职业技能鉴定教材：电磁与交流电

1、 职业技能鉴定教材：电磁与交流电 第一节磁与电磁的基本知识 凡具有吸引铁、镍、钴等物质的性质称为磁性。具有磁性的物体叫磁体。磁体两端磁 性最强的区域叫磁极。每个磁体都有两个磁极，即南极、北极。两个磁体之间具有同 (S)(N)极性相排斥，异极性相吸引的特性。磁极间的这种相互作用力也叫磁力。磁体周围存在的 磁力作用的空间称为磁场。一般都用磁力线来直观、形象地表示磁场的强弱和磁力的方向。 在磁体外部，磁力线由极指向极；在磁体内部，磁力线由极指向极。 S N N S 一、电流的磁场 通电导体的周围有磁场存在。导体中通过电流时产生的磁场方向可用安培定则又称右 (手螺旋定则来判断。当通电导体为直导体时，用

2、图所示方法进行：右手握直导体， 1a) 3.1拇指的方向为电流方向，弯曲四指的指向即为磁场方向。当通电导体为螺旋管线圈时， )(用图所示方法进行：右手握螺旋管，弯曲四指表示电流方向，拇指所指的方向即 1b) 3.1为磁场方向。 磁场方向判定图1 3.1二、磁通与磁感应强度 通过与磁场方向垂直的某一面积上磁力线的总数，叫做通过该面积的磁通量，、磁通 1简称磁通。用字母表示，其单位是韦伯。面积定时，通过的磁通越多，磁场就越 Wb() 强。 垂直通过单位面积的磁力线的数目，叫该点的磁感应强度。用字母、磁感应强度 B2 表示，单位是特。在均匀磁场中，磁感应强度。 B T(S)磁感应强度不仅表示了磁场中

3、某点的强弱，还表示出该点磁场的方向。它是一个矢量。 某点磁力线的切线方向，就是该点磁感应强度的方向。 三、磁场对电流的作用 处在磁场中的直导体流过电流时，导体会发生运动，表、磁场对通电直导体的作用 1明通电导体受到一个电磁力的作用。这个电磁力的大小与通过导体电流的大小成正比， F I与导体在磁场中的有效长度以及导体所处位置的磁感应强度月成正比，如图2 3.1 Lsina所示。写成数学表达式即为： (N)BILsina F通电导体在磁场中受到的电磁力的方向，可用左手定则来判定，如图所示。伸 3 3.1开左手，让拇指与其余四指垂直并同在一个平面内，让磁力线穿过手心，四指指向电流方 向，拇指所指的方

4、向就是通电导体所受到的电磁力的方向。 左手定则图 图 33.1 2 3.1在均匀磁场中放置一个可以转动的通电矩形线圈，、磁场对通电线圈的作用 abcd2 如图一所示。当线圈平面与磁力线平行时，和边不受磁场的作用力，但和 bc 3.1 4 abad 边会受到磁场力（、）的作用。令，则。用左 cdFL adFcd bcFBILFL ab1212112手定则可判出与方向相反。此时线圈受到的转动力矩为： F F2lBISLFL MBIL21l2 均匀磁场的磁感应强度；式中 B线圈中的电流； I线圈的有效面积。 S若线圈在转矩的作用下顺时针方向转动，当线圈平面的法线与磁力线的夹角为时， M 如图，则线圈

5、受到的转动力矩为： 14b) 2(BISsinaM 若线圈由匝绕制，则转动力矩为： N NBISsinaM 两根平行且靠近的通电导体，相互之间都要受到对、通电平行导体之间的相互作用 3方电磁力的作用。电磁力的方向可用图一的方法来判定。先判定通电导线产生的磁 5 3.1 场方向，再判定两根导体分别受到的电磁力方向。由图中可以看出：两根平行导体的电流 方向相同时（图），相互吸引；电流方向相反时（图），相互排斥。 5a3.15b 3.1 通电平行导线间的相互作用力图5 3.1 电流方向不相同 电流方向相同 图 磁场对通电线圈的作用 b)3.1a)4 四、磁导率与磁场强度 磁导率又称导磁系数是用来表征

