汽车电工电子技术基础第二章电磁学原理及应用

1、汽车电工电子技术基础教学ppt重庆安全技术职业学院幸益佳2012年9月第二章 电磁学原理及应用（18课时） 2.1电磁学概述 2.1.2磁的基础知识 磁体能够吸引铁、钴、镍【3】等金属或它们的合金物的性质，称为磁性磁性。 具有磁性的物体称为磁体磁体。 磁体分为天然磁体和人造磁体两大类。【2】 磁体上磁性最强的部位称为磁极磁极。 磁极之间有相互作用力，称为磁力磁力。 使原来没有磁性的物体获得磁性的过程叫做磁化磁化。 实验证明： 1）任何磁体都具有两个磁极，而且磁体无论怎样分割总保持两个磁极。也就是说不存在磁单极子。（注：环形磁体是没有磁极的！） 2）磁极间的作用力表现为，“同性相斥，异性相吸”，

2、这是世界的普遍真理。 2.1.2磁场 1.磁场的定义及其性质 “场”是一种特殊的物质，看不见摸不着，但是它具有能量，能产生力的作用。 【2】 在磁体的周围存在着磁场，磁体与磁体之间的作用就是通过磁场发生的。 磁场是由运动电荷或电场变化产生的。【2】磁场的本源来自电流。故对于磁场就可以这样定义：磁场是电流、运动电荷、磁体磁场是电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊物质。或变化电场周围空间存在的一种特殊物质。 2.磁力线 磁力线是形象描述磁场的强弱和方向【2】而引入的假想线。 磁力线具有以下几个特点： 【5】 （1）磁力线是一簇闭合曲线，没有头没有尾。 （2）磁力线绝不相交，在磁体外

3、部由n极指向s极，在磁体内部由s极指向n极。 （3）磁力线上任何一点的切线即为该点的磁场方向。 （4）磁力线越密磁场越强，磁力线越疏磁场越弱。磁力线均匀分布而又相互平行的区域称为匀强磁场，反之称为非匀强磁场。 （5）磁力线有排他性，故同性相斥；磁力线具有弹性，可自由缩短，故异性相吸。几种磁体的磁力线条形磁铁磁力线分布条形磁铁磁力线分布蹄形磁铁磁力线分布蹄形磁铁磁力线分布 3.磁场的基本物理量 1)磁感应强度 表示磁场中某点的磁场强弱和方向的物理量，用符号b表示。定义式为： b=f/（il） 式中b、f、i三者方向互相垂直。 如果在磁场的某一区域内，磁感应强度的大小和方向处处相同，则该区域的磁场

4、称为均匀磁场。距离很近的异名磁极之间的磁场、通电螺线管内部的磁场都可看作均匀磁场。 2）磁通量 把磁感应强度b与垂直于磁场方向的面积s的乘积，称为穿过该面积的磁通量，简称磁通，用表示。 在均匀磁场中，若b与s的夹角为，则磁通量的计算公式为： 磁通量的国际单位是韦伯（wb）。 3）磁导率 通电线圈产生磁场，磁场的强弱与线圈的匝数和电流的大小有关，除此之外还与磁场中媒介质的性质有关。磁导率（绝对磁导率）就是表征媒介质导磁能力的物理量，用符号表示，其单位为亨/米（h/m）。 在实际应用中，一般部直接给出媒介质的磁导率，而是给出其与真空磁导率 的比值，称为相对磁导率，常用符号 来表示，即（无单位）r0

5、r0 物质根据相对磁导率的大小分三类【3】 （1）顺磁物质： 略大于1。 （2）反磁物质： 略小于1。 （3）铁磁物质： 远远大于1。 4）磁场强度 在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度与媒介磁导率的比值，称为该点的磁场强度，用h表示，即 h=b/rrr 磁场强度是一个矢量，其方向与该点磁感应强度的方向相同，国际单位为安/米（a/m）。 磁场强度与磁感应强度的名称很相似，切忌混淆。 2.1.3铁磁材料的分类及其性质 1.铁磁材料的分类【3】 1）硬磁物质：不易磁化也不易去磁。 2）软磁物质：易磁化易去磁。 3）矩磁物质：较小的外磁场就能使其磁化到饱和，去掉外磁场仍然能保持饱和。 2.铁磁材料

