電子技工業(yè)務(wù)2 電子技工業(yè)務(wù)-第2節(jié) 電與磁

第2章

船舶電子電氣基礎(chǔ)一、磁場(chǎng)的基本概念和基本物理量第二節(jié)電與磁

磁鐵的內(nèi)部與周?chē)臻g存在磁場(chǎng),常用磁力線(或磁感應(yīng)線)來(lái)描述磁場(chǎng),如圖2-14所示。磁力線是閉合回線,我們通常用磁力線的疏密程度來(lái)表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱,用磁力線的方向表示磁場(chǎng)的方向,磁力線上任意一點(diǎn)的切線方向即為該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。磁鐵的磁力線是經(jīng)磁鐵內(nèi)部并通過(guò)周?chē)臻g而閉合,其磁力線方向規(guī)定,在磁鐵內(nèi)部是S極指向N極的方向,外部是由N極指向S極的方向。圖

2-14磁力線(一)磁通Φ第二節(jié)電與磁

磁通Φ是穿過(guò)某一截面S的磁力線總數(shù)。磁通Φ的單位要根據(jù)電磁感應(yīng)定律

來(lái)確定，在國(guó)際單位制（SI）中，磁通的單位為伏秒，稱(chēng)為韋伯（Wb）。在電磁單位制中：φ的單位是麥克斯韋（Mx），與國(guó)際單位的換算關(guān)系是：1Wb=108Mx。磁通是一個(gè)矢量，它的方向與該處的磁場(chǎng)強(qiáng)度方向一致。(二)磁感應(yīng)強(qiáng)度B第二節(jié)電與磁

若橫截面S與磁感應(yīng)強(qiáng)度B互相垂直,則B=Φ/S。磁感應(yīng)強(qiáng)度B是用來(lái)表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱及方向的物理量,它是一個(gè)矢量。如果磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相同,則這種磁場(chǎng)稱(chēng)為均勻磁場(chǎng)。對(duì)于非均勻磁場(chǎng),上式中的B可取S面內(nèi)的平均值。磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上等于穿過(guò)垂直于磁場(chǎng)方向上的單位面積上的磁通,故又稱(chēng)它為磁通密度。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位是Wb/m2,稱(chēng)為特維斯(T),在電磁單位制中,磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位是高斯(Gs)。1T=104Gs。(三)磁場(chǎng)強(qiáng)度H第二節(jié)電與磁

磁場(chǎng)強(qiáng)度H是計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)所引用的一個(gè)物理量,也是矢量,它用來(lái)描述磁場(chǎng)與電流間的關(guān)系。(四)磁導(dǎo)率μ第二節(jié)電與磁

磁導(dǎo)率μ是一個(gè)用來(lái)表示磁場(chǎng)媒質(zhì)磁性的物理量,也就是用來(lái)衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量。它與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積就等于磁感應(yīng)強(qiáng)度,即B=μH。磁場(chǎng)內(nèi)某一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H只與電流大小、線圈匝數(shù)以及該點(diǎn)的幾何位置有關(guān),而與磁場(chǎng)媒質(zhì)的磁導(dǎo)率無(wú)關(guān),就是說(shuō)在一定的電流值下,同一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度不會(huì)因磁場(chǎng)媒質(zhì)的不同而有異。但磁感應(yīng)強(qiáng)度B是與磁場(chǎng)媒質(zhì)的磁性有關(guān)的。當(dāng)線圈內(nèi)的媒質(zhì)不同時(shí),則磁導(dǎo)率μ不同,即使在同樣的電流值下,同一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小也不同,線圈內(nèi)的磁通也就不同了。(四)磁導(dǎo)率μ第二節(jié)電與磁

磁場(chǎng)強(qiáng)度H的國(guó)際單位是安/米(A/m),磁導(dǎo)率μ的國(guó)際單位制單位為H/m。由實(shí)驗(yàn)測(cè)出,真空的磁導(dǎo)率為μ0=4π×10-7H/m。因?yàn)檫@是一個(gè)常數(shù),所以將其他物質(zhì)的磁導(dǎo)率和它去比較是比較方便的。任意一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ和真空的磁導(dǎo)率μ0的比值,稱(chēng)為該物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率μr,即μr=μ/μ0。自然界的所有物質(zhì)按磁導(dǎo)率的大小,或者按磁化的特性,大體上可分成磁性材料和非磁性材料兩大類(lèi)。對(duì)非磁性材料而言,B≈μ0H,μr≈1,差不多不具有磁化的特性,而且每一種非磁性材料的磁導(dǎo)率都是常數(shù)。二、電流的力效應(yīng)和電磁感應(yīng)第二節(jié)電與磁

