電工基礎(chǔ)(第五版)第四章課件

第四章電磁感應(yīng)本章主要介紹磁場(chǎng)與電磁感應(yīng)的基本概念,法拉第電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)電流的產(chǎn)生與應(yīng)用,以及自感、互感和渦流等電磁感應(yīng)的相關(guān)內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)這些基礎(chǔ)知識(shí),為后續(xù)學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)的工作原理奠定基礎(chǔ)。thbytrtehtt4.1磁場(chǎng)與電磁感應(yīng)磁場(chǎng)的基本概念磁場(chǎng)是由磁性物質(zhì)或帶電粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的一種特殊的物理場(chǎng),具有方向性和大小。它可以對(duì)磁性物質(zhì)和帶電粒子施加力。電磁感應(yīng)的定義電磁感應(yīng)是指通過磁場(chǎng)的變化在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的現(xiàn)象。這是電磁學(xué)中一個(gè)重要的基本概念。電磁感應(yīng)的規(guī)律電磁感應(yīng)有一些定性規(guī)律,如感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量變化率成正比,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由楚克斯基定律決定。4.1.1磁場(chǎng)的基本概念1磁性物質(zhì)內(nèi)部存在的一種特殊性質(zhì)2磁場(chǎng)磁性物質(zhì)或電流所產(chǎn)生的特殊物理場(chǎng)3磁感線描述磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的線條4磁通量穿過某一面積的磁感線總數(shù)磁場(chǎng)是由具有磁性的物質(zhì)或帶電粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的一種特殊的物理場(chǎng),它具有方向性和大小。磁場(chǎng)內(nèi)部存在著稱為磁感線的線條,它們描述了磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。磁通量則表示穿過某一面積的磁感線的總數(shù)。掌握這些基本概念對(duì)于理解后續(xù)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象很關(guān)鍵。4.1.2電磁感應(yīng)的基本概念1感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中發(fā)生的感應(yīng)電壓2感應(yīng)電流導(dǎo)體中由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)的電流3磁通量穿過某一面積的磁感線總數(shù)電磁感應(yīng)是指通過磁場(chǎng)的變化在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的現(xiàn)象。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是導(dǎo)體在磁場(chǎng)中發(fā)生的感應(yīng)電壓,感應(yīng)電流則是由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)的電流。導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的產(chǎn)生與磁通量的變化率有關(guān),這是理解電磁感應(yīng)的關(guān)鍵。4.1.3電磁感應(yīng)的定性規(guī)律1磁通量變化率導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量的變化率成正比。磁通量越快地變化,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大。2磁場(chǎng)方向根據(jù)楚克斯基定律,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由磁場(chǎng)線的移動(dòng)方向決定，遵循右手定則。3感應(yīng)電流方向感應(yīng)電流的方向由楚克斯基定律決定，與導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向相反,遵循聶爾定律。4.2法拉第電磁感應(yīng)定律1電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生的電壓2法拉第電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的定量關(guān)系3感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向由楚克斯基定律確定法拉第電磁感應(yīng)定律是描述電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的定量關(guān)系。根據(jù)這個(gè)定律,導(dǎo)體在磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生的電壓(電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))的大小與磁通量的變化率成正比。同時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由楚克斯基定律決定,遵循右手定則。這些定量關(guān)系是理解和應(yīng)用電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)。4.2.1電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)1定義導(dǎo)體在磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生的電壓2產(chǎn)生原因磁通量的變化引起3影響因素磁通量變化率、導(dǎo)體長(zhǎng)度電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是指導(dǎo)體在磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生的電壓。它的產(chǎn)生是由于磁通量的變化引起的,其大小與磁通量變化率和導(dǎo)體長(zhǎng)度成正比。這是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的核心內(nèi)容,也是后續(xù)電機(jī)、變壓器等設(shè)備工作原理的基礎(chǔ)。4.2.2法拉第電磁感應(yīng)定律定義電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量變化率成正比的定律。數(shù)學(xué)表達(dá)式ε=-N(dΦ/dt),其中ε為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),N為線圈匝數(shù),dΦ/dt為磁通量變化率。推導(dǎo)依據(jù)基于電磁感應(yīng)的基本概念和電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的定義而得出。