單元3 電容和電感

《電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能》單元3電容和電感單元3電容和電感

在常用的電路元件中，除了電阻器，還有電容器和電感器。電容器和電感器因其特性，被廣泛應(yīng)用于實用電路及各種電子產(chǎn)品中。傳統(tǒng)的日光燈電路，啟輝器的電容器用來減輕日光燈對附近無線電設(shè)備的干擾；電感器是鎮(zhèn)流器的核心部件。我們購物消費使用的銀聯(lián)卡、乘座公交車使用的乘車卡等都是通過電容和電感組成的諧振回路來接受信號的。在上海等地運營的節(jié)能環(huán)保的超級電容公交電車（單元首頁圖），它的動力就源于電容器。這一單元，我們來學(xué)習(xí)電容和電感的基本概念，電容器和電感器的基本特性與作用以及實際應(yīng)用，對磁場、電磁感應(yīng)作進(jìn)一步的理解，了解磁路和互感的一些基本知識。

單元3電容和電感

學(xué)習(xí)目標(biāo)

3.1電容

單元3電容和電感

（1）了解常用電容器的種類、外形和參數(shù)，了解電容的概念，了解儲能元件的概念。（2）能根據(jù)要求，正確選擇利用串聯(lián)、并聯(lián)方式獲得合適的電容。（3）能通過儀器儀表觀察電容器充放電規(guī)律，理解電容器充、放電電路的工作特點；掌握電容器簡易檢測方法。單元3電容和電感

3.1.1電容器和電容量

1．電容器

3.1電容

單元3電容和電感

3.1.1電容器和電容量

2．電容器的結(jié)構(gòu)

用絕緣物質(zhì)隔開的兩個導(dǎo)體的組合稱為電容器。組成電容器的兩個導(dǎo)體稱為極板，中間的絕緣物質(zhì)稱為電介質(zhì)。3.1電容

單元3電容和電感

3.1.1電容器和電容量

3．電容器的種類

按結(jié)構(gòu)可分為固定電容器，可變電容器，微調(diào)電容器；按介質(zhì)可分為有機(jī)介質(zhì)電容器、無機(jī)介質(zhì)電容器、液體介質(zhì)電容器、空氣介質(zhì)電容器。還可以按作用分，有耦合電容器、去耦電容器、旁路電容器、濾波電容器、調(diào)諧電容器、補(bǔ)償電容器、穩(wěn)頻電容器、穩(wěn)幅電容器、移相電容器、啟動電容器、運轉(zhuǎn)電容器、降壓限流電容器等；按制造材料分，有紙介電容器、云母電容器、陶瓷電容器、滌綸電容器、玻璃膜電容器、玻璃釉電容器、鉭電容器、聚苯乙烯電容器、聚丙烯電容器等；按用途分，有標(biāo)準(zhǔn)電容器、電力電容器、中頻電容器、空調(diào)電容器等。電容器的電路圖形符號3.1電容

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問題與思考

（1）電容器是“容納電荷的容器”。所以，電容器的基本特性是儲存電荷。那么，電容器儲存電荷的能力（本領(lǐng)）如何表示呢？

實驗證明，對于某一個電容器，其中任一個極板所帶的電量與兩極板間的電壓的比值是一個常數(shù)。但是，對于不同的電容器，這一比值是不同的。所以，這一比值能夠表示電容器儲存電荷的能力。3.1電容

4.電容器的電容量

3.1.1電容器和電容量

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電容器所帶電量與兩極板間電壓的比值稱為電容器的電容量，簡稱電容，用C表示式中，Q表示電容器所帶電量，單位為庫侖（C）；U表示電容器兩極板間的電壓，單位為伏（V）；C表示電容器的電容量，單位為法拉（F）

，簡稱法。

常用的電容單位是微法（μF）和皮法（pF

）3.1電容

4.電容器的電容量

3.1.1電容器和電容量

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【例3.1】將一個電容量為1000μF的電容器接到6V的直流電源上，求帶電后所儲存的電量。

根據(jù)電容定義式得出

3.1電容

4.電容器的電容量

3.1.1電容器和電容量

解：單元3電容和電感

問題與思考

（2）讓平行板電容器帶電后，分別改變兩極板間的距離和兩極板的正對面積，這時用靜電計測量兩極板間的電壓會怎樣？兩極板間的距離越大，靜電計的示數(shù)越大。表示平行板電容器的電容隨兩極板距離的增大而減小。

兩極板的正對面積越小，靜電計的示數(shù)越大。表示平行板電容器的電容隨兩極板正對面積的減小而減小。在極板間插入絕緣介質(zhì)，靜電計的示數(shù)比未插入時要小。表示平行板電容器的電容由于插入絕緣介質(zhì)而增大。3.1電容