6、的性质【3】 1）高导磁率。 2）磁饱和性。 3）磁滞性。 2.1.4磁路 1.磁路的定义 磁力线集中通过的闭合路径称为磁路。 与用电动势、电流、电阻描述电路相似，在磁路中，分别用磁动势、磁通量、磁阻来描述磁路。 1）磁动势f 线圈的匝数和通过线圈的电流决定线圈中的磁动势。 f=i/n 单位：安（a） 2）磁阻 磁通通过磁通时所受到的阻碍作用称为磁阻，用符号rm表示。 磁阻的计算公式（决定式）：rm=l/(s) 2.磁路欧姆定律 与电路欧姆定律类似，在磁路中，磁通与产生磁通的磁动势成正比，与磁路的磁阻成反比，即 =f/rm 2.2电流的磁效应 磁场总是伴随着电流而存在，人们把电流产生磁场的现象

7、称为电流的磁效应。 判断电流产生磁场的方向用安培定则。 对于通电直导线：用右手握住通电直导线，让大拇指指示导线中的电流方向，则其余四指弯曲的方向就是电流所产生的磁力线的方向。 对于通电螺线管：用右手握住螺线管，让弯曲的四指指示导线中的电流方向，则大拇指所指的方向就是螺线管内部磁力线的方向。 可以看出，右手定则在两种情况的应用中大拇指和四指所担当的角色正好相反。直线电流的磁场直线电流的磁场安培定则（右手螺旋定则）安培定则（右手螺旋定则）p222021-11-2通电螺线管产生的磁场通电螺线管产生的磁场 2.2.2磁场对电流的作用 1、磁场对通电直导体的作用 通电直导体自身产生磁场，该磁场与外磁场之

8、间便产生磁场力的作用，这就是通电直导体在磁场中受力的本质。这个力称为电磁力。 判断电磁力的方向用左手定则 左手定则的内容是：伸出左手，使拇指与其余四指垂直，手心正对磁场的n极（也有说让磁力线垂直穿过手心），如果让四指指向导体中电流的方向，那么拇指的指向就是通电导体的受力方向。 力的大小为 f=bilsin 为电流方向与磁力线方向的夹角 2.磁场对通电线圈的作用 一个线圈有两个边，把一个通电线圈置于磁场中，由于线圈两个边的电流方向相反，实际上通电线圈不仅是力的作用，更是力矩的作用。线圈的两个边所受到的力矩，大小相等，方向相反，称为一对“力偶”该力偶矩可以使通电线圈产生旋转。这就是电动机的工作原理

9、。 转矩（力偶矩）m的大小为 即m=bis 其中s= 其中 、 分别代表线圈的长度和宽度。 当线圈平面与磁力线的夹角为时，则线圈的转矩为 m=biscos llbim21l1l2l1l2 3.磁场对半导体基片的作用 当半导体暴露在磁场中，并且在半导体上流过与磁场方向垂直的电流时，则此半导体会产生一微小电压，这个电压称为霍尔电压。这个现象是1879年，就读于美国霍普金斯大学的霍尔观察发现的。 实验证明：半导体产生的电压（霍尔电压）的大小与通过半导体基片的电流和磁场的强度成正比，与基片的厚度成反比，即 式中， 为霍尔电压（v）； 为霍尔系数，由半导体的性质决定； 为电流（a）；b为磁感应强度（t）

