步驟評分細(xì)則分值得分序號實(shí)操活動步驟評分細(xì)則分值得分1準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需器材正確、充分準(zhǔn)備相關(guān)器材102用鐵屑及條形磁鐵模擬磁場分布觀察鐵屑及條形磁鐵模擬磁場分布的情況動作規(guī)范合理鐵屑分布均勻103通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場及磁感線觀察通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場及磁感線動作規(guī)范合理導(dǎo)線連接正確154通電線圈產(chǎn)生的磁場及磁感線觀察通電線圈產(chǎn)生的磁場及磁感線動作規(guī)范合理正確改變正負(fù)極小磁針不受干擾205通電線圈磁場強(qiáng)弱與流過電流大小和線圈匝數(shù)的關(guān)系驗(yàn)證通電線圈磁場強(qiáng)弱與流過電流大小和線圈匝數(shù)的關(guān)系動作規(guī)范合理電路連接正確正確改變正負(fù)極大頭針能被吸附206素養(yǎng)提升探索精神具有探索工程領(lǐng)域復(fù)雜實(shí)驗(yàn)和工程問題的精神，善于觀察和總結(jié)分析問題10安全文明生產(chǎn)按指導(dǎo)教師要求操作，操作完畢，把器材斷開并歸位，并進(jìn)行工位清潔和整理，節(jié)約材料107時間操作時間為40min每超過1min扣1分10合計(jì)100【知識鏈接】一、磁體及性質(zhì)觀察表2-13步驟2的現(xiàn)象，我們把金屬條吸引鐵、鎳、鈷等金屬的性質(zhì)就稱為磁性。具有磁性的物體叫磁體。常見的磁體有條形、馬蹄形、圓形等，其實(shí)物如圖2-18所示。磁體上磁性最強(qiáng)的部位叫磁極。任何磁體都有兩個磁極，而且無論怎樣把磁體分割，磁體總保持兩個磁極，通常以S表示磁體的南極，以N表示磁體的北極。磁極間的相互作用力叫磁力，磁極間相互作用的規(guī)律是：同性相斥，異性相吸，如圖2-19所示。原來沒有磁性的鐵磁物質(zhì)，放在磁鐵旁邊會獲得磁性，這一現(xiàn)象叫磁化。被磁化的鐵磁物質(zhì)遠(yuǎn)離磁鐵后仍保留一定的磁性，叫剩磁。圖2-18常見磁體形狀圖2-19磁體間相互作用示意圖只有鐵磁性物質(zhì)才能被磁化，而非鐵磁性物質(zhì)是不能被磁化的。這是因?yàn)殍F磁物質(zhì)可以看作是由許多被稱為磁疇的小磁體所組成。在無外磁場作用時，磁疇排列雜亂無章，磁性互相抵消，對外不顯磁性；但在外磁場作用下，磁疇就會沿著外磁場方向變成整齊有序的排列，所以整體也就具有了磁性。對鐵磁材料，可以分為以下幾類：（1）硬磁材料特點(diǎn)：不易磁化，不易退磁；典型材料及用途：碳鋼、鈷鋼等，適合制作永久磁鐵，揚(yáng)聲器的磁鋼。（2）軟磁材料特點(diǎn)：容易磁化，容易退磁；典型材料及用途：硅鋼、鑄鋼、鐵鎳合金等，適合制作電機(jī)、變壓器、繼電器等設(shè)備中的鐵心。（3）矩磁材料特點(diǎn)：很易磁化，很難退磁；典型材料及用途：錳鎂鐵氧體、鋰錳鐵氧體等，適合制作磁帶、計(jì)算機(jī)的磁盤。二、磁場及磁感線通過表2-13實(shí)驗(yàn)可知，條形磁鐵周圍存在磁力作用的空間，當(dāng)鐵屑置入該空間時，就要受到磁力的作用，鐵屑在這個磁力的作用下，產(chǎn)生有規(guī)則的排列，人們通常把這個磁體（條形磁鐵）產(chǎn)生的磁力空間稱為磁場。為了形象地表示磁場在空間各點(diǎn)的強(qiáng)弱和方向，人們是根據(jù)圖2-19所示的小磁針在磁體周圍磁場的作用下有規(guī)則地排列的實(shí)驗(yàn)想象出磁感線，沿著磁體的N極出發(fā)，依次順著小磁針S、N極，再到磁體S極，最后再回到磁體N極所組成的閉合曲線就是磁感線。即磁感線是一條條從磁體北極沿磁體周圍空間到磁體南極，然后再通過磁體內(nèi)部回到北極的閉合曲線。曲線上每一點(diǎn)的切線方向（即小磁針N極在該點(diǎn)的指向）就表示該點(diǎn)的磁場方向，曲線在某處的疏密程度（單位面積內(nèi)的磁感線條數(shù)）就表示該處的磁場強(qiáng)弱。由圖2-20所示的還可以發(fā)現(xiàn)，在靠近N、S極附近，鐵屑比較密集，磁場強(qiáng)，遠(yuǎn)離N、S極，鐵屑分布比較稀疏，磁場弱。