4.電容器的電容量

3.1.1電容器和電容量

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實驗和理論推導(dǎo)可得，平行板電容器的電容，跟絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)成正比，跟極板的正對面積成正比，跟極板間的距離成反比，即式中S表示兩極板的正對面積（相對有效面積），單位為平方米（m2）；

d表示兩極板間的距離（內(nèi)表面的距離），單位為米（m）；ε表示絕緣介質(zhì)（電介質(zhì)）的介電常數(shù)，單位為法/米（F/m）；C表示電容器的電容量，單位為法拉（F）。3.1電容

4.電容器的電容量

3.1.1電容器和電容量

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幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)

介質(zhì)的介電常數(shù)是由介電物質(zhì)的性質(zhì)決定的。真空的介電常數(shù)

某種介質(zhì)的介電常數(shù)與真空介電常數(shù)的比值稱為該介質(zhì)的相對介電常數(shù)，用εr表示，即或介

質(zhì)相對介電常數(shù)介

質(zhì)相對介電常數(shù)蠟紙4.3石英4.2空氣1.00059聚苯乙烯2.2云母4～7.5超高頻瓷7.0～8.5玻璃6～6.5五氧化二鉭11.63.1電容

4.電容器的電容量

3.1.1電容器和電容量

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3.1.1電容器和電容量

5.電容器的參數(shù)

耐壓標(biāo)稱容量（1）標(biāo)稱容量和誤差標(biāo)稱容量就是電容器的電容量。標(biāo)稱容量與其實際容量之差，除以標(biāo)稱容量所得的百分?jǐn)?shù)，就是電容器的容量誤差。（2）額定工作電壓電容器能夠在不高于這一直流電壓的情況下長期穩(wěn)定工作并保持良好性能，通常稱為耐壓值。電解電容器的電極有正、負(fù)之分.（3）絕緣電阻

電容器兩極之間的電阻稱為絕緣電阻。絕緣電阻較大的電容器，電介質(zhì)的性能好。3.1電容

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讀一讀貼片電容

超級電容器3.1電容

3.1.1電容器和電容量

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問題與探究

選用電容器的主要指標(biāo)是標(biāo)稱容量和耐壓值。有時會遇到單只電容器的容量或耐壓不能滿足要求的情形。能否象電阻器通過適當(dāng)連接得到需要的阻值那樣，將幾只電容器作適當(dāng)?shù)倪B接來滿足要求呢？

3.1電容

3.1.2電容器的連接

3.1電容

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將幾只電容器接到兩個節(jié)點之間的連接方式稱為電容器的并聯(lián)。

n只電容量均為

C0的電容器并聯(lián)

電容器并聯(lián)組合能夠提高電容量。但要注意的是，并聯(lián)電容器中的每一只電容器的耐壓都要大于外加電壓。否則，只要一只電容器被擊穿短路，就會造成整個并聯(lián)電路被短路，會對電路中的電器造成危害。1．電容器的并聯(lián)3.1.2電容器的連接

3.1電容

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【例3.2】兩個電容器并聯(lián)，接在電壓為U的電路上，已知

C1=20μF，耐壓12V，C2=30μF，耐壓50V。求:（1）等效電容;（2）電路最大安全電壓;（3）Q1與Q2的比。1．電容器的并聯(lián)3.1.2電容器的連接

（1）等效電容（3）

Q1與Q2的比（2）電路最大安全電壓∵并聯(lián)電容器組中各電容器上的電壓相同，∴電容器組的最大安全電壓等于并聯(lián)組中最小的耐壓值解:3.1電容

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將幾只電容器連接成一個無分支電路的連接方式稱為電容器的串聯(lián)。兩只電容器串聯(lián)

當(dāng)某電容器的耐壓值不能滿足要求時，可以用幾只電容器串聯(lián)的等效電容器代替以提高耐壓值，但要計算一下每只電容器在電路中承受的電壓，看其是否超過各自的耐壓值以確保電路安全。2．電容器的串聯(lián)3.1.2電容器的連接

3.1電容

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【例3.3】兩個耐壓值均為25V的電容器容量分別是20μF和50μF，串聯(lián)后接到40V的直流電源上。試求等效電容和各電容器上的電壓，并判斷此電路能否正常工作。

2．電容器的串聯(lián)3.1.2電容器的連接

解:等效電容因為C1上承受的電壓已超過它的耐壓值，所以C1將被擊穿。繼而電壓全部加在C2上，C2也會被擊穿。所以，電路不能正常工作。

兩電容器上承受的電壓

3.1電容

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既有串聯(lián)又有并聯(lián)的電容器組合稱為電容器的混聯(lián)。如圖所示的是三只電容器混聯(lián)的兩種方式。（a）電路，可以先求出并聯(lián)的兩只電容器的等效電容C12，然后再求出C12與C3串聯(lián)的等效電容C；（b）電路，可以先求出串聯(lián)的兩只電容器的等效電容C12

，然后再求出C12與C3并聯(lián)的等效電容C。3．電容器的混聯(lián)3.1.2電容器的連接

3.1電容

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3.1.3

實驗：電容器的充電和放電電容器的檢測

1．觀察電容器充、放電現(xiàn)象（1）實驗?zāi)康耐ㄟ^儀器儀表觀察電容器充、放電規(guī)律，理解電容器充、放電電路的工作特點。（2）實驗器材①檢流計、伏特表各一塊，6V直流穩(wěn)壓電源（或電池組）一組。②100μF電容器一只，100Ω電阻兩只，單刀雙擲開關(guān)一只，導(dǎo)線若干。（3）實驗原理電容器的充、放電電流