(一)電流的磁效應(yīng)電流的周?chē)臻g存在磁場(chǎng),產(chǎn)生磁場(chǎng)的根本原因是電流,這就是電流的磁效應(yīng)。電流的方向與磁場(chǎng)的方向符合右手螺旋定則,在通電導(dǎo)體中,大拇指表示電流方向,四指表示磁場(chǎng)方向,如圖2-15所示。在線圈中,四指則表示電流方向,大拇指表示磁場(chǎng)方向。圖2-15右手螺旋定則(二)電流在磁場(chǎng)中的力效應(yīng)第二節(jié)電與磁

電流產(chǎn)生磁場(chǎng)是電流的磁效應(yīng),而電流在磁場(chǎng)中受到力的作用是電流的力效應(yīng)。由于電流的力效應(yīng),從而使載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用,如圖2-16所示。磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)體的作用力可由安培定律確定。

圖2-16載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力(二)電流在磁場(chǎng)中的力效應(yīng)第二節(jié)電與磁

載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的方向可由左手定則確定:伸平左手,拇指與四指垂直,讓磁力線從掌心穿入,四指指向電流方向,則拇指為載流導(dǎo)體的受力方向,如圖2-16所示。安培定律:

當(dāng)載流直導(dǎo)體與磁場(chǎng)方向垂直時(shí),載流導(dǎo)體受力F的大小與載流導(dǎo)體所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B(Wb/m2)的大小、載流導(dǎo)體電流I(A)的大小和載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度L(m)三者的乘積成正比,即F=BIL(N)。

當(dāng)載流直導(dǎo)體與磁場(chǎng)方向間的夾角為α?xí)r(0<α<90°),則其受力為F=BILsinα(N),互相垂直(α=90°)時(shí)受力最大。

圖2-16載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力(二)電流在磁場(chǎng)中的力效應(yīng)第二節(jié)電與磁

兩平行載流導(dǎo)體之間的作用力:每一個(gè)載流導(dǎo)體都產(chǎn)生磁場(chǎng),各自的磁場(chǎng)方向都用右手螺旋關(guān)系確定;而每一個(gè)載流導(dǎo)體又都處于另一載流導(dǎo)體的磁場(chǎng)中,因而都受到力的作用,載流導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。因此兩電流同方向的平行載流導(dǎo)體之間產(chǎn)生相互吸引的作用力,兩電流方向相反則產(chǎn)生互相排斥的作用力,如圖2-17所示。。

圖2-17

通電導(dǎo)體的平行受力(三)電磁感應(yīng)第二節(jié)電與磁

1.直導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)當(dāng)導(dǎo)體與磁力線之間有相對(duì)的切割運(yùn)動(dòng)時(shí),在導(dǎo)體中就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),如圖2-18所示。

圖2-18

運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常被稱(chēng)為切割電動(dòng)勢(shì)或旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小與導(dǎo)體處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度l和導(dǎo)體與磁場(chǎng)的相對(duì)切割線速度v(m/s)三者的乘積成正比,即e=Blv(V)。(三)電磁感應(yīng)第二節(jié)電與磁

1.直導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)際上右邊三個(gè)物理量乘積的物理意義是相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體單位時(shí)間切割的磁力線數(shù)(或磁通切割率),所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與單位時(shí)間切割的磁力線數(shù)成正比,當(dāng)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向成α角度,e=BlVsinα;當(dāng)α=90°,e最大,e=Blv;當(dāng)α=0°時(shí),e最小,e=0。

圖2-18

運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則確定,如圖2-18所示:伸平右手,拇指與四指垂首,讓磁力線從掌心穿入,拇指方向指向?qū)w相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向,則四指指向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。(三)電磁感應(yīng)第二節(jié)電與磁

2.線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)根據(jù)電磁感應(yīng)定律:當(dāng)穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化時(shí),在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小與磁通的變化率(即單位時(shí)間磁通的變化量,其極限值為dΦ/dt)成正比、與線圈匝數(shù)N成正比,即

,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由楞次定律確定。

(三)電磁感應(yīng)第二節(jié)電與磁

2.線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)楞次定律的一般表述:當(dāng)線圈為閉合回路,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流反抗任何引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原因。

這里引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原因是穿過(guò)線圈的磁通發(fā)生變化,則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)引起的電流(稱(chēng)為楞次電流)所產(chǎn)生的磁通去反抗線圈中磁通的變化,如圖2-19所示。

圖2-19楞次定律示意圖(三)電磁感應(yīng)第二節(jié)電與磁

2.線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)當(dāng)線圈向左側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí),穿過(guò)磁圈的磁通Φ增加,則線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

因?yàn)榫€圈電路是閉合的,所以也將產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流I(楞次電流)產(chǎn)生的磁通Φ2將與磁通Φ1方向相反,反抗磁通Φ1的增加;

