《汽車電路知識(shí)與基本操作技能（第二版）》 課件 模塊三 磁場(chǎng)及電磁器件

模塊三?磁場(chǎng)及電磁器件68課題1磁場(chǎng)及電磁感應(yīng)課題2自感與互感課題3電磁鐵在汽車電氣元件中的應(yīng)用課題1磁場(chǎng)及電磁感應(yīng)69學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解磁場(chǎng)及其基本物理量。2．了解電流的磁效應(yīng)、磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體的作用和電磁感應(yīng)現(xiàn)象。3．掌握安培定則、左手定則、右手定則和楞次定律。4．了解磁路相關(guān)知識(shí)。70一、磁場(chǎng)及其基本物理量1．磁體與磁極人們把物體能夠吸引鐵、鎳、鈷等金屬及其合金的性質(zhì)稱為磁性，具有磁性的物體稱為磁體。磁體兩端磁性最強(qiáng)的部分稱為磁極。一個(gè)可以在水平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的條形磁鐵或小磁針，靜止后總是一個(gè)磁極指南，一個(gè)磁極指北，如圖所示。指南的磁極稱為指南極，簡(jiǎn)稱南極（S）；指北的磁極稱為指北極，簡(jiǎn)稱北極（N）。71與電荷之間的作用力相似，磁極之間也有相互作用力：同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。72小磁針2．磁場(chǎng)與磁感線兩個(gè)互不接觸的磁體之間為什么會(huì)存在相互的作用力呢？這是因?yàn)榇朋w周圍的空間存在著一種特殊的物質(zhì)——磁場(chǎng)。判斷某空間是否存在磁場(chǎng)，一般可用一個(gè)小磁針來(lái)檢驗(yàn)，能使小磁針轉(zhuǎn)動(dòng)并總是停留在一個(gè)固定方向的空間中存在磁場(chǎng)。條形磁鐵的磁感線如圖所示。為了形象地描繪磁場(chǎng)的大小和方向，人們引入磁感線的概念。73條形磁鐵的磁感線對(duì)磁感線有以下規(guī)定：（1）磁感線是互不交叉的閉合曲線。在磁體外部磁感線由N極指向S極，在磁體內(nèi)部由S極指向N極。（2）磁感線上任意一點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，即放在該點(diǎn)的小磁針N極所指的方向。（3）磁感線的疏密程度表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，磁感線越密的地方磁場(chǎng)越強(qiáng)，反之越弱。磁感線方向相同、分布均勻而又相互平行的區(qū)域稱為均勻磁場(chǎng)，反之則稱為非均勻磁場(chǎng)。74通常，平行于紙面的磁感線用帶箭頭的線表示。垂直于紙面向內(nèi)的磁感線用符號(hào)“×”表示，垂直于紙面向外的磁感線用符號(hào)“·”表示。磁感線是人們?yōu)榉奖阊芯看艌?chǎng)而引入的物理概念，它不是客觀存在的。但是我們可以用實(shí)驗(yàn)的方法把磁感線顯示出來(lái)。在條形磁鐵的上面放一塊玻璃板或紙板，撒上一些鐵屑并輕敲，鐵屑就會(huì)規(guī)則地排列成如圖所示的形狀，與磁感線相似。75用鐵屑模擬磁感線3．磁場(chǎng)的基本物理量（1）磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）是表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉（T）。均勻磁場(chǎng)中各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相同。（2）磁通磁感應(yīng)強(qiáng)度（如果不是均勻磁場(chǎng)，則取B的平均值）與垂直于磁場(chǎng)方向的平面面積的乘積，稱為通過(guò)該面積的磁通（Ф），即Ф=BS。磁通的單位是韋伯（Wb），簡(jiǎn)稱韋。76（3）磁導(dǎo)率磁導(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。磁導(dǎo)率的單位是亨利/米（H/m）。（4）磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）是描述磁場(chǎng)性質(zhì)的物理量，通過(guò)它來(lái)確定磁場(chǎng)與電流之間的關(guān)系。磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小等于該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度除以該點(diǎn)的磁導(dǎo)率，即

。磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是安培/米（A/m）。77二、電流的磁效應(yīng)與安培定則1．電流的磁效應(yīng)任何通有電流的導(dǎo)線周圍都存在磁場(chǎng)，電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng)?？梢酝ㄟ^(guò)如圖所示的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證電流的磁效應(yīng)，將開關(guān)閉合，會(huì)發(fā)現(xiàn)小磁針偏轉(zhuǎn)，這說(shuō)明導(dǎo)線周圍有磁場(chǎng)存在。78電流磁效應(yīng)的驗(yàn)證2．安培定則通電長(zhǎng)直導(dǎo)線及通電螺線管周圍的磁場(chǎng)方向可用安培定則來(lái)確定，安培定則也稱為右手螺旋定則。