《電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)》第二章 磁場與電磁感應(yīng)

第二章磁場與電磁感應(yīng)22—1磁場

2—2磁場對電流的作用

2—3電磁感應(yīng)32—1磁場1．了解電路的基本組成和電路圖的主要類型。2．熟悉電路的三種狀態(tài)。3．了解汽車單線制電路的特點(diǎn)。學(xué)習(xí)目標(biāo)42—1磁場一、磁場二、磁感線三、磁感應(yīng)強(qiáng)度四、磁通五、磁導(dǎo)率六、鐵磁材料的分類和應(yīng)用52—1磁場一、磁場當(dāng)兩個(gè)磁極靠近時(shí)，它們之間就會(huì)發(fā)生相互作用，同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。磁鐵并不是磁場的唯一來源。如圖所示，當(dāng)把一根水平放置的通電導(dǎo)線平行地移近一磁針上方時(shí)，磁針立即發(fā)生偏轉(zhuǎn)。上述現(xiàn)象說明，電流周圍存在著磁場。通電導(dǎo)線使磁針偏轉(zhuǎn)圖62—1磁場二、磁感線在玻璃板上均勻地撒一層細(xì)鐵屑，然后把一塊蹄形磁鐵放在玻璃板下面。輕敲玻璃板，鐵屑轉(zhuǎn)動(dòng)靜止后，便有序地排列起來（見圖）。觀察鐵屑的分布情況，可以看出，在磁極附近，鐵屑最為密集，表明磁場最強(qiáng)。用鐵屑模擬磁場分布圖72—1磁場二、磁感線再在玻璃板上不同位置放一些小磁針，根據(jù)鐵屑的分布和磁場中各點(diǎn)的小磁針N極的指向，人們可以畫出曲線來描述磁場。這樣的曲線稱為磁感線（見圖）。蹄形磁鐵的磁感線圖82—1磁場二、磁感線實(shí)驗(yàn)表明，各種不同形狀的磁鐵或通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁感線是不同的，圖所示為條形磁鐵的磁感線。條形磁鐵的磁感線92—1磁場二、磁感線通電長直導(dǎo)線及通電螺線管的磁場方向可用右手螺旋定則來確定，具體方法見表。右手螺旋定則102—1磁場三、磁感應(yīng)強(qiáng)度磁場的強(qiáng)弱用磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）表示。它的大小是這樣定義的：將1m長的導(dǎo)線垂直于磁場方向放入磁場中，并通以1A的電流，如果受到的磁場力為1N，則導(dǎo)線所處磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1特斯拉（T）。磁場越強(qiáng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大；磁場越弱，磁感應(yīng)強(qiáng)度越小。普通永磁體磁極附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度一般為0.4～0.7T，電動(dòng)機(jī)和變壓器鐵芯中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.8～1.4T，地面附近地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度只有0.00005T。112—1磁場四、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，則把B與S的乘積定義為穿過這個(gè)平面的磁通量（見圖），簡稱磁通。用Φ表示磁通，則有Φ=BS磁通的單位是韋伯（Wb），簡稱韋。平面與磁場方向垂直122—1磁場四、磁通如果磁場方向不與所討論的平面垂直（見圖），則應(yīng)以這個(gè)平面在垂直于磁場方向上的投影面積S′與B的乘積來表示磁通。平面與磁場方向不垂直132—1磁場五、磁導(dǎo)率如果用一個(gè)插有鐵棒的通電線圈去吸引鐵屑，然后把通電線圈中的鐵棒換成銅棒再去吸引鐵屑，便會(huì)發(fā)現(xiàn)在兩種情況下吸力大小不同，前者比后者大得多。這表明不同的媒介質(zhì)對磁場的影響不同，影響的程度與媒介質(zhì)的導(dǎo)磁性能有關(guān)。磁導(dǎo)率就是一個(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（亨/米）。由實(shí)驗(yàn)測得真空中的磁導(dǎo)率μ0=4π×10－7H/m，為一常數(shù)。142—1磁場六、鐵磁材料的分類和應(yīng)用根據(jù)相對磁導(dǎo)率的大小，可把物質(zhì)分為三類：1.順磁物質(zhì)如空氣、鋁、鉻、鉑等，其μr稍大于1。2.反磁物質(zhì)如氫、銅等，其μr稍小于1。順磁物質(zhì)與反磁物質(zhì)一般被稱為非鐵磁性材料。152—1磁場六、鐵磁材料的分類和應(yīng)用3.鐵磁物質(zhì)如鐵、鈷、鎳、硅鋼、坡莫合金、鐵氧體等，其相對磁導(dǎo)率μr遠(yuǎn)大于1，可達(dá)幾百甚至數(shù)萬以上，且不是一個(gè)常數(shù)。鐵磁物質(zhì)被廣泛應(yīng)用于電工技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面。根據(jù)不同的特點(diǎn)，可把鐵磁材料分為三類，見表。磁通162—2磁場對電流的作用1．會(huì)應(yīng)用左手定則判斷通電直導(dǎo)體在磁場中所受電磁力的方向。2．理解直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。3．了解霍爾元件的特性及其在汽車電路中的應(yīng)用。學(xué)習(xí)目標(biāo)172—2磁場對電流的作用一、磁場對電流的作用二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理三、磁感應(yīng)強(qiáng)度四、磁通五、磁導(dǎo)率六、鐵磁材料的分類和應(yīng)用182—2磁場對電流的作用一、磁場對電流的作用圖左手定則兩個(gè)永久磁鐵相互靠近，由于磁場彼此作用，它們相互間具有作用力。