電工基礎(chǔ)04磁與電

第四章磁與電§4-1磁的基礎(chǔ)知識§4-2磁場的主要物理量§4-3磁場對電流的作用§4-4電磁感應(yīng)§4-5自感和互感§4-6變壓器§4-1磁的基礎(chǔ)知識一、磁現(xiàn)象1．磁體磁鐵能吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)，這種性質(zhì)叫磁性，具有這種性質(zhì)的物體叫磁體。磁體分為天然磁體和人造磁體兩大類。常見的人造磁體有條形磁體、蹄形磁體和磁針等，如下圖所示。2.磁極磁體上存在兩個(gè)磁性最強(qiáng)的部分叫磁極。將一個(gè)磁體用線懸掛起來，靜止時(shí)指南的磁極叫南極（S極），指北的磁極叫北極（N極）。

3．磁化一些物體在磁體或電流的作用下會獲得磁性，這種現(xiàn)象叫做磁化。4．磁極的相互作用同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。二、磁場與磁力線磁極之間的相互作用是通過磁場進(jìn)行傳遞的。磁場是磁體周圍存在的特殊物質(zhì)磁場。a）條形磁鐵周圍的鐵屑b）蹄形磁鐵周圍的鐵屑磁場的分布常用磁感線來描述。（1）磁力線是互不相交的閉合曲線。在磁體外部，磁力線由N極指向S極；在磁體內(nèi)部，磁力線由S極指向N極。（2）磁力線的疏密反映磁場的強(qiáng)弱。磁力線越密、磁場越強(qiáng)；磁力線越疏、磁場越弱。（3）磁力線上任一點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁場方向，即靜止時(shí)小磁針N極所指的方向。三、電流的磁效應(yīng)不僅磁鐵能產(chǎn)生磁場，電流也能產(chǎn)生磁場，這種現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng)。1．直線電流的磁場

判斷方法：右手握住導(dǎo)線，讓伸直的大拇指所指的方向跟電流的方向一致，則彎曲的四指所指的方向就是磁力線環(huán)繞方向。

2．環(huán)形電流的磁場

判斷方法：右手握住螺線管，彎曲的四指指向電流的方向，則大母指指向就是螺線管內(nèi)部磁力線的方向。

電流磁效應(yīng)的重要應(yīng)用之一是電磁鐵。磁鐵分直流電磁鐵和交流電磁鐵，如下圖所示為直流電磁鐵的應(yīng)用實(shí)例電磁繼電器。

四、電流的磁效應(yīng)的應(yīng)用A：線圈；B：銜鐵；C：彈簧D：動觸點(diǎn)；E：靜觸點(diǎn)§4-2磁場的主要物理量

在馬蹄形磁體懸掛一段直導(dǎo)線，導(dǎo)線方向與磁場方向保持垂直，若導(dǎo)線通過一定大小的電流，即可看到導(dǎo)線因受力而發(fā)生運(yùn)動

。一、磁感應(yīng)強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)表明：在磁場中同一個(gè)地方，無論電流和導(dǎo)線長度怎樣改變，比值恒定不變，這個(gè)比值F/IL是由磁場本身決定的，可以用來表示磁場的強(qiáng)弱。用公式表示為

磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉，簡稱特，用符號T表示。

磁感應(yīng)強(qiáng)度是個(gè)矢量，它的方向就是該點(diǎn)的磁場的方向。

磁感線的疏密程度可以大致反映磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。在同一個(gè)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)。二、磁通

設(shè)在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場中，有一個(gè)與磁場方向垂直的平面，面積為S，我們把B與S的乘積，定義為穿過這個(gè)面積的磁通量，簡稱磁通。用φ表示磁通，則有

φ=BS

磁通的單位是韋伯，簡稱韋，用Wb表示。

如果磁場不與所討論的平面垂直，則應(yīng)以這個(gè)平面在垂直于磁場B的方向的投影面積S’與B的乘積來表示磁通。即三、磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率是一個(gè)用來表示媒介質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量，用μ表示，其單位為H/m。由實(shí)驗(yàn)測得真空中的磁導(dǎo)率μ0

μ0=4π×10-7H/m，為一常數(shù)。任一物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率的比值稱作相對磁導(dǎo)率，用μr表示，即：

相對磁導(dǎo)率只是一個(gè)比值。它表明在其他條件相同的情況下，媒介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度是真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度的多少倍。該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與媒介質(zhì)磁導(dǎo)率μ的比值即為磁場中某點(diǎn)的磁場強(qiáng)度，用H表示，即：

磁場強(qiáng)度的單位為A/m。磁場強(qiáng)度與也是一個(gè)矢量，在均勻媒介質(zhì)中，它的方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向一致。

四、磁場強(qiáng)度§4-3磁場對電流的作用一、磁場對電流的作用通常把通電導(dǎo)體在磁場中受到的力稱為電磁力，也稱安培力。通電直導(dǎo)體在磁場內(nèi)的受力方向可用左手定則來判斷。