6、物质导磁性能的物理量，用字母表、磁导率 ( )1，且为一常数。我们把某种物质的磁。真空的磁导率示，单位是7 Hmm410 H0导率与真空中磁导率的比值，叫做该物质的相对磁导率，用字母表示。 0只是一个比值，无单位。根据物质的磁导率不同，可以将物质分为三类： / 0的物质叫反磁物质，如铜、银等； l 的物质叫铁磁物质，如铁、镍、钴及其合金等。 1 、磁场强度磁场中某点的磁感应强度与媒介质的磁导率的比值，叫做该点的 B 2磁场强度，用字母表示，即： H m) H(AB对于圆环中心周长为的环形线圈，如图所示，内部的磁感应强度应为： B 63.1 L NI ? ? B L 因此，磁场强度的表达式又可以

7、写成： NINIB ?H ? ? ?L L 磁场强度是一个矢量，在均匀介质中与磁感应强度的方向一致。 磁路图 图 圆环线圈 6 3.13.17 五、铁磁材料的性质、分类及用途 铁磁材料具有以下共同的性质：能被磁体吸引；磁化后有剩磁，能形成磁体；、性质 1有一个饱和值；具有磁滞损耗；磁导率比非铁磁物质大很多倍，并且不是一磁感应强度 B 个常数。 根据用途不同，铁磁材料可以分为三大类：、分类 2其特点是磁导率高，易磁化也易去磁，剩磁和矫顽力都小，磁滞损耗很软磁材料 (1) 小，如硅钢片、纯铁等。常用来制造电机、变压器等电器的铁芯。其特点是不易磁化，也不易去磁，剩磁和矫顽力都很大，如钨钢、钴钢硬磁材

8、料 (2) 等。常用于各类永久磁铁、扬声器磁钢的制造。其特点是在很小的外磁作用下就能磁化，并且达到饱和，去掉外磁后，矩磁材料 (3) 磁性仍能保持在饱和值，如矩磁铁氧体等。常用来制作记忆元件，用于计算机中的存贮器。 六、磁路及磁路欧姆定律 磁力线所通过的闭合路径称磁路。在电工设备中，一般都采用铁磁材料按需、磁路 1 要制成不同形状的铁芯，让磁通主要沿着设计好的路径通过。实际工作中，仍会有很少部 分磁通经过空气或其他材料而闭合。我们把通过铁芯的磁通称为主磁通；铁芯外的磁通称。所示磁路中的为漏磁通，如图 3.1s7 磁路按其结构不同，又可分为无分支磁路和分支磁路。分支磁路又可以分成对称分支 磁路和

9、不对称分支磁路。，通过电流为所示即为一无分支磁路。设线圈匝数为、磁路欧姆定律图 3.1 27 N ，则其磁场强度为：，铁芯截面积为，磁路平均长度为 SLI NI ? H L NI ? 相当于电路中的电动势，叫磁动势。因为式中 ?H? B 则BS? NI L LNI NI令 R ? ? S ? ? ? ?S m L L? S 磁路中的磁阻。式中 Rm 成反磁阻的大小与磁路中磁力线的平均长度成正比，和铁芯截面积及材料磁导率 L NI 比。由此得出磁路欧姆定律 () ? R m 往往是由几种物质所具有的磁阻串联而成，因此磁路欧姆定律可以表在实际应用中 R m 示为： NI ? ? RRRR? mnm

10、31m2m 电磁感应第二节 一、电磁感应现象，当导体垂所示，均匀磁场中放置一根导体，两端连接一个检流计如图 ABPA3.1 8 直于磁力线作切割运动时，检流计的指针发生偏转，说明此时回路中有电流存在；当导体 平行于磁力线方向运动时，检流计指针不发生偏转，此时回路中无电流存在。构成回路，当磁体插入线圈时，检流计所示，在线圈两端接上检流计如图 3.1PA9 指针发生偏转；磁铁在线圈中不动时，检流计指针不偏转；将磁铁迅速由线圈中拔出时， 检流计指针又向另一个方向偏转。 磁铁在线圈中运动直导体的电磁感应现象图 图9 3.1 3.18 上述现象说明：当导体切割磁力线或线圈中磁通发生变化时，在导体或线圈中

11、都会产 生感应电动势。其本质都是由于磁通发生变化而引起的。因此，电磁感应的条件是穿越线 圈回路中的磁通必须发生变化。 二、直导体中的电磁感应的大小由图所示电路中可以看出，导体与磁场相对运动而产生的感应电动势 8 e 3.1有关，即：、导体有效长度，和导体所处的磁感应强度与导体切割磁力线时的速度 l B v e(V)Bvl ，则：若导体运动方向与磁力线之间的夹角为 Bvlsine(V) 感应电动势的方向可用右手定则来判定：伸开右手，让拇指与其余四指垂直并同在一 个平面内，使磁力线穿过掌心，拇指指向切割运动方向，四指就指着感应电动势的方向。 三、线圈中的电磁感应所示，当磁铁插入或拔出越快，指针偏转