（1）通電長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)方向的確定。如圖所示，用右手握住通電導(dǎo)線，讓拇指指向電流的方向，則彎曲的四指所環(huán)繞的方向就是磁感線的環(huán)繞方向。79通電長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)方向的確定（2）通電螺線管周圍磁場(chǎng)方向的確定。如圖所示，用右手握住通電螺線管，讓彎曲的四指環(huán)繞的方向與電流方向一致，則拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向，也就是通電螺線管的磁場(chǎng)N極的方向。80通電螺線管周圍磁場(chǎng)方向的確定三、磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體的作用與左手定則通常把通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的力稱為安培力。如圖所示，在蹄形磁體兩極所形成的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，懸掛一段直導(dǎo)線，讓導(dǎo)線方向與磁場(chǎng)方向保持垂直，導(dǎo)線通電后，可以看到導(dǎo)線因受力而發(fā)生運(yùn)動(dòng)。81通電直導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到安培力先保持導(dǎo)線通電部分的長(zhǎng)度不變，改變電流的大小，然后保持電流不變，改變導(dǎo)線通電部分的長(zhǎng)度。比較兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通電導(dǎo)線長(zhǎng)度一定時(shí)，電流越大，電流所受安培力越大；當(dāng)電流一定時(shí)，通電導(dǎo)線越長(zhǎng)，安培力也越大。若交換磁極位置改變磁場(chǎng)方向，或改接電源極性改變導(dǎo)線中的電流方向，則導(dǎo)體的受力方向都隨之改變。通電直導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的受力方向可用左手定則來(lái)判斷。如圖所示，平伸左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿入掌心，并使四指指向電流的方向，則拇指所指的方向就是通電導(dǎo)體所受安培力的方向。8283左手定則把一段通電導(dǎo)線放入磁場(chǎng)中，當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，電流所受的安培力最大。此時(shí)安培力的計(jì)算式為：

F=BIl如果電流方向與磁場(chǎng)方向不垂直，而是有一個(gè)夾角α，這時(shí)通電導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度為lsinα（即l在與磁場(chǎng)方向相垂直方向上的投影）。安培力的計(jì)算式變?yōu)椋篎=BIlsinα84電流方向與磁場(chǎng)方向有一夾角α四、電磁感應(yīng)現(xiàn)象、楞次定律與右手定則1．電磁感應(yīng)現(xiàn)象利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。閉合電路中由電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流，產(chǎn)生感應(yīng)電流的電動(dòng)勢(shì)稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。85電磁感應(yīng)的驗(yàn)證a）金屬棒水平運(yùn)動(dòng)?b）磁鐵靠近或遠(yuǎn)離線圈2．楞次定律楞次定律適用于感應(yīng)電流方向的判定：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。86楞次定律判定感應(yīng)電流方向a）磁鐵靠近線圈?b）磁鐵遠(yuǎn)離線圈3．右手定則右手定則用于磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向的判定：平伸右手，拇指與其余四指垂直，讓磁感線穿入掌心，拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，則其余四指所指的方向就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，如圖所示。87右手定則五、磁路磁通（主磁通和漏磁通）經(jīng)過(guò)的閉合路徑稱為磁路。永久磁鐵、鐵磁性材料、電磁鐵中都存在磁路。磁路是一種模型，用以研究含有用來(lái)導(dǎo)磁的鐵芯的電磁器件，這些器件利用磁路獲得所需的磁場(chǎng)。變壓器、電磁鐵等很多電氣設(shè)備都用鐵磁性材料做成各種形狀的閉合鐵芯。如圖所示是兩種常見(jiàn)的磁路，如圖a所示是變壓器的磁路，如圖b所示是兩極直流電動(dòng)機(jī)的磁路。在下圖中，絕大部分磁通在磁路內(nèi)部閉合，這部分磁通稱為主磁通；少數(shù)穿出鐵芯、經(jīng)過(guò)磁路周圍弱磁性物質(zhì)而閉合的磁通，稱為漏磁通。由于漏磁通只占總磁通的很小一部分，所以在磁路分析和計(jì)算中一般忽略不計(jì)。