左手定則：伸出左手，使大拇指與其余四個(gè)手指垂直，讓磁力線垂直穿入手心，四指指向電流的方向，則大拇指所指的方向就是磁場對通電導(dǎo)體作用力的方向。

實(shí)驗(yàn)證明：在均勻磁場中，當(dāng)通電直導(dǎo)體與磁場方向垂直時(shí)，電磁力的大小與導(dǎo)體中電流的大小成正比，與導(dǎo)體的有效長度及磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。（1）當(dāng)導(dǎo)體與磁力線垂直時(shí)，導(dǎo)體所受電磁力為（2）當(dāng)導(dǎo)體的與磁力線成α角，導(dǎo)體所受電磁力為當(dāng)α=900時(shí)電磁力最大，當(dāng)α=00時(shí)電磁力為零。二、磁場對通電平行直導(dǎo)線間的作用

兩條相距較近且相互平行的直導(dǎo)線，當(dāng)通以相同方向的電流時(shí)，它們相互吸引（左圖）；當(dāng)通以相反方向的電流時(shí)，它們相互排斥（右圖）。a）電流同向相互吸引b）電流異向相互排斥（1）從導(dǎo)線頂部觀察（或底部觀察），確定導(dǎo)線剖面的電流方向。比如，從頂部腑視圖a，導(dǎo)線剖面的電流均為垂直穿入紙面。（2）用安培法則判斷導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場方向。比如，上圖所示導(dǎo)線電流的磁場方向均為順時(shí)針。（3）用左手定則判斷一個(gè)電流在另一個(gè)電流的磁場中所受電磁力的方向。比如，圖a所示電流在磁場中受到向右的電磁力；同理，圖a所示電流在磁場中受到向左的電磁力。因此，兩條平行導(dǎo)體電流同向時(shí)相互吸引。三、磁場對通電矩形線圈的作用

磁場對通電矩形線圈的作用是電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的基本原理。c）d）a）b）（1）當(dāng)線圈平面與磁力線平行時(shí)（圖a，c），用左手定則判斷，位于N極一側(cè)導(dǎo)體的有效部分受到向下的電磁力，位于S極一側(cè)導(dǎo)體的有效部分受到向上的電磁力。這時(shí)，線圈的電磁轉(zhuǎn)矩最大，線圈將會按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。（2）當(dāng)線圈平面與磁力線垂直時(shí)（圖b，d），電刷A、B與導(dǎo)體均不接觸，線圈電磁轉(zhuǎn)矩為零，但由于慣性作用線圈仍將繼續(xù)轉(zhuǎn)動。（3）通過換向器的作用，電刷A（接電源負(fù)極）始終與轉(zhuǎn)到N極一側(cè)導(dǎo)體相連，電刷B（接電源正極）始終與轉(zhuǎn)到S極一側(cè)導(dǎo)體相連；前者電流恒為流入，前者電流恒為流出。因此，線圈在斷續(xù)轉(zhuǎn)矩的作用下能按順時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。§4-4電磁感應(yīng)一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象

電流能產(chǎn)生磁場，那么磁場能否產(chǎn)生電流呢？

當(dāng)用條形磁鐵快速插入或撥出線圈時(shí)，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，表明閉合回路有電流通過；當(dāng)條形磁鐵靜止不動時(shí)，電流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)，表明閉合回路沒有電流通過。

這種利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生的電動勢稱為感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。二、楞次定律

以上實(shí)驗(yàn)表明：在線圈回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的原因是由于磁鐵的插入和拔出導(dǎo)致線圈中的磁通發(fā)生了變化。 楞次定律指出了磁通的變化與感應(yīng)電動勢在方向上的關(guān)系，即：感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通總是阻礙原磁通的變化。三、法拉第電磁感應(yīng)定律

在上述實(shí)驗(yàn)中，如果改變磁鐵插入或拔出的速度，就會發(fā)現(xiàn)，磁鐵運(yùn)動速度越快，指針偏轉(zhuǎn)角度越大，反之越小。而磁鐵插入或拔出的速度，反映的是線圈中磁通變化的速度。即：線圈中感應(yīng)電動勢的大小與線圈中磁通的變化率成正比。——這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。

用表示時(shí)間間隔內(nèi)一個(gè)單匝線圈中的磁通變化量，則一個(gè)單匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小為

如果線圈有N匝，則感應(yīng)電動勢的大小為

四、右手定則

感應(yīng)電動勢的方向可用右手定則判斷。右手定則：平伸右手，大拇指與其余四指垂直，讓磁感線穿入掌心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動方向，則其余四指所指的方向就是感應(yīng)電動勢的方向。

當(dāng)導(dǎo)體、導(dǎo)體運(yùn)動方向和磁感線方向三者互相垂直時(shí)（圖a），導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢為：e=Blv如果導(dǎo)體運(yùn)動方向與磁感線方向有一夾角α（圖b），