電流通過導(dǎo)體，在導(dǎo)體周圍會(huì)產(chǎn)生磁場，若將它放進(jìn)另一個(gè)永久磁鐵的磁場中，顯然也會(huì)受到作用力，這個(gè)力稱為電磁力。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192—2磁場對電流的作用二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理利用磁場對電流的作用，人們制成了電動(dòng)機(jī)。圖所示為直流電動(dòng)機(jī)的原理圖。直流電動(dòng)機(jī)原理圖202—2磁場對電流的作用二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖所示為實(shí)際應(yīng)用的直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，它主要由定子繞組（又稱勵(lì)磁繞組、永磁磁極）、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器等組成。直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖212—2磁場對電流的作用二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理汽車上用到的直流電動(dòng)機(jī)有很多，其中汽車起動(dòng)機(jī)內(nèi)是一個(gè)功率較大的電動(dòng)機(jī)，如圖所示。汽車起動(dòng)機(jī)222—2磁場對電流的作用二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理此外，還有多個(gè)功率較小的微型直流電動(dòng)機(jī)，如圖所示。汽車用微型直流電動(dòng)機(jī)a)頭枕座椅用電動(dòng)機(jī)b)刮水器電動(dòng)機(jī)c)音響用微型電動(dòng)機(jī)232—2磁場對電流的作用二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理許多利用永久磁鐵來使通電線圈偏轉(zhuǎn)的磁電式儀表，也都是利用這一原理制成的，如圖所示。磁電式儀表242—3電磁感應(yīng)1．理解感應(yīng)電動(dòng)勢的概念，會(huì)應(yīng)用右手定則確定感應(yīng)電動(dòng)勢的方向。2．了解楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律。3．了解發(fā)電機(jī)的工作原理。4．了解自感和互感的應(yīng)用，會(huì)判斷互感線圈的同名端。5．了解渦流的利與害。學(xué)習(xí)目標(biāo)252—3電磁感應(yīng)一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象二、感應(yīng)電動(dòng)勢三、自感四、互感262—3電磁感應(yīng)一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象在圖所示實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)導(dǎo)體垂直于磁感線在水平方向做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以明顯地觀察到檢流計(jì)指針有偏轉(zhuǎn)，這說明導(dǎo)體回路中有電流通過。而當(dāng)導(dǎo)體平行于磁感線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，檢流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)，說明導(dǎo)體回路中不產(chǎn)生電流。導(dǎo)體切割磁感線272—3電磁感應(yīng)一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象在圖所示實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)用一塊條形磁鐵快速插入線圈時(shí)，會(huì)觀察到檢流計(jì)指針向一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)；如果條形磁鐵在線圈內(nèi)靜止不動(dòng)，檢流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)；當(dāng)將條形磁鐵由線圈中迅速拔出時(shí)，又會(huì)觀察到檢流計(jì)指針向另一方向偏轉(zhuǎn)。條形磁鐵快速插入和拔出線圈282—3電磁感應(yīng)二、感應(yīng)電動(dòng)勢右手定則1．直導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢（1）感應(yīng)電動(dòng)勢的方向做切割磁感線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的方向可由右手定則來確定：伸平右手，伸直四指，并使拇指與四指垂直，讓磁感線垂直穿過掌心，使拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，則四指所指的方向就是感應(yīng)電動(dòng)勢的方向（或感應(yīng)電流的方向），如圖所示。292—3電磁感應(yīng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與磁感線方向有一個(gè)夾角α1．