中職實(shí)用汽車電工電子技術(shù)(高教版)課件：第2章-電磁學(xué)基本知識(shí)及其應(yīng)用

中等職業(yè)教育技能緊缺人才培養(yǎng)培訓(xùn)系列教材

實(shí)用汽車電工電子技術(shù)中等職業(yè)教育技能緊缺人才培養(yǎng)培訓(xùn)系列教材

實(shí)用汽車電工電子1第2章電磁學(xué)根本知識(shí)及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解磁鐵、磁場(chǎng)與磁感線、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通量及磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁通量之間的關(guān)系。2．理解電流的磁場(chǎng)，電流的磁效應(yīng)，磁路歐姆定律。3．掌握磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體的作用，磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用，4．理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象、楞次定律、自感現(xiàn)象、互感現(xiàn)象。5．掌握電磁鐵、繼電器的根本內(nèi)容。第2章電磁學(xué)根本知識(shí)及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)22．1磁的根本物理量2．1．磁鐵具有磁性的物質(zhì)稱為磁鐵，所有能被磁鐵吸引的物質(zhì)稱為鐵磁物質(zhì)或鐵磁材料。磁鐵分為天然磁鐵與人造磁鐵兩大類。磁鐵的主要性能：(1)磁鐵的兩端磁性最強(qiáng)，這兩端稱為磁極，磁極具有指向南北的性質(zhì)，通常把指南端的磁極稱為南極，用S表示；指北端的磁極稱為北極，用N表示。(2)同性磁極互相排斥，異性磁極互相吸引。它說(shuō)明磁極之間有相互作用力，磁極之間的相互作用力稱為磁力。(3)無(wú)論怎樣分割磁鐵，分割后所得到的每一塊磁鐵總具有南北兩個(gè)磁極，即N極和S極相互依存，不能單獨(dú)存在。(4)把一塊鐵磁物質(zhì)放在磁鐵附近，該鐵磁物質(zhì)也會(huì)帶上磁性，這種原來(lái)沒(méi)有磁性的物質(zhì)獲得磁性的現(xiàn)象稱為磁化，磁鐵拿走后，被磁化的物質(zhì)還會(huì)保存一定的磁性，稱為剩磁。2．1磁的根本物理量2．1．磁鐵3

2．1．2磁場(chǎng)與磁感線1．磁場(chǎng)磁場(chǎng)是指磁鐵周圍有磁力的空間，它是磁體周圍空間的一種特殊物質(zhì)，它沒(méi)有構(gòu)成物質(zhì)的分子或原子。2．磁感線磁感線就是一條條從磁體北〔N〕極沿磁體周圍空間到磁體南〔S〕術(shù)，然后再通過(guò)磁體內(nèi)部回到北(N)極的閉合曲線。曲線上每一點(diǎn)的切線方向(即小磁針N極在該點(diǎn)的指向)就表示該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向；曲線在某處的疏密程度(單位面積的磁感線根數(shù))就表示該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，如圖2．1所示。2．1．2磁場(chǎng)與磁感線1．磁場(chǎng)42．1．3磁感應(yīng)強(qiáng)度