則導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢為e=Blvsinα如果導(dǎo)體運(yùn)動方向與磁感線方向平行（圖c），則導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢零。a）b）c）

發(fā)電機(jī)就是應(yīng)用導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原理發(fā)電的，實(shí)際應(yīng)用中，將導(dǎo)線做成線圈，使其在磁場中轉(zhuǎn)動，從而得到連續(xù)的電流。a）b）c）d）（1）當(dāng)線圈平面與磁力線垂直時(shí)（圖a，c），由于導(dǎo)體運(yùn)動方向與磁力線平行，感應(yīng)電動勢為零。（2）當(dāng)線圈平面與磁力線平行時(shí)（圖b，d），導(dǎo)體運(yùn)動方向與磁力線垂直，感應(yīng)電動勢最大。線圈按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，用右手定則判斷，位于N極一側(cè)的導(dǎo)體感應(yīng)電流流出線圈，位于S極一側(cè)的導(dǎo)體感應(yīng)電流流入線圈。（3）由于線圈按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，導(dǎo)體在N、S磁極循環(huán)往復(fù)切割磁力線。電流要么A出B入、要么A入B出，因此電刷A、B輸出的電流是大小和方向都在變化的交流電。這種能產(chǎn)生交流電的發(fā)電機(jī)稱為交流發(fā)電機(jī)?！?-5自感和互感一、自感合上開關(guān)，HL2比HL1亮的慢。斷開開關(guān)，燈泡閃亮一下才熄滅。1、自感現(xiàn)象當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個(gè)電動勢總是阻礙線圈中原來電流的變化。這種由于流過線圈本身的電流發(fā)生變化而引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象，簡稱自感。2、自感系數(shù)

一個(gè)線圈中通過單位電流所產(chǎn)生的自感磁通稱為自感系數(shù)（簡稱電感），用L表示，單位是亨利，用H表示。常用單位較小的單位有毫亨（mH）和微亨（μH），它們的關(guān)系為1H=103mH=106μH3、磁場能

電感線圈通電，當(dāng)流過其中的電流增加時(shí)，線圈便從電源吸收能量并儲存起來；當(dāng)流過其中的電流減小時(shí)，線圈便把原來儲存的磁場能釋放出來。線圈本身只與電源進(jìn)行能量的交換，并不消耗能量，所以說電感線圈是一種儲能元件。理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，電感線圈中儲存的磁場能可表示為二、互感

在開關(guān)S閉合或斷開瞬間以及改變RP的阻值，檢流計(jì)的指針都會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1、互感現(xiàn)象我們把由于線圈繞向一致而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的極性始終保持一致的端子稱為線圈的同名端，用“·”表示。1、互感線圈的同名端

當(dāng)開關(guān)S閉合瞬間，線圈L1電流I從1端流進(jìn)、2端流出。根據(jù)楞次定律，在線圈L1兩端產(chǎn)生自感電動勢，極性為“1正2負(fù)”；由于互感作用，線圈L2產(chǎn)生互感電動勢，極性也為“3正4負(fù)”。這種由于線圈繞向一致而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢極性一致的端子稱為線圈的同名端。繞向相反而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢極性相反的端子稱為線圈的異名端。

§4-6變壓器一、變壓器的分類

變壓器是利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓的一種裝置。按用途分類升壓變壓器降壓變壓器按相數(shù)分類單相變壓器、三相變壓器按線圈數(shù)分類雙線圈變壓器、三線圈變壓器、自耦變壓器按鐵芯結(jié)構(gòu)分類心式變壓器、殼式變壓器、漸開線式變壓器按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類油浸式變壓器、干式變壓器按容量大小分類小型變壓器、中型變壓器、大型變壓器、特大型變壓器二、變壓器的結(jié)構(gòu)

變壓器的基本結(jié)構(gòu)形式有兩種：心式和殼式，其主要組成部分有鐵芯和繞組。a）單相變壓器b）三相變壓器1．鐵芯鐵芯構(gòu)成了變壓器的磁路，同時(shí)又是套裝繞組的骨架。鐵芯分為鐵芯柱和鐵軛兩部分。鐵芯柱上套裝繞組，鐵軛將鐵芯柱連接起來形成閉合磁路。為了減少鐵芯中的渦流損耗，提高磁路的導(dǎo)磁性能，鐵芯一般高磁導(dǎo)率的磁性材料——硅鋼片疊裝而成。變壓器鐵芯的結(jié)構(gòu)心式和殼式等形式。心式結(jié)構(gòu)比較簡單，組裝容易，因而電力變壓器的鐵芯主要采用心式結(jié)構(gòu)。

1繞組（線圈

變壓器的線圈通常稱為繞組，它是變壓器的電路部分，由涂覆絕緣漆的銅或鋁導(dǎo)線繞制而成。在變壓器中，接到高壓電網(wǎng)的繞組稱為高壓繞組，接到低壓電網(wǎng)的