圖2-20條形磁鐵周圍小磁針分布圖2-21條形磁鐵周圍鐵屑分布在磁場分布的某一區(qū)域，如果磁感線是一些方向相同分布均勻的平行直線，那么稱這一區(qū)域?yàn)榫鶆虼艌觥Ｈ?、通電?dǎo)線或線圈產(chǎn)生的磁場及磁感線1．通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場及磁感線表2-14實(shí)驗(yàn)是奧斯特電流磁場實(shí)驗(yàn)。奧斯特電流磁場實(shí)驗(yàn)過程表明，通電的直導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生磁場，并且流過直導(dǎo)線的電流的大小和方向不同，會引起直導(dǎo)線各點(diǎn)周圍磁場的強(qiáng)度和方向都隨之改變。通電直導(dǎo)線產(chǎn)生磁場的方向可以用右手螺旋定則（也稱安培定則）來判定，如圖2-22所示。用右手握住圖2-22a的導(dǎo)線，伸直的大拇指的方向與流經(jīng)導(dǎo)線的電流方向一樣，則彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向。通電直導(dǎo)線周圍磁場的磁感線是一些以導(dǎo)線上各點(diǎn)為圓心的同心圓，這些同心圓都在與導(dǎo)線垂直的平面上，如圖2-22所示。a）b）圖2-22通電直導(dǎo)線磁感線方向判別和分布a）磁感線方向判別b）通電直導(dǎo)線的磁感線分布2．通電線圈產(chǎn)生的磁場及磁感線

由表2-15實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)線圈通電后會產(chǎn)生磁場。通電線圈產(chǎn)生磁場的方向也可以用右手螺旋定則來判定，如表2-15中步驟4圖所示。用右手握住線圈，四個手指的指向與流經(jīng)線圈的電流方向一樣，則大拇指所指的方向就是磁感線的方向。在線圈外部，磁感線從N極出來進(jìn)入S極，線圈內(nèi)部的磁感線方向由S極指向N極，并和外部的磁感線形成閉合曲線。我們還可以通過表2-16自制實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步證明：通電線圈產(chǎn)生磁場的強(qiáng)弱，不僅與線圈通過的電流大小有關(guān)，而且還與線圈的匝數(shù)有關(guān)，即與線的電流和匝數(shù)的乘積成正比。四、磁場基本物理量1．磁感應(yīng)強(qiáng)度

做一下圖2-23所示的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)器材有，電池、導(dǎo)線、直導(dǎo)線、電流表、滑動變阻器、開關(guān)、固定架、U形磁鐵。b）c）圖2-23通電直導(dǎo)線在電磁場受力實(shí)驗(yàn)a）通電前b）通電后，直導(dǎo)線運(yùn)動c）更換磁級，直導(dǎo)線向相反方向運(yùn)動實(shí)驗(yàn)時，先保持直導(dǎo)線通電部分的長度不變，改變滑動變阻器，來改變通過直導(dǎo)線電流大??；然后在改變直導(dǎo)線通電長度。比較兩次實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)，通電導(dǎo)線長度一定時，流過的電流越大，導(dǎo)線受到電磁力越大，運(yùn)動越快；電流一定時，通電直導(dǎo)線越長，收到的電磁力越大，運(yùn)動越快。習(xí)慣上，把在磁場中，垂直于磁場方向的通電導(dǎo)線，所受的電磁力F與導(dǎo)線通過的電流I和導(dǎo)線通電的長度L的乘積IL的比值稱為該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，用B表示，即B=F/IL，單位是特斯拉（T），也就是韋伯/平方米（Wb/m2）。磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個矢量，它的方向就是該點(diǎn)的磁場方向，可用右手螺旋定則來確定。在同一個磁場的磁感線分布圖上，磁感線越密的地方磁感應(yīng)強(qiáng)度越大、磁場越強(qiáng)。如果磁場內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等、方向相同，這樣的磁場則稱為均勻磁場。