4.2.3感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向1楚克斯基定律感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由楚克斯基定律決定,遵循右手定則。2磁場(chǎng)方向變化當(dāng)磁場(chǎng)線的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向會(huì)發(fā)生改變。3感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向始終與導(dǎo)體中感應(yīng)電流的方向相反。4.3感應(yīng)電流1感應(yīng)電流產(chǎn)生導(dǎo)體在磁場(chǎng)中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)2感應(yīng)電流方向遵循聶爾定律3感應(yīng)電流應(yīng)用電機(jī)、發(fā)電機(jī)等感應(yīng)電流是指由導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)的電流。它的產(chǎn)生是由于導(dǎo)體中的磁通量變化引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。感應(yīng)電流的方向遵循聶爾定律,與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向相反。感應(yīng)電流在電機(jī)、發(fā)電機(jī)等電力設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用,是電磁感應(yīng)的重要應(yīng)用之一。4.3.1感應(yīng)電流的產(chǎn)生磁通量變化當(dāng)導(dǎo)體在變化的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁通量的變化。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，磁通量的變化會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流,流向與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相反。4.3.2感應(yīng)電流的方向1聶爾定律感應(yīng)電流的方向由聶爾定律決定,與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向相反。2磁場(chǎng)變化當(dāng)磁場(chǎng)的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí),感應(yīng)電流的方向也會(huì)發(fā)生改變。3電磁感應(yīng)定律感應(yīng)電流的方向遵循電磁感應(yīng)定律,確保系統(tǒng)能夠獲得最大的感應(yīng)效應(yīng)。4.3.3感應(yīng)電流的應(yīng)用1電機(jī)基于感應(yīng)電流原理工作2發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能3渦流制動(dòng)器利用感應(yīng)電流產(chǎn)生制動(dòng)力感應(yīng)電流在電力設(shè)備中有廣泛應(yīng)用。電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的核心部件,其工作原理就是利用感應(yīng)電流產(chǎn)生電磁力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)則是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,同樣依賴感應(yīng)電流的產(chǎn)生。此外,感應(yīng)電流還可用于制造渦流制動(dòng)器,利用感應(yīng)電流產(chǎn)生的阻礙力來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)作用。這些應(yīng)用充分體現(xiàn)了感應(yīng)電流在電力系統(tǒng)中的重要地位。4.4自感和互感自感導(dǎo)體在磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生的自身電動(dòng)勢(shì)。它與電流和線圈匝數(shù)成正比。互感兩個(gè)線圈之間的磁耦合導(dǎo)致一個(gè)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。它與電流和耦合系數(shù)成正比。應(yīng)用自感和互感在變壓器、繼電器等電力設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。4.4.1自感1電流與匝數(shù)自感與電流和線圈匝數(shù)成正比2磁通量變化自感是由導(dǎo)體中的磁通量變化引起的3磁場(chǎng)作用導(dǎo)體在磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)自感是指導(dǎo)體在磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生的自身電動(dòng)勢(shì)。它的大小與導(dǎo)體中的電流和線圈的匝數(shù)成正比,是由導(dǎo)體中的磁通量變化引起的。當(dāng)導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中時(shí),就會(huì)產(chǎn)生自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)影響電路中的電壓和電流分布,在電力設(shè)備的設(shè)計(jì)中需要充分考慮。4.4.2互感1磁耦合兩個(gè)線圈之間的磁場(chǎng)相互作用2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一個(gè)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生3耦合系數(shù)決定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的關(guān)鍵參數(shù)互感是指兩個(gè)線圈之間由于磁耦合而產(chǎn)生的相互感應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí),會(huì)在另一個(gè)線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與兩個(gè)線圈之間的耦合系數(shù)成正比。耦合系數(shù)反映了兩個(gè)線圈之間的磁耦合程度?；ジ惺请姶鸥袘?yīng)的一種重要形式,在變壓器、繼電器等電力設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。4.4.3自感和互感的應(yīng)用1變壓器變壓器利用自感和互感原理調(diào)節(jié)交流電壓。一次線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),傳遞到二次線圈從而實(shí)現(xiàn)電壓變換。2繼電器繼電器通過磁場(chǎng)耦合原理工作,一次線圈的電流變化會(huì)引起磁場(chǎng)變化,從而驅(qū)動(dòng)開關(guān)動(dòng)作。