8889兩種常見(jiàn)的磁路a）變壓器的磁路?b）兩極直流電動(dòng)機(jī)的磁路課題2自感與互感90學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解自感和互感現(xiàn)象及其應(yīng)用。2．掌握自感和互感現(xiàn)象中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向的判定方法。3．能正確完成點(diǎn)火線圈的檢測(cè)任務(wù)。91一、自感1．自感現(xiàn)象如圖所示為自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)電路，EL1、EL2、EL3是完全相同的三只燈泡，L為鐵芯線圈，R1、R2、R3為電位器。當(dāng)合上開關(guān)S時(shí)，如圖a中的EL1燈立即正常發(fā)光，而EL2燈卻是逐漸變亮。這是因?yàn)楹仙祥_關(guān)S時(shí)，因EL2燈與鐵芯線圈L串聯(lián)，通過(guò)鐵芯線圈L的電流由零開始增大，穿過(guò)鐵芯線圈L的磁通也隨之增加。根據(jù)楞次定律可知，這個(gè)增大的磁通會(huì)在線圈中引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁通來(lái)阻礙原磁通的變化，根據(jù)安培定則可判斷出感應(yīng)電流的方向與原流進(jìn)線圈電流的方向相反，因此流進(jìn)線圈的電流不能瞬間增大，EL2燈也只能慢慢變亮。所以，EL2燈必然要比EL1燈亮得慢些。9293自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)電路a）開關(guān)閉合時(shí)的自感現(xiàn)象b）開關(guān)斷開時(shí)的自感現(xiàn)象在上圖b中，合上開關(guān)S，EL3燈正常發(fā)光后，鐵芯線圈L中也有電流流過(guò)，電流方向?yàn)閺淖蟮接摇Ｈ魧㈤_關(guān)斷開，燈泡會(huì)突然地閃亮一下再熄滅。原因是斷開開關(guān)后，因失去外電源，線圈中的電流及磁通突然減小，于是線圈產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)阻礙原磁通的減小。由楞次定律可知，感應(yīng)電流的方向與原電流的方向相同。由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通常較高，流過(guò)EL3燈的感應(yīng)電流較大，因此燈泡會(huì)閃亮一下。由于導(dǎo)體本身電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象，自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為自感電動(dòng)勢(shì)（eL）。942．自感電動(dòng)勢(shì)的方向自感電動(dòng)勢(shì)的方向用楞次定律判斷。3．自感現(xiàn)象的應(yīng)用自感現(xiàn)象在各種電氣設(shè)備和無(wú)線電技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。95自感電動(dòng)勢(shì)的方向a）線圈中電流增大?b）線圈中電流減小二、互感1．互感現(xiàn)象當(dāng)一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，它產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)發(fā)生變化，變化的磁場(chǎng)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為互感現(xiàn)象?；ジ鞋F(xiàn)象產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，稱為互感電動(dòng)勢(shì)。96互感電動(dòng)勢(shì)的原理2．互感現(xiàn)象的應(yīng)用（1）變壓器如圖所示為變壓器的原理圖，與電源相連的稱為一次繞組（或初級(jí)繞組）N1，與負(fù)載相連的稱為二次繞組（或次級(jí)繞組）N2。當(dāng)一次繞組接入交流電壓時(shí)，一次繞組中便有電流通過(guò)，一次繞組產(chǎn)生的磁通絕大部分通過(guò)鐵芯而閉合，從而在二次繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。一次、二次繞組的電壓之比為K，稱為變壓器的變比，也即一次、二次繞組的匝數(shù)比。當(dāng)電源電壓u1一定時(shí)，只要改變?cè)褦?shù)比K，就可得到不同的輸出電壓u2。變比會(huì)在變壓器的銘牌上注明，它表示一次、二次繞組的額定電壓之比。9798變壓器的原理（2）點(diǎn)火線圈汽車上由微機(jī)控制的點(diǎn)火系是利用點(diǎn)火線圈的互感原理工作的，其工作過(guò)程如圖所示。99微機(jī)控制點(diǎn)火系的工作過(guò)程課題3電磁鐵在汽車電氣元件中的應(yīng)用100學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解電磁鐵的概念和結(jié)構(gòu)。2．熟悉電磁鐵在汽車上的應(yīng)用。3．能正確完成汽車?yán)^電器的檢測(cè)。4．能正確完成汽車起動(dòng)電磁開關(guān)的檢測(cè)與吸合試驗(yàn)。101一、電磁鐵的概念和結(jié)構(gòu)1．電磁鐵的概念電磁鐵是利用通電的鐵芯線圈吸引銜鐵或保持某種機(jī)械零件、工件于固定位置的一種裝置。銜鐵的動(dòng)作可使其他機(jī)械裝置發(fā)生聯(lián)動(dòng)。