圖2-19楞次定律示意圖(三)電磁感應(yīng)第二節(jié)電與磁

2.線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)若線圈磁通減少,則楞次電流磁通與穿過(guò)線圈的磁通方向相同,反抗其減少。因此可根據(jù)穿過(guò)線圈磁通的方向和磁通的變化趨勢(shì)來(lái)確定楞次電流磁通的方向,由楞次電流磁通的方向螺旋關(guān)系來(lái)確定楞次電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。

圖2-19楞次定律示意圖(三)電磁感應(yīng)第二節(jié)電與磁

3.自感現(xiàn)象及線圈的電感L只要穿過(guò)線圈的磁通有變化就在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這是電磁感應(yīng)定律,與變化磁通的來(lái)源無(wú)關(guān)。

但由于磁通Φ是由線圈本身電流I產(chǎn)生的,故線圈的總磁通鏈NΦ∝I,其比例常數(shù)用L表示,即L=NΦ/I,L稱(chēng)為自感系數(shù),簡(jiǎn)稱(chēng)電感。

當(dāng)由于通過(guò)線圈本身的電流及其所產(chǎn)生的磁通Φ發(fā)生變化而在線圈中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),稱(chēng)為自感電動(dòng)勢(shì)eL,這種現(xiàn)象稱(chēng)為自感現(xiàn)象。

(三)電磁感應(yīng)第二節(jié)電與磁

3.自感現(xiàn)象及線圈的電感LL=NΦ/I電感公式表明:一個(gè)線圈電感L的大小可用在線圈中通入單位電流,所能產(chǎn)生的磁通鏈的多少來(lái)衡量。電感L表明一個(gè)通電線圈產(chǎn)生磁通的能力,它與線圈的匝數(shù)N、幾何尺寸和形狀等有關(guān)。當(dāng)這些因素固定不變時(shí),則線圈的電感L就是一個(gè)常數(shù),比如空芯線圈或線圈中的磁媒質(zhì)非磁性材料,則μ就是一個(gè)常數(shù),L也是一個(gè)常數(shù);而鐵芯線圈或線圈中的磁媒質(zhì)為磁性材料,則μ就不是一個(gè)常數(shù),L也不是一個(gè)常數(shù)。

(三)電磁感應(yīng)第二節(jié)電與磁

3.自感現(xiàn)象及線圈的電感L由于任何一個(gè)導(dǎo)體通過(guò)電流時(shí)都產(chǎn)生磁通,它們都存在一定的電感L。自感電動(dòng)勢(shì)是電流的變化而引起的,而且是反抗電流的變化。電流的變化率越大,自感電動(dòng)勢(shì)越大。當(dāng)僅需要確定自感電動(dòng)勢(shì)的方向時(shí),可直接根據(jù)電流的方向及其變化趨勢(shì)用楞次定律來(lái)確定,即自感電動(dòng)勢(shì)方向總是阻礙電流的變化。

自感現(xiàn)象有有害的一面,也有可利用的一面:例如拉斷開(kāi)關(guān)時(shí),在極短的時(shí)間內(nèi)使電流急劇降低到0,電流的變化率di/dt很大,故能產(chǎn)生很高的自感電壓使在斷開(kāi)點(diǎn)處的空氣擊穿而產(chǎn)生電弧。開(kāi)關(guān)刀片或觸點(diǎn)因此被燒損,因此開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)需要加滅弧罩。日光燈卻利用鎮(zhèn)流器(鐵芯電感)在啟輝器跳斷瞬間產(chǎn)生高的自感電壓使燈管擊穿點(diǎn)亮。

(三)電磁感應(yīng)第二節(jié)電與磁

4.互感現(xiàn)象當(dāng)一個(gè)線圈的電流引起的變化磁通除在本線圈產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)外,如果該磁通的一部分或全部穿過(guò)相鄰的線圈時(shí),在相鄰線圈中同樣引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象即為互感現(xiàn)象,在相鄰線圈中所感生的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為互感電動(dòng)勢(shì)。

互感電動(dòng)勢(shì)方向也可單獨(dú)由楞次定律確定。變壓器就是根據(jù)互感原理制成的。

三、鐵磁材料第二節(jié)電與磁

在工程上,物質(zhì)按其磁性劃分為兩類(lèi),即鐵磁材料(或叫磁性材料)和非鐵磁材料。非鐵磁材料的磁導(dǎo)率都近似等于真空的磁導(dǎo)率。鐵磁材料主要是指鐵、鈷、鎳及其合金,是制造電機(jī)、電器等的主要材料之一。三、鐵磁材料第二節(jié)電與磁