3電感器電感器利用自感原理儲(chǔ)存能量,在電路中廣泛用于濾波、調(diào)節(jié)電流和電壓。4.5渦流1產(chǎn)生原因變化的磁場(chǎng)引起2產(chǎn)生機(jī)理磁通量變化誘導(dǎo)電流3渦流性質(zhì)在導(dǎo)體內(nèi)部環(huán)形環(huán)流4渦流應(yīng)用制動(dòng)、加熱、測(cè)量渦流是由于導(dǎo)體在變化的磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生的環(huán)形閉合電流。當(dāng)導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中時(shí),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),從而驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電流在導(dǎo)體內(nèi)部形成環(huán)形回路。這種環(huán)形回路電流稱為渦流。渦流可應(yīng)用于制動(dòng)、加熱和測(cè)量等領(lǐng)域,但同時(shí)也可能產(chǎn)生不利影響。4.5.1渦流的產(chǎn)生1變化的磁場(chǎng)導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)根據(jù)電磁感應(yīng)定律,磁通量變化會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)3感應(yīng)電流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生閉合環(huán)形的感應(yīng)電流,即渦流渦流是由于導(dǎo)體在變化的磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生的一種特殊的環(huán)形閉合電流。當(dāng)導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中時(shí),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,磁通量的變化會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生閉合環(huán)形的感應(yīng)電流,這種環(huán)形感應(yīng)電流就叫做渦流。渦流的產(chǎn)生依賴于導(dǎo)體所處的磁場(chǎng)發(fā)生變化,以及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生和感應(yīng)電流的形成。渦流的應(yīng)用和危害制動(dòng)應(yīng)用渦流可用于制動(dòng)系統(tǒng),例如電動(dòng)機(jī)和列車制動(dòng),通過渦流產(chǎn)生的阻滯力實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。加熱應(yīng)用渦流可產(chǎn)生熱量,被廣泛應(yīng)用于感應(yīng)加熱裝置,如金屬熔煉爐和電磁爐。測(cè)量應(yīng)用渦流可用于測(cè)量金屬的厚度和導(dǎo)電性,并檢測(cè)金屬內(nèi)部缺陷。危害效應(yīng)渦流還可能導(dǎo)致?lián)p耗、振動(dòng)和噪音,需要在電機(jī)、變壓器等設(shè)備中進(jìn)行抑制。4.6電磁感應(yīng)的應(yīng)用1發(fā)電機(jī)利用電磁感應(yīng)原理,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在定子磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)從而產(chǎn)生電流。2變壓器變壓器通過電磁感應(yīng)增大或降低交流電壓,實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸和變換。3電機(jī)電機(jī)也利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),從而將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。4.6.1發(fā)電機(jī)的工作原理1機(jī)械能轉(zhuǎn)換將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能2電磁感應(yīng)利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生感應(yīng)電流3定子和轉(zhuǎn)子通過定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換發(fā)電機(jī)的工作原理是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)定子磁場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子相互作用時(shí),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,轉(zhuǎn)子中會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)就是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能。通過調(diào)節(jié)定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,可以控制發(fā)電機(jī)輸出的電壓和頻率。4.6.2變壓器的工作原理1電磁感應(yīng)變壓器利用電磁感應(yīng)原理,通過初級(jí)繞組中的變化磁通量在次級(jí)繞組中感應(yīng)產(chǎn)生電壓。2電流變換初級(jí)繞組的電流變化引起磁通量變化,從而在次級(jí)繞組中感應(yīng)電壓,實(shí)現(xiàn)電流變換。3電壓變換變壓器通過設(shè)計(jì)不同的初、次級(jí)繞組匝數(shù)比,可以實(shí)現(xiàn)電壓的升高或降低變換。4.6.3電磁感應(yīng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用1電力發(fā)電發(fā)電機(jī)利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流2電力傳輸變壓器利用電磁感應(yīng)調(diào)節(jié)電壓3電能消費(fèi)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能電磁感應(yīng)在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。發(fā)電機(jī)通過電磁感應(yīng)原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能;變壓器利用電磁感應(yīng)提高電壓,實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸;電動(dòng)機(jī)則將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,驅(qū)動(dòng)各種電器設(shè)備運(yùn)行。從發(fā)電到電能傳輸和消耗,電磁感應(yīng)技術(shù)貫穿電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié),確保電力能源的