3.1電容

單元3電容和電感

3.1.3

實驗：電容器的充電和放電電容器的檢測

1．觀察電容器充、放電現(xiàn)象①電容器能夠隔直流通交流當(dāng)直流電源對電容器充電完畢后，電容器上電壓的數(shù)值不再改變，電流為零，所以，電容器有隔斷直流電的作用；若把電容器接到交流電源上，由于交流電源電壓的大小和方向在不斷變化，使電容器不斷地進(jìn)行充、放電，電路中不斷有電荷的移動而形成了電流。這種電容器反復(fù)充、放電的電流也就是“通過”電容器的電流。由于這種電流是大小和方向不斷變化的交流電，所以，電容器能夠“通過”交流電。俗稱“隔直流，通交流”.通過觀察電容器充、放電過程，可以分析得到這樣的結(jié)論：3.1電容

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1．觀察電容器充、放電現(xiàn)象②電容器是一種儲能元件充電的過程就是極板上電荷不斷積累的過程，當(dāng)電容器充滿電時，電容器儲存了電荷，也儲存了能量（稱為電場能），相當(dāng)于一個電源。但這一電源隨著放電的進(jìn)行，原來積累的電荷不斷向外釋放，能量也不斷釋放（通過R2轉(zhuǎn)換為熱能），電壓減小，最后為零。在此過程中，電容器本身不消耗能量。因此，電容器是一種儲能元件。3.1.3

實驗：電容器的充電和放電電容器的檢測

3.1電容

單元3電容和電感

2．電容器的檢測

（1）實驗?zāi)康膶W(xué)會判斷電容器好壞的簡易方法。（2）實驗器材萬用表一塊。幾只容量不等的固定電容器和電解電容器。（3）實驗原理電容器的常見故障有擊穿短路、開路、漏電、容量減小、變質(zhì)失效等。用萬用表的電阻擋，測試電容器有無短路、開路，有無充電過程，可以初步檢測電容器的好壞。3.1.3

實驗：電容器的充電和放電電容器的檢測

3.1電容

單元3電容和電感

2．電容器的檢測

（4）實驗步驟

①固定電容器的檢測a.電容值在5000pF以下:可用R×10k擋檢測內(nèi)部是否擊穿短路。b.電容值在5000pF以上:可用R×10k擋初步判別電容器的好壞。②電解電容器的檢測a.1～47μF間的可用R×1k擋，大于47μF的可用R×100擋。b.測量電容的正向漏電阻和反向漏電阻（一般應(yīng)在幾百kΩ以上），否則說明電容漏電嚴(yán)重或已擊穿損壞。c.根據(jù)指針向右擺動幅度的大小，可估測出電解電容的容量。3.1.3

實驗：電容器的充電和放電電容器的檢測

3.1電容

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2．電容器的檢測

檢測較大容量電容器時，萬用表指針的擺動情況

（a）反復(fù)調(diào)換表筆測量（b）檢測的三種情況3.1.3

實驗：電容器的充電和放電電容器的檢測

學(xué)習(xí)目標(biāo)

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

（1）理解磁場的基本概念，會判斷載流長直導(dǎo)體與螺線管導(dǎo)體周圍磁場的方向，了解其在工程技術(shù)中的應(yīng)用。（2）了解磁通的物理概念，了解其在工程技術(shù)中的應(yīng)用；了解磁場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率的基本概念及其相互關(guān)系。（3）掌握左手定則。（4）掌握右手定則。3.2磁場與電磁感應(yīng)

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3.2.1磁場與磁感線

1．磁場觀察與思考

同名磁極相斥，異名磁極相吸。互不接觸的磁體之間發(fā)生相互作用，表明磁體周圍有一種特殊物質(zhì)來傳遞這一作用，這一特殊物質(zhì)就是磁場，磁體周圍存在磁場。3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

為直觀描述空間中各點的磁場而引入磁感線的概念。在磁場中畫一些曲線，曲線上任一點的切線方向都與該點的磁場方向相同，這些曲線就是磁感線。

磁感線是人們假想出來的線，可以用實驗方法顯示出來。磁感線具有以下特點：（1）磁感線是不中斷的閉合曲線，在磁體外部，磁感線由N極出發(fā)回到S極；而在磁體內(nèi)部，磁感線則由S極指向N極；（2）磁感線不相交；（3）磁感線的疏密可以表示磁場的強(qiáng)弱。磁感線密處磁場強(qiáng)，磁感線疏處磁場弱。

2．磁感線

3.2.1磁場與磁感線

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

奧斯特

(1777~1851)