10、；d为基片厚度（m）。 当通过半导体基片的电流一定时，霍尔电压的大小与磁场强度成正比，即霍尔电压随磁感应强度的大小而变化，这便是著名的霍尔效应。dbiruhhhuhrhih 汽车点火系统中的霍尔点火信号发生器就是利用霍尔效应的原理制成的。高压输出接头12v低压电源输入接头霍尔元件 一种特殊的现象，就是在两平行导线中通以电流也会产生电场力的作用。 若两平行导线电流方向相同，则两导线间就会产生吸引力；反之，若两平行导线电流方向相反，则两导线间就会产生排斥力。 先用右手定则判断导线产生的磁力线方向，再用右手定则判断通电导体在磁场中的受力情况，上述现象不难理解。 2.3电磁感应 2.3.1磁场中运动导

11、体的电磁感应 当导体做切割磁力线运动，在导体中会产生感应电动势，若导体是闭合回路的一部分，则导体中将产生感应电流。 设磁感应强度为b，当长度为l的导体以大小为v的线速度切割磁力线的时候，导体中产生的感应电动势e的大小为 式中，是磁感应强度b与切割线速度v的夹角。显然，当 时导体不切割磁力线，感应电动势为零，当 时，导体垂直切割磁力线，感应电动势最大。sinblve 0o90o 判断导体中产生的感应电动势方向可用右手定则。 右手定则的内容如下：平伸右手，使拇指与其余四指垂直，让掌心正对磁场n极（或说让磁力线垂直穿过手心），以拇指的指向代表导体的运动方向，则其余四指就是感应电动势的方向。p3220

12、21-11-2右手定则右手定则判断感应电动势的方向判断感应电动势的方向ns运动方向运动方向磁力线方向磁力线方向感生电动感生电动势方向势方向p332021-11-2右手定则右手定则判断感应电动势的方向判断感应电动势的方向ns磁力线方向磁力线方向感应电势方向感应电势方向运动方向运动方向 2.3.2线圈中的电磁感应 1.线圈中磁通变化时的电磁感应。 2.线圈面积变化引起的电磁感应。 3.楞次定律和法拉第电磁感应定律 电磁感应的规律是：感应电流产生的磁通量总是阻碍原磁通量的变化。 楞次定律主要用于判断感应电动势和感应电流的方向，包括四个步骤。nsg1.确定原磁通的方向；确定原磁通的方向；3.根据楞次定

13、律确定感根据楞次定律确定感生磁通的方向：生磁通的方向：原磁通增加，方向相反；原磁通增加，方向相反；原磁通减少，方向相同。原磁通减少，方向相同。4.根据安培定则判断线根据安培定则判断线圈感应电动势或感应电圈感应电动势或感应电流的方向。流的方向。ee2.确定原磁通的变化确定原磁通的变化趋势；趋势； 法拉第电磁感应定律则给出了计算感应电动势的大小的表达式：线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通量的变化速度（即变化率）成正比。 n为线圈的匝数，负号“-”表示方向。 在实际应用中，常用楞次定律来判断感应电动势的方向，而用法拉第电磁感应定律来计算感应电动势的大小。两定律是电磁感应的基本定律。 dtdne 2.

14、3.3自感现象 当线圈中的电流发生大小或者方向的变化时，在自身线圈中产生电磁感应的现象称为自感现象。这样产生的感应电动势称为自感电动势（用 表示），如日光灯镇流器等。 因为空间中任意点的的磁感应强度b的大小和回路的电流强度i成正比，因此穿过该回路所包围面积内的磁通量也和电流i成正比，但对某一确定的线圈来说，与i的比值是一衡量，记为l称为线圈的自感系数，简称自感。ilel自感自感i i 增大增大感应电流感应电流e感应电动势感应电动势电流电流安培（安培（a）磁链：磁链：韦伯（韦伯（wb）电感：电感：亨利（亨利（h） 线圈的自感系数l与线圈中的电流大小无关，仅由线圈几何形状，大小及周围介质的磁导率有

