电工基础第五章--磁与磁路-课件

1、 第一节 磁感应强度和磁通电工基础第五章 磁与磁路 第二节 物质的磁化 第三节 电磁感应 第四节 磁路欧姆定律与电磁铁1234 第一节 磁感应强度和磁通一、 磁的基本知识 把某些物体具有吸引铁、镍、钴等物质的性质称为磁性。具有磁性的物体叫磁体。磁铁是具有磁性的物体，它分为天然磁铁和人造磁铁两大类。 磁体磁性最强的部分叫磁极，磁体两端的磁性最强。若将实验用的磁针在水平内自由转动，待静止时会发现磁针的两端总是一个指北，一个指南。指北的磁极叫北极，用N表示。指南的磁极叫南极，用S表示。一、 磁的基本知识 任何磁体都有一对磁极，南极和北极总是成对出现并且强度相等，不存在独立的S极或N极。 两个磁极靠近

2、时，它们之间也会产生相互作用的力同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。一、 磁的基本知识 在磁体周围的空间中存在着一种特殊的物质称为磁场。互不接触的磁体之间具有的相互作用力就是通过磁场进行传递的。一、 磁的基本知识 为了形象地描绘磁场经常利用磁力线来描述，即在磁场中画出一系列曲线，曲线上任意一点的切线方向，就是该点的磁场方向（小磁针在该点时，北极所指的方向）。条形磁铁磁力线马蹄形磁铁磁力线磁力线有以下特性： (1)磁场的强弱可用磁力线的疏密表示，磁力线密的地方磁场强；疏的地方磁场弱。如果磁力线在某一区域内，方向相同，平行等距的一系列直线称为匀强磁场. (2)在磁铁外部，磁力线从N极到S极；在磁铁

3、内部，磁力线从S极到N极。磁力线是闭合曲线。 (3)磁力线不相交。 一、 磁的基本知识匀强磁场二、电流的磁场 不仅磁铁能产生磁场，通电导体的周围也存在着磁场（电流也能产生磁场）。这种现象叫电流的磁效应。 磁场的强弱和通电导体的电流大小有关，电流越大，磁场越强；它还与通电导体的距离有关，离导体越近，磁场越强。磁场的方向决定于电流方向。电流所产生磁场的方向一般可分成两种情况判断： 1.通电直导线电流产生的磁场 右手握住通电直导体并把拇指伸开，拇指所指向为电流方向，那么四指环绕的方向就是磁场方向（磁力线方向）。二、电流的磁场2.通电环形螺线管电流产生的磁场 以上两种情况的电流所产生磁场方向的判定方法

4、称为右手螺旋定则（也称安培定则）。二、电流的磁场三、描述磁场的物理量1.磁感应强度 磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量，即矢量（是有大小和方向的）。 匀强磁场中的某一确定点的磁感应强度为磁场中的通电导体所受的电磁力与导体的有效长度和通过的电流的乘积的比值。 磁感应强度的方向为某一点在磁场的方向，也就是磁力线在该点的切线方向。三、描述磁场的物理量匀强磁场的磁感应强度，单位是特斯 拉，符号为T。 与磁场垂直的通电导体受到的力，单位是牛顿，符号为N； 导体中的电流，单位是安培，符号为A； 通电导体在磁场中的有效长度，单位是米，符号为m;BFIL2.磁通 磁通量即穿过与磁场方向垂直的某一面积上的磁

5、力线的总数，简称磁通，用字母表示。通过该面积的磁通，单位是韦伯，符号为Wb。 匀强磁场的磁感应强度，单位是特斯拉，符号为T； 与 垂直的某一截面面积，单位是平方米，符号为m2；三、描述磁场的物理量BSB 这说明在匀强磁场中，磁感应强度就是与磁场垂直的单位面积上的磁通。所以，磁感应强度又叫做磁通密度（简称磁密）。单位是韦伯每平方米，符号为Wb/m2通过磁通的公式变形可得磁通密度为： 当面积一定时，通过该面积的磁通量越多，磁场就越强。三、描述磁场的物理量3.磁导率 磁导率是为了表征导磁性能的物理量。其单位H/M,符号为 ，它可分为真空中的绝对磁导率 ，相对磁导率 ，绝对磁导率 。它们的关系可表示为