——丹麥物理學(xué)家、化學(xué)家

。自從庫侖提出電和磁有本質(zhì)上的區(qū)別以來，奧斯特一直尋求電和磁的聯(lián)系。在1820年他終于發(fā)現(xiàn)，放在通有電流的導(dǎo)線附近的小磁針因受到磁場力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這一實驗表明電流能夠產(chǎn)生磁場，它證明了電和磁能相互轉(zhuǎn)化，這為電磁學(xué)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

3.2.2實驗：電流的磁場

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

1．實驗?zāi)康模?）實驗電流能夠產(chǎn)生磁場。（2）學(xué)習(xí)判斷電流周圍磁場方向的方法。（3）了解電流磁場在工程技術(shù)中的應(yīng)用。2．實驗器材小磁針，直導(dǎo)線，直流穩(wěn)壓電源（6V）或電池組，繼電器工作電路。3.2.2實驗：電流的磁場

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

3．實驗方法與步驟（1）電流產(chǎn)生磁場

（a）導(dǎo)線中無電流（b）導(dǎo)線中有電流導(dǎo)體中的電流導(dǎo)體中無電流導(dǎo)體中電流方向自右向左中斷導(dǎo)體中的電流導(dǎo)體中電流方向自左向右小磁針的狀態(tài)變化和靜止時的指向3.2.2實驗：電流的磁場

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

3．實驗方法與步驟（2）電流磁場方向的判定

電流產(chǎn)生的磁場方向可用安培定則（右手螺旋定則）來判斷。①通電直導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場

3.2.2實驗：電流的磁場

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

3．實驗方法與步驟（2）電流磁場方向的判定

電流產(chǎn)生的磁場方向可用安培定則（右手螺旋定則）來判斷。3.2.2實驗：電流的磁場

②通電螺線管產(chǎn)生的磁場

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

3．實驗方法與步驟（3）電流磁場在工程技術(shù)中的應(yīng)用

繼電器工作電路

3.2.2實驗：電流的磁場

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

3.2.3磁場的描述

1．磁通

通過與磁場方向垂直的某一面積上的磁感線的總數(shù)，叫做通過該面積的磁通量，簡稱磁通，用字母Φ表示。單位是韋伯（Wb），簡稱韋。當(dāng)面積一定時，通過該面積的磁通越多，磁場就越強(qiáng)。這一點在工程上有很重要的意義。如電磁鐵、變壓器，提高效率的重要因素之一就是減少漏磁通，也就是希望磁感線盡可能多的通過鐵芯的截面積，以減少漏磁損耗，提高效率。3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

2．磁感應(yīng)強(qiáng)度3.2.3磁場的描述

相同的面積，通過的磁通越多，磁場就越強(qiáng)。垂直通過單位面積的磁感線的數(shù)目，叫做磁場中該點的磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡稱為磁感應(yīng)，用字母B表示。在均勻的磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度可表示為式中，磁通Φ的單位用韋伯（Wb），面積S的單位用米2（m2），磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位是韋/米2（Wb/m2），稱作特斯拉（T），簡稱特。3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

如果磁場中各點的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向都相同，則稱該磁場為勻強(qiáng)磁場。

3.2.3磁場的描述

2．磁感應(yīng)強(qiáng)度

表明，磁感應(yīng)強(qiáng)度是穿過與磁場垂直的單位面積上的磁通量。所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通密度，簡稱為磁密。磁感應(yīng)強(qiáng)度同時表示了某點磁場的強(qiáng)弱和方向，磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量。

3.2磁場與電磁感應(yīng)

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3.2.3磁場的描述

用插入一根銅棒（或鋁棒）的通電線圈去吸引鐵屑；然后把通電線圈中的銅棒（或鋁棒）改換成軟鐵棒再去吸引鐵屑，后者比前者的吸力大得多。表明不同的媒介質(zhì)對磁場的影響不同，其影響程度與媒介質(zhì)的導(dǎo)磁性能有關(guān)。媒介質(zhì)的導(dǎo)磁性能用磁導(dǎo)率表示。磁導(dǎo)率的單位為亨/米（H/m）。真空的磁導(dǎo)率是一個常數(shù)，用0表示，由實驗測得3．磁導(dǎo)率3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

3.2.3磁場的描述

常用鐵磁性物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率

3．磁導(dǎo)率

為了便于比較各種物質(zhì)的導(dǎo)磁能力，引入了相對磁導(dǎo)率。一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率和真空的磁導(dǎo)率0的比值叫這種物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率，用r表示，即。r是沒有單位的數(shù)值。鐵磁物質(zhì)r鐵磁物質(zhì)r鑄鐵200～400鋁硅鐵粉2.5～7鑄鋼500～2200鎳鋅鐵氧體10～1000硅鋼片7000～10000鎳鐵合金60000坡莫合金20000～200000錳鋅鐵氧體300～50003.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