直導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢（2）感應(yīng)電動(dòng)勢的大小如果導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與磁感線方向有一夾角α（見圖），則導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢為e=BLvsinα由式可知，當(dāng)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向與磁感線垂直時(shí)（α=90°），導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢最大；當(dāng)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向與磁感線平行時(shí)（α=0°），導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢為零。302—3電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)工作原理1．直導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢發(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(dòng)勢的原理發(fā)電的，如圖所示。312—3電磁感應(yīng)2．線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢（1）感應(yīng)電動(dòng)勢的方向線圈中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。感應(yīng)電動(dòng)勢的方向通常由楞次定律再結(jié)合右手螺旋定則來確定。楞次定律指出：感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁通總是要阻礙原有磁通的變化。當(dāng)引起感應(yīng)電流的磁通量增大時(shí)，感應(yīng)電流的磁場與原電流的磁場方向相反；當(dāng)引起感應(yīng)電流的磁通量減小時(shí)，感應(yīng)電流的磁場與原電流的磁場方向相同。322—3電磁感應(yīng)2．線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢（2）感應(yīng)電動(dòng)勢的大小在之前的實(shí)驗(yàn)中，磁鐵插入或拔出的速度越快，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(dòng)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。332—3電磁感應(yīng)三、自感圖自感現(xiàn)象自感是一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，它是由于回路自身電流變化而引起的。例如，在圖所示電路中，當(dāng)流過線圈的電流發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致穿過線圈的磁通量也隨之變化，從而產(chǎn)生了自感電動(dòng)勢。自感現(xiàn)象342—3電磁感應(yīng)1．自感電動(dòng)勢的方向自感電動(dòng)勢的方向可結(jié)合楞次定律和右手螺旋定則來確定，當(dāng)原來電流增大時(shí)，自感電動(dòng)勢與產(chǎn)生電流的電源電動(dòng)勢方向相反；當(dāng)原來電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢與產(chǎn)生電流的電源電動(dòng)勢方向相同，如圖所示。自感電動(dòng)勢的方向a）回路電流增大時(shí)b）回路電流減小時(shí)352—3電磁感應(yīng)2．自感電動(dòng)勢的大小自感電動(dòng)勢eL的計(jì)算式為eL=－ΔΦΔt=－LΔiΔt（2—8）式中L——自感系數(shù)，與線圈匝數(shù)、形狀、大小及周圍磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)，其單位為亨利，H；ΔΦ——在Δt時(shí)間里，穿過回路磁通量的變化量，Wb；Δi——在Δt時(shí)間里，回路中電流的變化量，A。362—3電磁感應(yīng)3．渦流在有鐵芯的線圈中通入交流電時(shí)，就有交變的磁場穿過鐵芯，這時(shí)會(huì)在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生自感電動(dòng)勢并形成電流，由于這種電流形如旋渦，故稱“渦流”。渦流的熱效應(yīng)既有有益的一面，也有有害的一面。工業(yè)生產(chǎn)中可以利用渦流的熱效應(yīng)，采用高頻電爐來冶煉金屬或預(yù)加熱鍛件，如圖所示。渦流的應(yīng)用a)高頻電爐冶煉金屬b)鍛件預(yù)加熱372—3電磁感應(yīng)3．渦流電源變壓器的鐵芯總是由多層組成，并用薄層絕緣材料將各層隔開，以減小渦流損耗，如圖所示。采用多層鐵芯減小渦流損耗a)單層鐵芯渦流損耗大b)多層鐵芯渦流損耗小鏈接382—3電磁感應(yīng)四、互感互感是另一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象：當(dāng)一個(gè)回路中的電流發(fā)生變化時(shí),將引起附近其他回路的磁通量發(fā)生變化，從而在別的回路里產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，如圖所示。互感現(xiàn)象392—3電磁感應(yīng)1．互感電動(dòng)勢的大小和方向式中N2——發(fā)生互感的線圈匝數(shù)；ΔΦ12——在Δt時(shí)間里，產(chǎn)生磁通的電流在發(fā)生互感的線圈中磁通量的變化量，Wb；M12——互感系數(shù)，與線圈匝數(shù)、形狀、大小及周圍磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān),互感的單位也是亨利，H。402—3電磁感應(yīng)2．同名端在電力傳送和電子電路中，人們?yōu)榱吮ＷC電路的安全性、獨(dú)立性和匹配性，