當(dāng)電源斷開時(shí)，電磁鐵的磁性消失，銜鐵或其他零件即被釋放。2．電磁鐵的結(jié)構(gòu)電磁鐵由線圈、鐵芯及銜鐵三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。銜鐵的運(yùn)動(dòng)方式有直動(dòng)式和轉(zhuǎn)動(dòng)式兩種。102103電磁鐵的結(jié)構(gòu)a）直動(dòng)式?b）轉(zhuǎn)動(dòng)式1—銜鐵2—鐵芯3—線圈二、電磁鐵在汽車上的應(yīng)用1．繼電器（1）繼電器的定義繼電器是自動(dòng)控制電路中常用的一種元件，它是用較小的電流來(lái)控制較大電流的一種自動(dòng)開關(guān)，在電路中起著自動(dòng)操作、自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)等作用。工業(yè)控制中使用的中間繼電器、熱繼電器等體積較大，線圈通過(guò)的電流和承受的電壓較大，觸點(diǎn)允許通過(guò)的電流較大。汽車電氣系統(tǒng)中使用的繼電器體積較小，觸點(diǎn)控制的電流也較小，屬于小型繼電器。104（2）繼電器的類型和結(jié)構(gòu)1）繼電器的類型。繼電器的種類很多，常用的有電磁式和干簧式兩種。電磁式繼電器成本較低，便于控制電路。干簧式繼電器反應(yīng)靈敏，多用于信號(hào)采集。汽車控制電路大多采用電磁式繼電器作為控制執(zhí)行部件，采用干簧式繼電器作為傳感器。2）繼電器的結(jié)構(gòu)（以電磁式繼電器為例）。電磁式繼電器以電磁系統(tǒng)為主體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。當(dāng)繼電器線圈通以電流時(shí)，在鐵芯、軛鐵、銜鐵和工作氣隙中形成磁通回路，從而使銜鐵受到吸引力的作用而吸向鐵芯，此時(shí)銜鐵帶動(dòng)支桿將板簧推開，使一組或幾組動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開（也可以使動(dòng)合觸點(diǎn)接通）。105106電磁式繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)示意圖a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)b）結(jié)構(gòu)示意圖1—線圈焊片2—軛鐵3—鐵芯4—線圈5—銜鐵?6—觸點(diǎn)?7—板簧8—支桿9—觸點(diǎn)焊片2．喇叭根據(jù)外形的不同，汽車?yán)瓤煞譃槁菪?、筒形、盆形等，目前?guó)產(chǎn)汽車使用的多為螺旋形喇叭和盆形喇叭，兩種喇叭的結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同，不同之處是揚(yáng)聲筒的形狀。各種汽車?yán)热鐖D所示。107各種汽車?yán)?．起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)起動(dòng)機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)外殼、拔叉、電磁開關(guān)、勵(lì)磁線圈、電刷等組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。108起動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖1—驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)外殼2—撥叉3—電磁開關(guān)4—?jiǎng)?lì)磁線圈5—電刷6—電刷彈簧7—外殼8—電樞9—起動(dòng)機(jī)離合器10—驅(qū)動(dòng)齒輪（1）接通啟動(dòng)開關(guān)如圖所示，當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)接通后，保持線圈的電流經(jīng)起動(dòng)機(jī)端子50進(jìn)入，經(jīng)線圈后直接搭鐵，吸引線圈的電流也經(jīng)起動(dòng)機(jī)端子50進(jìn)入，但通過(guò)線圈后未接搭鐵，而是進(jìn)入電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁線圈和電樞后再搭鐵。兩線圈通電后產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁力，克服復(fù)位彈簧彈力而使活動(dòng)鐵芯移動(dòng)，一方面通過(guò)撥叉帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪移向飛輪齒圈并與之嚙合，另一方面推動(dòng)接觸片移向端子50和端子C的觸點(diǎn)，在驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒圈進(jìn)入嚙合后，接觸片將兩個(gè)主觸點(diǎn)接通，使電動(dòng)機(jī)通電運(yùn)轉(zhuǎn)。在驅(qū)動(dòng)齒輪進(jìn)入嚙合之前，由于經(jīng)過(guò)吸引線圈的電流流經(jīng)了電動(dòng)機(jī)，因此電動(dòng)機(jī)會(huì)在電流的作用下緩慢旋轉(zhuǎn)，以便驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒圈進(jìn)入嚙合。109110無(wú)起動(dòng)繼電器的起動(dòng)機(jī)控制電路示意圖1—螺紋