從前面的分析知道，在其他條件相同的情況下，不同的媒介質(zhì)將有不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，這使磁場的計算變得比較復(fù)雜。為了計算方便，引入了磁場強(qiáng)度這個物理量，用符號H表示。磁場強(qiáng)度H的大小等于磁場中某點的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與媒介質(zhì)磁導(dǎo)率的比值，即磁場強(qiáng)度H的數(shù)值只與電流的大小及導(dǎo)線的形狀有關(guān)，而與磁場媒介質(zhì)的磁導(dǎo)率無關(guān)，這給工程計算帶來了很大方便。磁場強(qiáng)度的單位是安/米（A/m）。磁場強(qiáng)度是矢量，其方向與該點的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向相同。4．磁強(qiáng)場度

3.2.3磁場的描述

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

1．磁場對載流直導(dǎo)體的作用

觀察與思考

實驗可得，通電導(dǎo)體在磁場中受到磁場力的作用，而且力的方向與電流的方向及磁感線的方向有關(guān)。磁場對通電直導(dǎo)體的作用力稱為電磁力或安培力。電磁力的方向用左手定則判定。

3.2.4磁場對電流的作用

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

3.2.4磁場對電流的作用

2．磁場對通電線圈的作用

觀察與思考

通電線圈在磁場中會受到電磁力矩的作用而轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動方向也可用左手定則判定。

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

讀一讀

電磁力應(yīng)用實例

3.2.4磁場對電流的作用

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

3.2.5電磁感應(yīng)

法拉第（1791～1867）——英國科學(xué)家。自從1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)后，科學(xué)家開始思考一個問題：既然電可以產(chǎn)生磁，磁可不可以產(chǎn)生電？不少科學(xué)家?guī)е@個問題做了大量實驗，而首先獲得成功的是法拉第。1822年，法拉第開始了把磁轉(zhuǎn)變成電的實驗，經(jīng)過了10年的不懈努力，終于在1831年發(fā)現(xiàn)磁引起電的現(xiàn)象——電磁感應(yīng)現(xiàn)象。他還利用電磁感應(yīng)原理，設(shè)計了歷史上第一臺感應(yīng)發(fā)電機(jī)。法拉第不僅作出了跨時代的貢獻(xiàn)，而且奠定了未來電力工業(yè)的基礎(chǔ)。

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

3.2.5電磁感應(yīng)

觀察與思考

用右手定則可以判斷直導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的方向。

實驗說明，只要穿過線圈回路的磁通發(fā)生了變化，線圈回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這是感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的必要條件。

利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢稱為感應(yīng)電動勢（感生電動勢），產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流（感生電流）。

3.2磁場與電磁感應(yīng)

單元3電容和電感

讀一讀

電磁感應(yīng)應(yīng)用實例——動圈式話筒

3.2.5電磁感應(yīng)

學(xué)習(xí)目標(biāo)

3.3磁路

單元3電容和電感

（1）了解磁路和磁通勢、主磁通和漏磁通的概念。了解磁阻的概念，了解影響磁阻的因素。（2）了解磁化現(xiàn)象，能識讀起始磁化曲線、磁滯回線、基本磁化曲線，了解常用磁性材料。（3）了解消磁與充磁的原理和方法。（4）了解磁滯、渦流損耗產(chǎn)生的原因及降低損耗的方法.（5）了解磁屏蔽的概念及其在工程技術(shù)中的應(yīng)用。單元3電容和電感

3.3.1磁路的概念

1．磁路磁路就是磁通經(jīng)過的閉合路徑。

3.3磁路

磁路分為無分支磁路和有分支磁路。

單元3電容和電感

3.3.1磁路的概念

2.主磁通和漏磁通3.3磁路

磁通是沿著磁導(dǎo)率很大的鐵磁物質(zhì)流通的，就像電流是沿著電導(dǎo)率很大的導(dǎo)體流動一樣。鐵磁物質(zhì)雖然能將絕大部分磁通約束在一定的閉合路徑上，但是有一部分磁通會不經(jīng)過鐵磁材料，而是經(jīng)過空氣或其他材料而閉合。鐵芯中的磁通稱作主磁通，鐵芯外的磁通稱作漏磁通。一般情況下，漏磁通比主磁通小得多。單元3電容和電感

3.3.1磁路的概念

3.磁通勢

3.3磁路

通電線圈中的電流產(chǎn)生磁通，電流越大，磁通（磁感線）越多；通電線圈的每一匝都要產(chǎn)生磁通，線圈的匝數(shù)越多，磁通（磁感線）越多，磁場也就越強(qiáng)。因此，通電線圈所產(chǎn)生磁通的數(shù)量，與線圈中通過的電流大小和線圈的匝數(shù)有關(guān)。理論和實驗表明，通電線圈產(chǎn)生的磁通與線圈中通過的電流和線圈匝數(shù)的乘積成正比。通過線圈的電流和線圈匝數(shù)的乘積，稱為磁動勢（也稱磁通勢），用符號Em表示，單位是A（安）。如果用N表示線圈的匝數(shù)，I表示通過線圈的電流，則磁通勢可寫成

電路中有電阻，電阻表示電流在電路中所受到的阻礙作用。與此類似，磁路中也有磁阻，磁阻表示磁通通過磁路時所受到的阻礙作用，用符號Rm表示。實驗證明，磁阻的大小與磁路的平均長度l成正比，與磁路的橫截面積S成反比，并與組成磁路的材料的性質(zhì)有關(guān)，寫成公式為單元3電容和電感