磁場(chǎng)中垂直穿過(guò)單位面積上磁感線的條數(shù)稱為該面積所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，又稱為磁通密度。磁感應(yīng)強(qiáng)度是用來(lái)描述磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量，是一個(gè)矢量，通常用字母B來(lái)表示式中B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為特[斯拉]，用T表示。F——力，單位為N。I——電流，單位為A。△L——長(zhǎng)度，單位為m。如果磁場(chǎng)中某一區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向都相同，那么該區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)稱為均勻磁場(chǎng)。均勻磁場(chǎng)的磁感線是一些均勻分布的平行直線。2．1．3磁感應(yīng)強(qiáng)度磁場(chǎng)中垂直穿過(guò)單位面積上磁52．1．4磁通量磁感應(yīng)強(qiáng)度和與它垂直的某一截面積的乘積，稱為通過(guò)該截面積的磁通量。換言之，磁場(chǎng)中穿過(guò)某一面積磁感線的條數(shù)就為穿過(guò)該面積的磁通量，簡(jiǎn)稱磁通，用來(lái)表示。對(duì)于均勻磁場(chǎng)，因B為常數(shù)，那么有式中——磁通量，單位為用Wb表示。B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T。A——面積，單位為m2。在國(guó)際單位制中，磁通量的單位名稱是韋[伯]，簡(jiǎn)稱韋，單位符號(hào)是Wb。2．1．4磁通量磁感應(yīng)強(qiáng)度和與它垂直的某一截62.2電流的磁效應(yīng)和磁路2．2．1電流的磁場(chǎng)丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特于1820年發(fā)現(xiàn)電流的周圍存在著磁場(chǎng)。電流是產(chǎn)生磁場(chǎng)的根本原因，電流和磁場(chǎng)有著不可分割的聯(lián)系，磁場(chǎng)總是伴隨著電流而存在的，電流那么永遠(yuǎn)被磁場(chǎng)所包圍，磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的,人們把電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng)。通電直導(dǎo)體的磁場(chǎng)一根直導(dǎo)體通人電流后，導(dǎo)體周圍就產(chǎn)生磁場(chǎng)，其磁感線的分布是以導(dǎo)體為中心的一組同心圓，如圖2．2(a)所示。實(shí)驗(yàn)證明，通電直導(dǎo)體周圍各點(diǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與導(dǎo)體中電流大小成正比，磁場(chǎng)的方向與電流的方向有關(guān)，可用右手螺旋定那么確定：右手握住導(dǎo)體，用大拇指指向電流方向，那么其余四指彎曲的方向就是磁場(chǎng)的方向，如圖2．2(b)所示。

2．2．3通電線圈的磁場(chǎng)把導(dǎo)線繞成螺旋狀的線圈并通人電流，也能產(chǎn)生磁場(chǎng)，通電線圈的磁場(chǎng)相當(dāng)于一塊條形永久磁鐵的磁場(chǎng)，如圖2．3(a)所示。2.2電流的磁效應(yīng)和磁路2．2．1電流的磁場(chǎng)7中職實(shí)用汽車電工電子技術(shù)(高教版)課件：第2章-電磁學(xué)基本知識(shí)及其應(yīng)用82．2．4磁路歐姆定律磁通集中通過(guò)的閉合路徑稱為磁路，在汽車電器中，為了獲得較強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，常常把磁通集中到一定形狀的路徑中。形成磁路的最好方法是用鐵磁材料做成各種形狀的鐵心，使磁感線在鐵心中形成閉合回路。