12、越大。即回路中感应电动势的大如图 3.1 9 小与穿过回路的磁通变化率成正比，这就是法拉第电磁感应定律。设通过线圈的磁通量为匝线圈的感应电动势为：，则 N ? N e ? t? 时间内感应电动势平均值；式中t在 e 线圈匝数； N /t磁通变化率平均值。 线圈中产生的感应电动势方向，可用楞次定律进行判定。楞次定律的内容是：感应电 流的磁通总是反抗原有磁通的变化。应用其判断感应电动势方向的具体方法是：首先确定原磁通的方向及其变化趋势。 (1)由楞次定律判断感应磁通方向。如果原磁通增加，则感应磁通与原磁通方向相反， (2) 反之则方向相同。由感应磁通方向，应用右手螺旋定则判断出感应电动势或感应电流

13、的方向。 (3) 在这里要特别提醒的是：判断时必须把产生感应电动势的线圈或导体看做电源。 四、自感与互感 由流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应叫自感应，简称自感。自、自感 1表示。感产生的电动势叫自感电动势，用 eL 叫自感磁当一个线圈通过电流时，由这个电流产生的磁场使线圈每匝所具有的磁通的比值叫自感系数，也叫通，而使整个线圈具有的磁通叫自感磁链，用字母表示。 /i 自感，并可推导得： i?eL? L ?t ；式中自感电动势平均值， eVL； i/t电流的平均变化率， AS。 线圈的自感系数，又称电感量，简称电感， HL 两个线圈之间的电磁感应叫互感应，、互感 2瞬间，简称互感。在图电

14、路中，合上开关 3.1S10 中有感应电动势产生，使检流计发生偏转。线圈 2 由互感产生的感应电动势叫互感电动势，用 eM中，当两个线圈产生互感时，线表示。在图 3.1 10交链，其中电流产生的磁通中一部分与线圈圈 i l 21。所产生的互感电动势大小为：磁链为 N 两个线圈的互图10 3.112212i? 11221感eM?N 2M 2 t?t?t 。式中互感系数， M/iM=112 互感线圈中，由于线圈的绕向一致而产生的感应电动势极性一致的端点叫、同名端 3”表示。端为同名端，用标记“中，同名端，反之叫异名端。在图和 3.1411 1 知道两线圈的同名端后，可以很方便地判断出线圈中互感电动

15、势的极性。在图 3.112中产中，当电流由线圈的端流入并增大瞬间，由同名端的定义，可以确定出线圈 1 B iA 1端为负。生的互感电动势的极性是端为正， 3 4 图同名端的标记及表示方法图1211 3.13.1 磁路计算第三节 一、安培环路定律沿任何闭合路径的线积分等于贯穿由此路径所围成的面的电流的代数磁场强度矢量 H 和，即： 安培环路定律) I Hdl(1式中的正负由它的方向与所选路径的方向是否符合右手螺旋定则而定。 I二、磁路的基本定律 磁路中无分支的部分叫磁路的支路，分支的地方叫磁路的、磁路基尔霍夫第一定律 1节点。忽略漏磁通，磁路支路各个横截面的磁通都相等。磁路中任一节点所连各支路磁

16、通 的代数和等于零。在图所示磁路中： 3.1 13 -+ 或 00 、磁路基尔霍夫第二定律磁路可分为截面积相等、材料相同的若干段。图13 2 3.1 、l五段。每段磁路中心线的磁位差所示磁路可分为平均长度各为磁压llll)U( m42331 等于其磁场强度与长度的乘积。 (UH1)m 应用安培环路定律可知，图中右边有： 13 3.1 NlHHlHllHI? 11143133 4 3 HlHlINI左边有：?N 1121122 2 即： （Hl）（NI） 磁路图133.1 或：F U m这就是磁路基尔霍夫第二定律的表达式。式中叫做磁通势或磁动势。 NI F三、恒定磁通磁路的计算 方法如下：、无分