3.3.1磁路的概念

4.磁阻

3.3磁路

式中，磁導(dǎo)率μ代表磁路材料的性質(zhì)，以H/m為單位，長度l以m為單位，橫截面積S以m2為單位，則磁阻Rm的單位是1/亨（1/H）。

理論和實驗表明，通過磁路的磁通與磁動勢成正比，與磁阻成反比，可表示為單元3電容和電感

3.3.1磁路的概念

5.磁路的歐姆定律

3.3磁路

上式與電路的歐姆定律相似，所以稱之為磁路的歐姆定律。單元3電容和電感

3.3.1磁路的概念

5.磁路的歐姆定律

3.3磁路

對照類比

電流I電阻電導(dǎo)率1/ρ電動勢E

電路歐姆定律磁通Φ磁阻磁導(dǎo)率磁動勢Em

磁路歐姆定律電

路磁

路磁路和電路相對應(yīng)的物理量或關(guān)系式

磁路和電路

單元3電容和電感

3.3.2磁化與磁性材料

1.鐵磁物質(zhì)的磁化

3.3磁路

使原來不顯磁性的物質(zhì)具有磁性的過程稱做磁化。凡是鐵磁材料都能被磁化。鐵磁物質(zhì)能夠被磁化，是因為鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在許多小的自然磁化區(qū)，稱為磁疇。單元3電容和電感

3.3.2磁化與磁性材料

2.起始磁化曲線和磁滯回線

3.3磁路

(a)研究磁性物質(zhì)的磁化過程的裝置；(b)鐵磁材料反復(fù)磁化得到的B-H曲線。

把線圈繞在被研究的環(huán)狀磁性材料上，如果流過線圈的磁化電流從零逐漸增大，則磁性材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場強(qiáng)度H的變化而變化。將變化過程的各點連接起來，就得到一條封閉的B-H曲線，稱為磁滯回線。

單元3電容和電感

3.3.2磁化與磁性材料

2.起始磁化曲線和磁滯回線

3.3磁路

不同的外磁場強(qiáng)度Hm情況下得到的一系列磁滯回線的頂點連結(jié)起來所得到的曲線稱為基本磁化曲線，或稱平均磁化曲線、實用磁化曲線。一系列磁滯回線幾種常用鐵磁材料的基本磁化曲線

單元3電容和電感

3.3.2磁化與磁性材料

3.常用磁性材料

3.3磁路

不同的鐵磁材料具有不同的磁滯回線，其剩磁和矯頑力也不同，因而特性以及在工程上的用途也各不相同。通常把鐵磁材料分為三大類（a）軟磁材料（b）硬磁材料（c）矩磁材料單元3電容和電感

3.3.2磁化與磁性材料

3.常用磁性材料

3.3磁路

（a）軟磁材料。如硅鋼片、鑄鐵、鑄鋼等。這類材料的特點是矯頑磁力和剩磁較小，易磁化也易去磁，磁滯回線較窄.（b）硬磁材料。如鎢鋼、鈷鋼、鋁、鎳、鈷合金等。這類材料的特點是矯頑磁力和剩磁均較大，不易磁化也不易去磁，磁滯回線較寬.（c）矩磁材料（矩形磁滯回線材料）。這種材料的特點是在很小的外磁作用下就能磁化，一經(jīng)磁化便達(dá)到飽和，當(dāng)去掉外磁后，磁性仍能保持在飽和值，其磁滯回線近似一個矩形.單元3電容和電感

3.3.2磁化與磁性材料

3.3磁路

讀一讀

充磁與消磁

你知道嗎

錄音機(jī)的錄音原理

單元3電容和電感

3.3.3渦流與磁屏蔽

1.渦流

3.3磁路

問題與思考

觀察發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和變壓器的的鐵芯，可以看到它們都不是整塊金屬，而是用許多涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓制成的，為什么要這樣做呢？（交變磁場感生電流渦電流渦流損耗薄硅鋼片疊壓渦流限制在薄片內(nèi)）你知道嗎

渦流的有益利用

單元3電容和電感

3.3.3渦流與磁屏蔽

2.磁屏蔽3.3磁路

電子、電信設(shè)備中，有些部件需要防止外界磁場的干擾，有些部件需要阻止輻射磁場干擾外界。為解決這個問題，可以用鐵磁材料或?qū)щ姴牧现瞥梢粋€罩子，使設(shè)備與外界隔離，這種方法稱為磁屏蔽。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

3.4電感

單元3電容和電感

（1）了解電感的概念，了解影響電感器電感量的因素。（2）了解電感器的外形、參數(shù)，會判斷其好壞。單元3電容和電感

3.4.1電感器和電感量

1.電感器3.4電感

由各種規(guī)格的漆包線繞制在形狀和大小不同的各種骨架或磁性材料上的線圈，稱為電感線圈或電感器。電感器在電子技術(shù)中廣泛用于振蕩、濾波等電路中；在電工技術(shù)中，有繞在鐵芯上的電抗器、鎮(zhèn)流器等。電感器可以分為空芯和鐵芯兩大類。單元3電容和電感