6、：实验测得 = 410-7H/m三、描述磁场的物理量根据物质磁导率的大小，通常把物质分为三类：第二类是顺磁物质，如空气、氧、铅等。顺磁物质的 略大于1；第三类是铁磁物质，如铁、铸铁、硅钢片等。铁磁物质的 1。三、描述磁场的物理量第一类是反磁物质，如金、银、铜、石墨 等。反磁物质的 略小于1； 4.磁场强度 若在真空中，圆环线圈的磁感应强度 的大小与线圈的匝数 、线圈的周长 以及电流强度 有关。它们的关系可表示为： 三、描述磁场的物理量BONLI 当把圆环线圈从真空中取出，并在其中填入相对磁导率为 的媒介质，则感应强度将是真空中的 倍，即 不同的媒介质将有不同的磁感应强度，这样磁场的计算比较复杂

7、，为了使计算方便，我们引入了磁场强度这个物理量。三、描述磁场的物理量磁场中某点的磁感应强度与媒介质的磁导率的比值，叫做该点的磁场强度，用 表示，即 磁场强度的数值只与电流的大小及导线的形状有关，而与磁场媒介质的磁导率无关，这给工程计算带来了很大的方便。磁场强度也是一个矢量，在均匀媒介质中，它的方向和磁感应强度的方向一致。三、描述磁场的物理量又H四、磁场对载流导体的作用 电流可以产生磁场，反之，磁场也会对通电导体产生力的作用。通常把通电导体在磁场中受到的力称为电磁力，也称安培力。通电导体在磁场中受到的力一般分成两种情况：1.磁场对通电直线导体的作用 通电直导体在磁场内的受力方向可用左手定则来判断

8、。如图所示，平伸左手，使大拇指与其余四个手指垂直，并且都跟手掌在同一个平面内，让磁感线垂直穿入掌心，并使四指指向电流的方向，则大拇指所指的方向就是通电导体所受电磁力的方向。 如果电流方向与磁场方向不垂直，而是有一个夹角 ，这时通电导线的有效长度为 （即在与磁场方向相垂直方向上的投影）。电磁力的计算式变为:四、磁场对载流导体的作用 电磁力计算式为: 2.磁场对通电矩形线圈的作用 匀强磁场中放置一个通电矩形线圈abcd，当线圈平面与磁力线平行时，由左手定则可知，ad边和bc边与磁力线平行，所以不受磁场的作用力，但ab边和cd边因与磁力线垂直而受到磁场的作用力Fab和Fcd，而且两个力大小相等，受力

9、方向相反，我们把受到作用力的两个边叫做有效边。两有效边所受到的作用力，构成一对力偶，从而使线圈绕轴线沿顺时针方向转动。四、磁场对载流导体的作用 四、磁场对载流导体的作用 均匀磁场的磁感应强度(T)；线圈中的电流(A)；线圈的面积(m2)。力矩计算式为： 若线圈在转矩M的作用下沿逆时针方向旋转，当线圈平面与磁力线的夹角为 时，则线圈的转矩为 如果矩形线圈由N匝绕制，则转矩为 四、磁场对载流导体的作用 第二节 物质的磁化一、磁化的基本知识磁化是指原来没有磁性的物质具有磁性的过程。磁畴有序整齐的排列使原磁场大大加强。 凡是铁磁物质都能够被磁化。是由于铁磁物质是由许多被称为磁畴的磁性小区域所组成的，每

10、一个磁畴相当于一个小磁体。磁畴杂乱无章排列磁性被抵消二、磁化的曲线 铁磁物质从无磁状态到有磁这一磁化过程中，磁感应强度 将按照一定规律随外磁场强度 的变化而变化与 的关系是非线性的一般磁化曲线可大致分成四段，用磁畴的概念解释如下: (1)oa段-起始磁化段,该段曲线较平缓变化缓慢，当H增加时，B增加较慢。说明小磁畴有惯性，较弱的外磁场不能使它转向而成为整齐有序的排列。 (2)ab段-线性段，该段曲线急剧上升，曲线较陡,当H增加时,B相应地快速增加。说明小磁畴在外磁场作用下向外磁场方向转动，使磁场增强，磁感应强度迅速增强。 (3)bc段-膝部段，该曲线近似平坦。铁磁材料中大部分小磁畴在外磁场作用