2．磁通

觀察圖2-24所示，在條形磁鐵分布的磁場周圍，放置一個面積為S的平面。假設(shè)在平面放置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，且平面與磁感線垂直。則，定義磁感應(yīng)強(qiáng)度B與平面面積S的乘積，稱為穿個這個平面的磁通量，簡稱磁通，用Ф表示，單位是韋伯（Wb），也就是伏秒（V·S）。圖2-24磁通計(jì)算示意圖如果磁場不與所討論的平面垂直，則計(jì)算時，應(yīng)以平面在垂直于磁感線方向的投影面積S’與B的乘積來計(jì)算磁通。當(dāng)面積一定時，通過該面積的磁感線越多，則磁通越大，磁場越強(qiáng)。從Ф=BS，可得B=Ф/S，這表示磁感應(yīng)強(qiáng)度等于穿過單位面積的磁通，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱磁通密度，用Wb/m2作單位。3．磁導(dǎo)率

如果把表1-16實(shí)驗(yàn)所用的鐵螺絲釘改為銅制的銅棒，然后再通電線圈去吸附大頭針，發(fā)現(xiàn)吸的大頭針數(shù)目大大減少。這表明不同的媒介質(zhì)對磁場的影響不同，影響程度與媒介質(zhì)的導(dǎo)磁性能有關(guān)。磁導(dǎo)率是表征媒介質(zhì)磁化性質(zhì)的物理量，用符號μ表示，單位是亨利/米（H/m）。4．磁場強(qiáng)度

由表1-16的實(shí)驗(yàn)證明，通電線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與線圈的匝數(shù)、線圈長度及電流強(qiáng)度有關(guān)，它們之間存在以下關(guān)系：B0=μ0NI/L式中：B0—通電線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位T；μ0—真空的磁導(dǎo)率，單位H/m；N—線圈的匝數(shù)；L—線圈長度，單位m；I—線圈中的電流，單位A。如果線圈是置放在磁導(dǎo)率為μr的媒介質(zhì)，則磁感應(yīng)強(qiáng)度：B=μrμ0NI/L=μN(yùn)I/L由于磁感應(yīng)強(qiáng)度與媒介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)，為了計(jì)算簡便，引入磁場強(qiáng)度這一物理量。磁場中的某點(diǎn)磁場強(qiáng)度等于該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與媒介質(zhì)磁導(dǎo)率μ的比值，用H表示。即：H=B/μ將B=μN(yùn)I/L代入，可得H=NI/L，其單位為安培/米（A/m）。由H=NI/L可知，磁場強(qiáng)度的數(shù)值只與流過線圈電流的大小、匝數(shù)和長度有關(guān)，與磁場媒介質(zhì)的磁導(dǎo)率無關(guān)。即在一定電流下，同一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度不因磁場媒介質(zhì)的不同而改變。五、磁場對電流的作用1．磁場對通電直導(dǎo)體的作用由圖2-23的實(shí)驗(yàn)可知，通電的直導(dǎo)體在磁場中會受到力的作用而產(chǎn)生移動，習(xí)慣上，把通電的直導(dǎo)體在磁場中所受的作用力稱為電磁力（或安培力），單位是牛（N）。通電直導(dǎo)體在磁場中所受作用力的方向，可用左手定則判定：如圖2-25所示，將左手伸開，使拇指與四指垂直，讓磁感線垂直穿過掌心，四指朝向?qū)w電流的方向，大拇指所指的方向就是導(dǎo)體所受安培力的方向。（注：圖上虛線箭頭示磁力線方向，紅色箭頭示電流方向，黑色箭頭示導(dǎo)體的運(yùn)動方向）圖2-25電磁力判定利用磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)式B=F/IL?？傻秒姶帕Φ挠?jì)算式為：F=BIL如果電流方向與磁場方向不垂直，而是有一個夾角α，這時通電直導(dǎo)體的有效長度變?yōu)長sinα，電磁力的計(jì)算公式變?yōu)椋篎=BILsinα從上式可知，α=900時，即sin900=1，也就是直導(dǎo)體的電流方向與磁場垂直，電磁力最大；當(dāng)α=00時，即sin00=0，也就是直導(dǎo)體的電流方向與磁場平行時，電磁力最小為0（N）。