3.4.1電感器和電感量

2.電感器的電感量

3.4電感

電感器中若通以電流I，則線圈產(chǎn)生磁通Φ。線圈的磁通Φ與它所交鏈的匝數(shù)N的乘積稱為線圈的磁通鏈，簡稱磁鏈，用Ψ表示，磁通鏈Ψ是電流I的函數(shù)。為了表示線圈產(chǎn)生磁通鏈的能力，將電感線圈產(chǎn)生的磁通鏈Ψ與電流I的比值稱為電感線圈的電感量（電感）或自感系數(shù)（自感），用字母L表示，即

式中，線圈的磁通鏈Ψ

，單位為韋伯（Wb）；線圈中的電流I，單位為安（A）；線圈的電感L，單位為亨（H）。在實際應(yīng)用中，電感的單位還有毫亨（mH）和微亨（μH），與亨的關(guān)系是

單元3電容和電感

3.4.2電感器的參數(shù)

3.4電感

環(huán)形螺旋線圈，均勻密繞在某磁性材料的圓環(huán)上，可以近似地認(rèn)為磁通都集中在線圈的內(nèi)部。設(shè)線圈的匝數(shù)為N，圓環(huán)的平均周長為l（m），截面積為S（m2），圓環(huán)的磁導(dǎo)率為μ（H/m）。由實驗和理論分析可得，當(dāng)線圈通以電流I（A）時，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為線圈的磁通鏈為

∴電感L為

上式說明，電感量L是電感器固有的，其大小決定于線圈中介質(zhì)的磁導(dǎo)率和線圈的匝數(shù)及幾何尺寸（形狀、大?。Ｋ?，把電感量作為電感器的主要參數(shù)。單元3電容和電感

3.4.2電感器的參數(shù)

3.4電感

實際的電感線圈常用導(dǎo)線繞制而成，因此，除具有電感外還具有電阻。電感線圈自身對直流電的阻礙作用稱為電感線圈的直流電阻，由于該值很小，?？珊雎圆挥?，此時電感線圈就成為一種只有電感而沒有電阻的理想線圈，即純電感線圈，簡稱電感。這樣，“電感”具有雙重的意思：既是電路中的一個元件，又是電路中的一個參數(shù)。電感器允許通過的最大電流稱為額定電流，超過這一電流時電感器會不能正常工作甚至損壞。空芯線圈，其電感是一個常量，也被稱為線性電感器；鐵芯線圈，其電感會隨著電流的變化而變化，也被稱為非線性電感器。常用電感線圈的符號單元3電容和電感

3.4.3實訓(xùn)：電感器的檢測3.4電感

1．實訓(xùn)目的學(xué)習(xí)判斷電感器好壞的簡易方法。2．實訓(xùn)器材萬用表一塊，電感線圈若干。3．實訓(xùn)內(nèi)容要檢測電感器的電感量需要用專門儀器，如交流電橋或具有測量電感功能的萬用表等。在實際中，一般可僅檢查電感器有無開路或短路，簡易方法是用萬用表的歐姆擋測量電感器的直流電阻。單元3電容和電感

3.4.3實訓(xùn)：電感器的檢測3.4電感

一般，高頻電感器的直流電阻在零點幾Ω至幾Ω之間；中頻電感器的直流電阻在幾Ω至幾十Ω之間；低頻電感器的直流電阻在幾十Ω至幾百Ω之間。測量值與其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的數(shù)值相比較：阻值比規(guī)定的小很多甚至為零，電感線圈存在局部短路或嚴(yán)重短路情況；阻值比規(guī)定的大很多甚至為無窮大，電感線圈存在開路情況。使用萬用表的電阻擋“R×1”測量電感線圈兩端的直流電阻值。學(xué)習(xí)目標(biāo)

3.5互感

單元3電容和電感

（1）理解互感的概念，了解互感在工程技術(shù)中的應(yīng)用，能解釋影響互感的因素。（2）理解同名端的概念，了解同名端在工程技術(shù)中的應(yīng)用，能解釋影響同名端的因素。（3）了解變壓器的電壓比、電流比和阻抗變換。3.5互感

單元3電容和電感

3.5.1互感現(xiàn)象

1.當(dāng)開關(guān)S閉合或斷開瞬間，電流計指針會左右偏轉(zhuǎn)，說明線圈1中電流變化時在線圈2中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢。由于一個線圈中的電流變化引起另一個線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象，簡稱互感。能夠發(fā)生互感現(xiàn)象的兩個線圈稱為互感線圈或磁耦合線圈?；ジ鞋F(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢稱為互感電動勢。2.當(dāng)迅速改變變阻器阻值時，電流計指針也會左右偏轉(zhuǎn)，且阻值變化速度越快，電流計指針偏轉(zhuǎn)角度越大。說明線圈2中互感電動勢大小與線圈1中電流變化率有關(guān)。如果改變兩線圈匝數(shù)、幾何尺寸（形狀、大小），改變之間的相對位置，改變互感磁路的介質(zhì)，線圈2中互感電動勢的大小也會不同。說明，影響互感的因素包括兩個線圈自身的固有參數(shù)和引起互感的電流變化率。3.5互感