(一)鐵磁材料的磁性能1.高導(dǎo)磁特性鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ>>μ0,或其相對(duì)磁導(dǎo)率μr>>1,可達(dá)數(shù)百、數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)之值。將鐵磁材料放入電流磁場(chǎng)中,它將被磁化而產(chǎn)生很強(qiáng)的附加磁場(chǎng),使磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度比電流在真空或非磁性材料中產(chǎn)生的B0大百倍、千倍甚至數(shù)萬(wàn)倍,因此可用較小的勵(lì)磁電流產(chǎn)生足夠大的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通。用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料制造電機(jī)、電器可使其重量輕、體積小。三、鐵磁材料第二節(jié)電與磁

(一)鐵磁材料的磁性能2.磁飽和特性盡管鐵磁材料的磁導(dǎo)率很大,但它不是常數(shù),所以B與H(或勵(lì)磁電流)之間是非線性關(guān)系,如圖2-20所示,這種曲線稱(chēng)為磁化曲線,可通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。圖2-20磁化曲線三、鐵磁材料第二節(jié)電與磁

(一)鐵磁材料的磁性能2.磁飽和特性磁化曲線大致可分成三段:ab段為非飽和段,B隨H幾乎是以直線迅速增加;bc段為半飽和段,B隨H的增加逐漸減慢;c點(diǎn)以后B隨H幾乎不再有明顯增加而趨于飽和,這種特性稱(chēng)為磁飽和特性。圖2-20磁化曲線三、鐵磁材料第二節(jié)電與磁

(一)鐵磁材料的磁性能2.磁飽和特性普通電機(jī)、變壓器的鐵芯工作于飽和或接近于飽和段,線性電抗器工作于非飽和段,而飽和電抗器則經(jīng)常工作于飽和段。在磁性材料中,μ不是常數(shù),而是隨著H的變化而變化,當(dāng)達(dá)到磁飽和后,μ接近真空中的磁導(dǎo)率μ0。圖2-20磁化曲線三、鐵磁材料第二節(jié)電與磁

(一)鐵磁材料的磁性能3.磁滯和剩磁特性如果勵(lì)磁線圈中通入交變勵(lì)磁電流,對(duì)鐵芯進(jìn)行反復(fù)磁化,將會(huì)得到如圖2-21所示的磁滯回線。圖2-21磁滯回線在反復(fù)磁化過(guò)程中，B將隨H沿回線a—b—c—d—e—f—a而變化。由圖可見(jiàn),磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向的變化總是滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化,這種特性稱(chēng)為磁滯特性。三、鐵磁材料第二節(jié)電與磁

(一)鐵磁材料的磁性能3.磁滯和剩磁特性當(dāng)斷開(kāi)勵(lì)磁電流(H=0)后,磁感應(yīng)強(qiáng)度仍不為零的現(xiàn)象,稱(chēng)為剩磁特性,所保留的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br或磁通Φ稱(chēng)為剩磁。圖2-21磁滯回線利用剩磁特性制造永久磁鐵;自勵(lì)發(fā)電機(jī)靠剩磁開(kāi)始發(fā)電。但剩磁對(duì)某些電機(jī)和電器也是有不利影響的。為消除剩磁所加的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度值HC稱(chēng)為矯頑力。過(guò)高的溫度和振動(dòng)會(huì)使剩磁減弱甚至消失。三、鐵磁材料第二節(jié)電與磁

(二)鐵磁材料的類(lèi)型1.軟磁材料根據(jù)磁性材料的磁滯回線形狀,主要分為三種類(lèi)型,分別是軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料。磁滯回線狹窄,剩磁和矯頑力小,如鑄鐵、鑄鋼、純鐵、硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等材料。電機(jī)、變壓器等的鐵芯必須用軟磁材料。三、鐵磁材料第二節(jié)電與磁

(二)鐵磁材料的類(lèi)型2.硬磁材料根據(jù)磁性材料的磁滯回線形狀,主要分為三種類(lèi)型,分別是軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料。磁滯回線寬,剩磁和矯頑力大。一般用來(lái)制造永久磁鐵,如鎢鋼、鈷鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。三、鐵磁材料第二節(jié)電與磁

(二)鐵磁材料的類(lèi)型3.矩磁材料根據(jù)磁性材料的磁滯回線形狀,主要分為三種類(lèi)型,分別是軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料。磁滯回線狹窄,接近矩形,但剩磁大,而矯頑力卻小,磁穩(wěn)定性也好,如鎂錳鐵氧體、鐵鎳合金等材料,常用于計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中作記憶元件、開(kāi)關(guān)元件和邏輯元件等。三、鐵磁材料第二節(jié)電與磁

(三)鐵損當(dāng)鐵磁體被反復(fù)磁化時(shí),由于磁滯原因而引起的功率損耗稱(chēng)