17、支磁路中，已知磁通求磁通势 1将磁路按材料和截面积的不同，划分为若干段。 (1)按磁路的几何尺寸计算各段的截面积和磁路的平均长度。 S l(2)按已知磁通求出各段的磁通密度，并求得各段的磁场强度铁芯可查表，气 (3)B H( 隙可用进行计算。6 HB0.8)1000计算各段磁路的磁压。 (4)U m应用磁路基尔霍夫第二定律，求出所需要的磁通势： (5)F FNI（Hl） 、无分支磁路中，已知磁通势求磁通一般采用试算法进行计算，方法如下： (2)先设定一磁通值，然后按照已知磁通求磁通势的计算步骤求出所需的磁通势。 (1)把计算所得结果与已知条件进行比较，根据差别情况，把值修正后再进行计算， (2

18、) 直到算得的磁通势与给定值相近且满足所要求的 精确度为止。 先找出对称的特、对称分支磁路的计算 3点。对图，可按其对称轴把磁路剖分成 3.114两个相同的无分支磁路。取其一半按无分支磁路 进行计算。计算时，中间柱的面积只取了一半， 对称分支磁路图14 3.1不变，磁通势磁通也只取一半。剖分后的、 BH 剖分后无分支磁路原磁路b)a)也不变。 F 第四节交流电基本知识 一、交流电的基本概念 叫交流电。交流电的变化规大小与方向均随时间作周期性变化的电流电压、电动势 )(所示。工程上用的一般律随时间按正弦函数变化的称为正弦交流电，其图形如图 3.1 15 都是正弦交流电。工作在交流电下的电路称为交

19、流电路。 二、正弦交流电的瞬时值、最大值、有效值和平均值弦交流 正图15 3.1、 交流电在某一瞬间的数值称为交流电的瞬时值，用小写字母、瞬时值、等表 u e i1 电 示。 、最大值也称振幅值或峰值，用字母交流电的最大瞬时值称为交流电的最大值 )(2 等表示。、 UE Immm 若一个交流电和直流电通过相同的电阻，经过相同的时间产生的热量相等，、有效值 3等表示。、则这个直流电的量值就称为该交流电的有效值。用大写字母、 IU E 2UEU2E；对于正弦交流电，有效值与最大值的关系式为：；? mm I2I。平时所讲交流电的大小，都是指有效值的大小。? m 正弦交流电在正半周期内所有瞬时值的平均

20、大小称为正弦交流电的平均值，、平均值 4 2 ；等表示。正弦交流电平均值与最大值的关系为：、用字母、EEIUE? PPP mP? 22 。；IUUI? m m P P ? 三、正弦交流电的周期、频率及角频率 交流电完成一次循环所需要的时间叫周期，用字母表示，单位是、周期和频率 1 T 。在每一秒钟内交流电重复变化的次数叫频率，用字母表示，单位是。频率和周期互 Hs fZ为倒数，即：或。 f=1T=1T f我国工业上使用的正弦交流电频率为，习惯上称为工频。 50H Z正弦交流电表达式的t项中，通常称为角频率或角速度。它表示交、角频率 2 流电每秒钟内变化的角度，即 =/t，在这里的角度常用弧度来

21、表示，故 的单位是 。 rs四、正弦交流电的相位、初相角及相位差 在交流电表达式中，符号后面t为角度，不同正弦量在时的初始值是不一 0 sin t 样的。把时正弦交流电的相位角称为初相角或初相位，因此完整的正弦交流电表达式 0 t 应为： t +)Esin(e m t式中相位； +)(初相角初相位。 ( )两个同频率交流电的相位之差叫相位差，用字母表示，即： t一t一 ( +)(+)2211确定一个交流电变化情况的三个重要数值是：最大值、频率和初相角。通常称之为交 流电的三要素。 五、正弦交流电的三种表示方法 正弦交流常用的表示方法有：解析法、图形法和矢量法三种。 、用一个数学式子来表示交流电

22、的方法称为解析法。如（一）。0 60V 1 e20sin100t、用波形图来表示交流电的方法叫图形法，也叫曲线图法。 2、用矢量来表示交流电的方法叫矢量法。这是一种能比较简便直观的表示交流电的方 3 法。 六、三相交流电源 三相交流电是由三相交流发电机产生，经三相输电线输送到各地的对称、基本知识 1三个电动势，三者之间的关系为：大小相等、频、电源。三相电源对外输出的为、 eee WVU，即：率相同、相位上互差0 120 t EesinmUt0 e120Esin()mVt0 +120Esin()emW；反之为逆序。常用三相电动势达到最大值的先后次序叫相序。正序为 VUW U三相。、黄、绿、红三色