圖2．4所示就是幾種電器的磁路。2．2．4磁路歐姆定律92．3磁場(chǎng)對(duì)電流的作用2．3．1磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體的作用如圖2．5所示，在U形磁鐵中懸掛一根直導(dǎo)體，并使導(dǎo)體垂直于磁感線，導(dǎo)體兩端分別連接于蓄電池的兩個(gè)極上，未通電時(shí)，導(dǎo)體是靜止的，如果接通電源，導(dǎo)體就向一邊運(yùn)動(dòng)，最后到達(dá)一個(gè)新的位置而平衡下來(lái)，假設(shè)改變電流方向或?qū)φ{(diào)磁極，導(dǎo)體將向另一邊運(yùn)動(dòng)。這說(shuō)明通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將受到作用力，這種作用力稱為磁場(chǎng)力。實(shí)驗(yàn)證明：在均勻磁場(chǎng)中，通電直導(dǎo)體受到電磁力F的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正，與導(dǎo)體中電流成正比，與導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度L成正比，即F=BIL載流直導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向，可用左手定那么來(lái)判定，具體方法是將左手伸平，拇指與四指垂直，讓磁感線垂直穿過(guò)手心，四指指向電流的方向，那么拇指所指方向就是導(dǎo)體的受力方向，如圖2．6所示。2．3磁場(chǎng)對(duì)電流的作用2．3．1磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體的作用10中職實(shí)用汽車電工電子技術(shù)(高教版)課件：第2章-電磁學(xué)基本知識(shí)及其應(yīng)用11[例2.1]如下圖，試判斷圖中直導(dǎo)體的電流方向或受力方向(圖中表示電流垂直紙面向里，表示電流方向垂直紙面向外)。[解]利用左手定那么判斷結(jié)果為圖2。7(a)的直導(dǎo)體受力方向?yàn)橄蛳拢瑘D2。7〔b〕的直導(dǎo)體的電流方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲狻例2.1]如下圖，試判斷圖中直導(dǎo)體的電流方向或受力方向(122．3．2磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用研究磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用更有實(shí)際意義，因?yàn)樵谄囯娖髦性S多直流電動(dòng)機(jī)，如刮水器電動(dòng)機(jī)、空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)和起動(dòng)機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)等都是利用這一原理制成的。1．通電線圈在磁場(chǎng)中的受力如圖2．8(a)所示，在均勻磁場(chǎng)中放置一個(gè)可繞軸00’轉(zhuǎn)動(dòng)的通電矩形線圈abcd。：ad=bc=L1；ab=cd=L2：。當(dāng)線圈與磁感線平行時(shí)，因ab邊和cd邊與磁感線平行，所受電磁力為零，而ad邊和bc邊與磁感線垂直，所受電磁力最大，而且F1=F2=BIL1。此時(shí)受電磁力作用的兩個(gè)邊也稱為有效邊。2．3．2磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用13中職實(shí)用汽車電工電子技術(shù)(高教版)課件：第2章-電磁學(xué)基本知識(shí)及其應(yīng)用142．通電線圈在磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩等于力偶中的任意一個(gè)力與力偶臂的乘積，因而圖2．8(a)中矩形線圈轉(zhuǎn)矩為