2．磁場對通電矩形線圈的作用做一下圖2-26所示裝置的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)器材有：滑動變阻器、蓄電池、導(dǎo)線、固定磁鐵、矩形線圈、換向器、電刷、開關(guān)。圖2-26磁場對矩形線圈的作用當(dāng)按照圖2-26所示的電路連接好導(dǎo)線后，閉合開關(guān)，發(fā)現(xiàn)矩形線圈會順時針旋轉(zhuǎn)起來。線圈的旋轉(zhuǎn)方向可按左手定則加以驗(yàn)證。圖中靠近S極的導(dǎo)線，電流方向由外向里，根據(jù)左手定則，其受力向上，靠近N極的導(dǎo)線，電流方向由里向外，根據(jù)左手定則，其受力向下，線圈按順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)線圈平面與磁場方向垂直，即流過線圈的電流方向與磁場方向平行時，線圈收到的電磁力變?yōu)?，但由于慣性，線圈還會轉(zhuǎn)動，通過換向器的作用，線圈又重復(fù)上述過程，連續(xù)旋轉(zhuǎn)。改變滑動變阻器的位置，請觀察線圈的轉(zhuǎn)速發(fā)生什么變化？磁場對矩形線圈的作用，也是電動機(jī)工作的基本原理。六、通電線圈在汽車電氣系統(tǒng)的應(yīng)用1．在汽車?yán)^電器的應(yīng)用汽車上常用的繼電器有：閃光（轉(zhuǎn)向）繼電器、喇叭繼電器、刮水繼電器和起動繼電器等。下面重點(diǎn)介紹電容式閃光繼電器工作過程，其他繼電器的工作原理自行分析。電容式閃光繼電器的工作過程為（參見圖2-2）。如當(dāng)汽車要向左拐彎時，撥動汽車上的轉(zhuǎn)向開關(guān)至向左位置（轉(zhuǎn)向燈開關(guān)11向左撥動），電流從蓄電池正極、電源開關(guān)，接線柱B、線圈3、繼電器觸點(diǎn)2、接線柱L、開關(guān)11、左轉(zhuǎn)向燈（圖中標(biāo)號10）、搭鐵、蓄電池負(fù)極構(gòu)成回路。此時，線圈4、電容器（圖中標(biāo)號6）、及電阻（圖中標(biāo)號7）被觸點(diǎn)2短路，而無電流流過。電流流經(jīng)線圈3所產(chǎn)生的電磁吸力大于彈簧片1的作用力，觸點(diǎn)2被迅速打開，轉(zhuǎn)向燈處于滅狀態(tài)；當(dāng)觸點(diǎn)2打開后，蓄電池通過線圈4向電容器充電，充電電流流向?yàn)?，蓄電池正極、電源開關(guān)，接線柱B、線圈3、線圈4、電容器、接線柱L、開關(guān)11、左轉(zhuǎn)向燈（圖中標(biāo)號10）、搭鐵、蓄電池負(fù)極構(gòu)成回路，由于線圈4電阻很大，充電電流很小，不足以使轉(zhuǎn)向燈點(diǎn)亮，隨著電容器所充的電壓不斷升高，電流進(jìn)一步減小，此時線圈3、線圈4產(chǎn)生的電磁吸力不足于克服彈簧片1的作用力，觸點(diǎn)2閉合，觸點(diǎn)2閉合后，轉(zhuǎn)向燈點(diǎn)亮；轉(zhuǎn)向燈亮以后，也就是觸點(diǎn)2閉合，此時，電容器通過線圈4、觸點(diǎn)2放電，放電電流流經(jīng)線圈4所產(chǎn)生的電磁吸力與線圈3產(chǎn)生的電磁吸力相反，電磁吸力減弱，觸點(diǎn)2繼續(xù)閉合，隨著放電的進(jìn)行，放電電流減小，線圈4產(chǎn)生的電磁吸力減小，線圈3產(chǎn)生的電磁吸力增大，大于彈簧片1的作用力后，觸點(diǎn)2又打開，轉(zhuǎn)向燈熄滅。轉(zhuǎn)向燈就是在上述的控制過程中，如此循環(huán)動作，而發(fā)出有規(guī)律的閃爍。電阻7為滅弧電阻，防止繼電器因產(chǎn)生過高的感應(yīng)電壓而出現(xiàn)電火花。2．在直流電動機(jī)的應(yīng)用汽車上常見的直流電動機(jī)如圖2-27所示。拆卸后的結(jié)構(gòu)如圖2-28所示。主要由殼體、定子繞組、電樞、電子鐵心等組成。電樞繞組與勵磁繞組串聯(lián)的直流電動機(jī)又稱為串勵式直流電動機(jī)。圖2-27直流電動機(jī)外觀圖2-28直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)組成電樞又稱轉(zhuǎn)子，由若干薄的、外圓帶槽的硅鋼片疊成的鐵心和電樞