23、分别表示、 UV W 、三相电源的联结 2 将三相电动势的末端三相电源绕组的星形联结 (1) 联成一个公共点的联结方式，称为星形、 V2(Y)W2U2 所示。该公共点称为电源中点，用联结，如图 3.1 16分别引出的三、表示。由三个电动势始端 V1N U1W1 引出的导线叫做中根导线称相线或端线。从电源中点 N 三相四线制图 3.116 性线或零线。 有中性线的叫三相四线制；无中性线的叫三相三线制。每相绕组两端的电压称为相电 *UU、 U 表示，各相电压的参考方向是从始端指向末端。当泛指相电压时，用压，用 W UV *、UU U表示。两根相线之间的电压称为线电压，用表示，泛指时用表示。 U U

24、 WUUVVW? L 三相四线制电源可提供的电压有线电压和相电压两种，二者间的关系为： U3U ? ?YLY 。且线电压超前相电压0 30 将三相电动势中每一相的末端和另一相的始端依次相三相电源绕组的三角形联结 (2) 。所示。在三角形联结中，接的联结方式，称为三角形联结。如图 U U ) 3.117 (L 电源绕组三角形联结图17 3.1 第五节 正弦交流电路的分析计算 一、单相交流电路的计算 处在交流电路中的纯电阻，其两端所加的电压与流过电阻的电流在相、纯电阻电路 1位上是相同的，电压与电流的有效值之间是符合欧姆定律的，并且在任一瞬间电阻都是由 电源取用功率，起负载作用。因此电阻上的功率都

25、是正值称为有功功率： 22/RUIIUPR （） ?W R R 处在正弦交流电路中的纯电感，其两端电压在相位上超前流过纯电感、纯电感电路 2电流。电感对交流电流的阻碍作用称为感抗，用字母表示，。流0 XfL(L) 902 XLL过纯电感的电流与两端电压的有效值在数量上的关系是： 或 (A) fLIUUX UU2XIL(V)LLLLLLLL纯电感中电流、电压关系及相位如图所示。 3.1 18 纯电感电路中的电压、电流及其相位关系图18 3.1 电压与电流的相位关系电压与电流曲线电路图c)a)b)纯电感在正弦交流电路中，在一个周期内分别要由电源吸取电能后转换成电磁能储藏 在电感周围磁场中和把磁能转

26、换成电能向电源输送。这种对能量进行交换的能力，用无功 功率来表示，即： QL X(W)UIX Q UI L2L2LLLLL在交流电路中，纯电感不消耗能量。 处在正弦交流电路中的纯电容，其两端电压在相位上滞后流过纯电容、纯电容电路 3电流，如图所示。电容器对交流电流的障碍作用称为容抗，用字母表示。0 X 9019 3.1 C （） X21/1CfCC 纯电容电路中电压与电流波形及相位关系图19 3.1 相位关系电路图电压与电流波形c)a)b)流过纯电容电路的电流与两端电压有效值在数量上的关系为： (A)Xc2Uc Ic CUcfCUc电容也是一个储能元件，在正弦交流电路中，纯电容与纯电感一样仅与

27、电源进行不断 的能量交换，本身并不消耗能量。衡量电容器与电源间能量交换的能力，用无功功率 Qc 来表示，即： 22(W)Ic XcQcUcUcIcXc 实际交流电路中存在的电阻、电感和电容之间，不仅、交流电路的功率和功率因数 4有数量关系，还有相位关系。如在、串联电路中图，就存在有下述关系： 3.1(20) RL C 电压关系式 (1) 2 2)UUU(U? C RL电路的总阻抗 (2) 22 )X(X?R? Z C L 称为电抗。式中 Xc XXL 电路的总视在功率 串联电路图 (3) 203.1RLC 22 )(PSQQ? CL 上述电压、阻抗和功率关系，用图形可分别表示为三个直角三角形，如图所 21 3.1 示。 串联电路的电压、阻抗、功率三角形图 21RLC 3.1 功率三角形电压三角形阻抗三角形c)a)b)由图中可以看出：电路中的有功功率的大小应为： 3.1P21c) (W)P UIcos无功功率或的大小都应为： P PQCQL (W) Uisin Q电路的视在功率应为， (W)UI S 有功功率公式中的叫做电路的功率因数，叫功率因数角。电路的功率因数 cos 越大，电源设备的容量利用越充分，供电线路上的损耗就越小。在实际工作中总想法 cos 提高电路的功率因数。 二、三相交