15、关。 按法拉第电磁感应定律，线圈中所产生的自感电动势的大小为ddetillil 2.3.4互感现象 由于一个线圈中的电流发生变化而使其他线圈产生感应电动势的现象称为互感现象，这也感应电动势称为互感电动势，用符号 表示。em互感互感i i 增大增大ie磁耦合线圈磁耦合线圈 判断互感电动势的方向用楞次定律，方法如下： 1）根据线圈中的电流方向，确定线圈中互感磁通的方向。 2）根据线圈1中电流变化的趋势，确定通过线圈2中互感磁通的变化趋势。 3）根据楞次定律判定线圈2中感应磁通的方向。 4）根据右手螺旋法则判定护肝电流的方向 互感电动势的大小与互感磁通量的变化率以及线圈的匝数成正比，因此，改变次级线

16、圈的匝数就可以使次级线圈的互感电动势增大或较小。 互感现象在电工电子技术中应用很广泛，通过互感线圈可以使能量或信号由一个线圈方便地传递到另一个线圈。利用互感现象可以制成变压器、感应线圈等等。但在有些情况下，互感也有害处。 2.4变压器 变压器是电力系统用来输送电能的重要设备。它不仅能用来变换电压和输送电能，还具有变换阻抗和传递信号的作用，也是电子设备中的常用器件。【3】 2.4.1变压器的用途 变压、变流、变阻 传递能量、传递信号。 2.4.2变压器的分类 1.按用途分 电力变压器、专用变压器、调压变压器、测量变压器、试验变压器和安全变压器等等。 按铁芯结构形式分 心式变压器、壳式变压器等等。

17、【2】 3.按线圈绕组形式分 双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和单绕组自耦变压器。【3】 4.按绕组材料分 铜绕组变压器、铝绕组变压器。【2】 5.按相数分 单相变压器、三相变压器和多相变压器。【3】 6.按冷却方式分 空气自冷式（干式）变压器、油浸自冷式变压器和油浸风冷式变压器。【3】 2.4.3变压器的结构 各种变压器尽管用途不同，但基本结构相同，其主体都是由绕组和铁芯两大部分构成。 1.绕组 绕组是变压器的电路部分，用导线绕制而成。线线 圈圈线线 圈圈 2.铁芯 铁芯是变压器的磁路部分，为提高磁路的导磁能力，铁芯采用磁性材料硅钢片叠成。铁铁 心心cd 型铁心ed 型铁心sd 型铁

18、心xcd 型铁心 2.4.4几种常用的变压器 1.自耦变压器 又称调压变压器，调动滑动端的位置，可以输出连续可调的交流电压。 2.互感器 供测量用的将高电压变换成低电压、将大电流变换成小电流的变压器称为变压器。 分为电流互感器和电压互感器两种。 1）电压互感器 类似一次线圈匝数多，二次线圈匝数少的变压器，即电压互感器是一个降压变压器。 运行中的电压互感器类似工作在开路状态的变压器 2）电流互感器 电流互感器原绕组匝数很少（最少仅1圈），绕组的线径较大：副绕组的匝数较多，通过的电流较少，但副绕组上的电压很高。因此，在使用中副绕组严禁开路，且副绕组一端和外壳都应可靠接地。tatvwhav互感器接线

19、原理图 3.三相变压器 三相变压器由三个三个相互独立的单相变压器组成。它们的原、副边绕组根据需要可接成星形或三角形，原绕组与电源相连，副绕组与负载相连，构成三相电路。大连理工大学电气工程系干式变压器干式变压器附录1 变压器图片大连理工大学电气工程系三相油浸式电力变压器三相油浸式电力变压器附录1 变压器图片 2.4.5变压器在汽车上的应用 汽车点火系统中点火线圈是变压器在汽车上的一个典型应用。 1.点火线圈的组成和工作原理 点火线圈主要由初级线圈、次级线圈及铁芯等组成。 点火线圈的工作方式与普通变压器不一样，普通变压器是连续工作的，而点火线圈则是断续工作的，它根据发动机不同的转速以不同的频率反复进行存储能量及释放能量。 2.点火线圈的类型 按磁路的结构形式不同