單元3電容和電感

3.5.1互感現(xiàn)象

應(yīng)用互感可以很方便地把能量或信號由一個線圈傳遞到另一個線圈?；ジ性陔姽ぜ夹g(shù)和無線電技術(shù)中有著非常廣泛的應(yīng)用。各種各樣的變壓器，如電力變壓器、收音機(jī)中的中頻變壓器；各種互感器，如電流互感器、電壓互感器等；還有電焊機(jī)、鉗形電流表等，都是根據(jù)互感原理制成的?；ジ杏袝r也會帶來害處。例如，有線電話常常會由于兩路電話間的互感而引起串音。無線電設(shè)備中，若線圈位置安放不當(dāng)，線圈間將相互干擾，影響設(shè)備的正常工作。在這種情況下，就需要避免互感的干擾。3.5互感

單元3電容和電感

3.5.2互感線圈的同名端

兩個或兩個以上線圈耦合或連接時，常需要知道線圈中感應(yīng)電動勢的極性。感應(yīng)電動勢的極性不僅與互感磁通是增加還是減少有關(guān)，還與線圈的繞向有關(guān)。對于從外形上無法辨認(rèn)繞向，在電路圖中不方便繪制繞向，常用特殊標(biāo)記來表示線圈的繞向。

把由于互感線圈的繞向一致而感應(yīng)電動勢的極性一致的端子稱為同名端，反之稱為異名端。同名端用“?”或“*”標(biāo)記。對于已知繞向的互感線圈，按照同名端的概念，使兩線圈產(chǎn)生磁通方向一致的電流流入端即為同名端。3.5互感

單元3電容和電感

3.5.2互感線圈的同名端

做一做

互感線圈同名端的實驗測定

E:1.5~3V電池，R:100Ω電阻，S:單刀開關(guān)，V:直流電壓表。當(dāng)S閉合瞬間，表的指針會很快擺動一下。若指針正向擺動，則線圈1接電池正極的一端與線圈2接表正極的一端為同名端；若指針反向擺動，則線圈1接電池正極的一端與線圈2接表負(fù)極的一端為同名端。3.5互感

單元3電容和電感

3.5.3變壓器

觀察與認(rèn)識3.5互感

單元3電容和電感

3.5.3變壓器

1．變壓器的結(jié)構(gòu)

鐵芯是變壓器的磁路部分。為了增強(qiáng)磁耦合、減少磁滯及渦流損耗，鐵芯通常采用磁導(dǎo)率高的絕緣硅鋼片疊加而成。鐵芯分為心式和殼式兩種，心式鐵芯成“口”字形，線圈包著鐵芯；殼式鐵芯成“日”字形，鐵芯包著線圈。繞在骨架上的線圈是變壓器的電路部分。與電源相接的繞組為初級繞組（原線圈），與負(fù)載相接的繞組為次級繞組（副線圈）。變壓器主要由鐵芯、骨架和線圈（繞組）組成。3.5互感

單元3電容和電感

3.5.3變壓器

2．變壓器的變比

（1）電壓變換

變壓器輸入、輸出電壓的大小與原、副線圈的匝數(shù)成正比。n稱為變壓器的變壓比。在原線圈上加上交變電壓U1（輸入電壓），鐵芯中將產(chǎn)生交變磁通Φ，在原、副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E1和E2。感應(yīng)電動勢的大小正比于磁通Φ的變化率且與線圈的匝數(shù)成正比，即若副線圈開路，線圈內(nèi)無電流通過，副線圈兩端的電壓U2（輸出電壓）與E2相等。略去原線圈導(dǎo)線電阻的電壓降，有3.5互感

單元3電容和電感

3.5.3變壓器

2．變壓器的變比

（2）電流變換

變壓器在變換電壓的同時也變換了電流，初、次級的電流與初、次級的匝數(shù)成反比。當(dāng)副線圈接上負(fù)載時，將有輸出電流I2通過。若原線圈中的輸入電流為I1

，則變壓器輸入功率為。如不考慮變壓器的損耗（理想變壓器），變壓器輸出功率為接近等于輸入功率，即得

3.5互感

單元3電容和電感

3.5.3變壓器

2．變壓器的變比

（3）阻抗變換

適當(dāng)設(shè)計變壓器的變壓比，將其接在電源與負(fù)載之間就能實現(xiàn)阻抗匹配以獲得最大功率輸出。

輸入阻抗

輸出阻抗

由，

得

只要使等效阻抗n2Z2等于電源內(nèi)阻抗，就實現(xiàn)了阻抗匹配。

3.5互感

單元3電容和電感

3.5.3變壓器

2．變壓器的變比

【例3