式中T——線圈中受到的電磁轉(zhuǎn)矩，單位為N·m。

B——均勻磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T。2．通電線圈在磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)矩152.3.3磁場(chǎng)對(duì)通電半導(dǎo)體的作用(霍爾效應(yīng))如圖2．9所示，把一塊半導(dǎo)體基片(霍爾元件)放在磁場(chǎng)中，當(dāng)在與磁場(chǎng)垂直的方向上通以電流時(shí)，那么在與磁場(chǎng)和電流相垂直的另外橫向側(cè)面上產(chǎn)生電壓。這一現(xiàn)象是美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，因此命名為霍爾效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明：霍爾效應(yīng)中產(chǎn)生的電壓UH，(霍爾電壓)的大小與通過(guò)半導(dǎo)體基片的電流I和磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，與基片的厚度d成反比。即2.3.3磁場(chǎng)對(duì)通電半導(dǎo)體的作用(霍爾效應(yīng))16中職實(shí)用汽車電工電子技術(shù)(高教版)課件：第2章-電磁學(xué)基本知識(shí)及其應(yīng)用172.4電磁感應(yīng)2．4．1電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件英國(guó)科學(xué)家法拉第在大量實(shí)驗(yàn)的根底上，于1831年發(fā)現(xiàn)了磁生電的重要事實(shí)及其規(guī)律——電磁感應(yīng)定律，下面介紹兩個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)。[實(shí)驗(yàn)一]在圖2．10所示的均勻磁場(chǎng)中放置一根直導(dǎo)體AB，導(dǎo)體兩端連接一個(gè)靈敏電流計(jì)C，當(dāng)導(dǎo)體垂直于磁感線做切割運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以明顯地觀察到電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)，當(dāng)導(dǎo)體靜止不動(dòng)或平行于磁感線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電流計(jì)的指針不動(dòng)。[實(shí)驗(yàn)二]如圖2．11所示，空心線圈兩端連接靈敏電流計(jì)G，時(shí)，會(huì)觀察到電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)，如果條形磁鐵在線圈中靜止不動(dòng)，電流計(jì)指針也不動(dòng)，如果將條形磁鐵由線圈中迅速拔出，會(huì)看到電流計(jì)的指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)。2.4電磁感應(yīng)2．4．1電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件18中職實(shí)用汽車電工電子技術(shù)(高教版)課件：第2章-電磁學(xué)基本知識(shí)及其應(yīng)用192．4．2楞次定律俄國(guó)物理學(xué)家楞次經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，于1833年發(fā)現(xiàn)判定感應(yīng)電流方向的重要定律——楞次定律。其內(nèi)容是：感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通總是企圖阻礙原磁通的變化。應(yīng)注意的是，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通只是企圖阻礙原磁通的變化，而不是阻礙原磁通的存在。在圖2．12(a)中，原磁通方向向下，由于磁鐵插入線圈時(shí)，線圈中磁通變化趨勢(shì)為增加，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)磁通企圖阻礙原磁通的增加，即與原磁通方向相反。因此感應(yīng)磁通的方向向上。最后用右手螺旋定那么判斷感應(yīng)電流的方向，即用右手握住線圈，讓拇指指向感應(yīng)磁通方向，那么彎曲四指的指向就是感應(yīng)電流的方向，把線圈看成電源，那么感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性為下正上負(fù)。用同樣的方法亦可判斷出圖2．12(b)中線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性為上正下負(fù)。2．4．2楞次定律20中職實(shí)用汽車電工電子技術(shù)(高教版)課件：第2章-電磁學(xué)基本知識(shí)及其應(yīng)用212．4．3自感現(xiàn)象1．自感現(xiàn)象所謂自感現(xiàn)象就是線圈內(nèi)變化的磁通源于線圈本身通人變化的電流。如圖2．15所示，閉合開(kāi)關(guān)S，調(diào)節(jié)RP改變流人線圈電流的大小或改變電流的方向，那么線圈的磁通量大小(或方向)發(fā)生變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種由通人線圈的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象，由自感現(xiàn)象產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為自感電動(dòng)勢(shì)，用符號(hào)eL表示。2．4．3自感現(xiàn)象222．自感電動(dòng)勢(shì)由楞次定律可知：自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙原電流的變化，當(dāng)線圈中電流i增大(減小)時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原電流方向相反(相同)，如圖2．16所示。

實(shí)驗(yàn)證明：自感電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈的自感系數(shù)和線圈中電流的變化率成正比。2．自感電動(dòng)勢(shì)232．4．4互感現(xiàn)象1．互感現(xiàn)象所謂互感，就是由于一個(gè)線圈中電流的變化使另一個(gè)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為互感電動(dòng)勢(shì)，用eM表示。如圖2．17所示，線圈1和線圈2靠得很近，線圈2的兩端接一個(gè)靈敏電流計(jì)G，當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)和閉合的瞬間，會(huì)看到電流計(jì)發(fā)生左右偏轉(zhuǎn)，這是因?yàn)榫€圈1中電流的變化產(chǎn)生了變化的磁通，其中一局部變化的磁通通過(guò)線圈2，由于線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而使相連的電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。2．互感電動(dòng)勢(shì)互感電動(dòng)勢(shì)的方向可用楞次定律來(lái)判定，其具體方法是：(1)根據(jù)線圈中電流的方向，確定線圈中互感磁通的方向。(2)根據(jù)線圈1中電流變化的趨勢(shì)，確定通過(guò)線圈2中互感磁通的變化趨勢(shì)。(3)根據(jù)楞次定律判定線圈2中感應(yīng)磁通的方向。(4)根據(jù)右手螺旋定那么判定互感電流的方向。2．4．4互感現(xiàn)象24中職實(shí)用汽車電工電子技術(shù)(高教版)課件：第2章-電磁學(xué)基本知識(shí)及其應(yīng)用252．5電磁鐵和繼電器2．5．1電磁鐵人們常用鐵磁材料(軟鐵)作鐵心，在外面繞上線圈，再通以電流做成電磁鐵，如下圖。電磁鐵和永久磁鐵一樣具有磁性，電磁鐵的線圈