11、下已成为整齐有序的排列，当H增加时,B几乎不增加。 (4)cd段-饱和段，该曲线更平缓，已达饱和状态，H对B几乎无影响，铁磁材料中的全部小磁畴已排列整齐，H增加也不能使B再增加了。 不同铁磁物质的磁化特性不同。因此，可以借助磁化曲线对不同铁磁材料的磁化特性进行比较。二、磁化的曲线三、磁滞回线 线圈通入交变电流，就会产生交变磁场，线圈中的铁心就会在交变磁场中被反复磁化。铁心的磁感应强度也随线圈中的电流I(H)不断重复地沿正、反两条磁化曲线变化。 调节变阻器RP，可以观察到电流从零逐渐加大，磁场强度H从零逐渐增强，磁感应强度B却并未回到零，而是到达b点。保留了一部分磁性,称之为剩磁（OB及OE段）

12、。必须加反向电流，并达到一定数值（OC及OF段)，才能使剩磁消失。使剩磁消失的反向磁场称为矫顽力。 铁心在反复磁化过程中，磁感应强度B的变化总是滞后于H的变化，我们称这一现象为磁滞。通过反复磁化得到的B-H关系曲线abcdefa叫做磁滞回线。三、磁滞回线四、铁磁材料的分类 不同的铁磁材料具有不同的磁滞回线，其剩磁和矫顽力也不相同，所以特性以及在用途上也不相同。一般把铁磁材料分成三类。1软磁材料 软磁材料特性是剩磁和矫顽力均很小，易磁化也易去磁，磁滞回线较窄。如硅钢片、铁镍合金、铸钢等材料，适合制作电动机、变压器、继电器、电磁铁等电器的铁心。2硬磁材料 硬磁材料特性是剩磁和矫顽力均很大，不易磁化

13、，也不易失磁，磁滞回线很宽.如钨钢、钴钢等材料，适合来制作各式永久磁铁、扬声器的磁钢等。四、铁磁材料的分类3矩磁材料 矩磁材料特性是这种铁磁材料在很小的外磁场作用下就能磁化，一经磁化便能达到饱和值，去掉外磁，磁性仍能保持在饱和值。如锰镁铁氧体、锂锰铁氧体等材料，适合来制作磁带、电子计算机中存储器的磁芯、磁盘。四、铁磁材料的分类 第三节 电磁感应一、电磁感应现象 电流的磁效应，揭示了电和磁之间存在着联系，由丹麦物理学家奥斯特在1820年发现。电流能够产生磁场，如果反过来，利用磁场是不是能够产生电流呢？一、电磁感应现象 实验一：如图所示，匀强磁场中放置一根导体AB，其两端分别与灵敏电流计的两个接线

14、柱相接，形成闭合回路。当导体AB静止或沿着平行磁力线运动时，观察电流计的指针不偏转。说明回路中没有电流流过。当导体垂直在磁场中作切割磁力线运动时，可以明显地观察到电流计指针发生偏转，说明回路中有电流流过。 实验二：如图所示，线圈的两个接头与灵敏电流计的两个接线柱相接。形成闭合回路。将一条形磁铁放置在线圈中，当其静止时，观察电流计的指针不偏转。但当磁铁迅速地插入或拔出时，可以明显地观察到电流计的指针都会发生偏转，说明回路中有电流流过。实验二证明：穿过闭合回路的磁通发生变化时，回路中有感应电流产生。一、电磁感应现象 利用磁场产生电流的现象就叫做电磁感应现象，这种方法产生的电流叫做感应电流。判别感应

15、电流方向的方法: 1.右手定则来判定：伸出右手，让拇指和四指在同一平面内并且拇指和其余四指垂直，让磁力线从掌心穿入，拇指指向导线运动方向，四指所指的方向为感应电流的方向。 一、电磁感应现象 2.楞次定律内容为：感应电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。一、电磁感应现象二、电磁感应定律 线圈中感应电动势的大小与穿过同一线圈的磁通变化率（即磁通变化快慢）成正比。这一规律就叫做法拉第电磁感应定律，由英国物理学家法拉第于1831年发现。 设在时间 内通过线圈的磁通量为 ，则单匝线圈中产生的感应电动势的大小为:对于 匝线圈，其感应电动势为： 在 时间内产生的感应电动势(V)； 线圈的匝数； 线圈中磁通变化

16、量( Wb)； 磁通变化 所需的时间(s)； 线圈中感应电动势的大小，取决于线圈中磁通的变化速度，而与线圈本身的大小无关。二、电磁感应定律对于在磁场中切割磁力线的直导体来说，当 时，即导体运动方向与磁力线平行，则计算感应电动势的具体公式为式中： 磁场中的磁感应强度(Wb/m2)； 导体在磁场中的有效长度(m)； 导体在磁场中的运动速度( m/s)； 导体运动方向与磁力线的夹角()。当 时，即导体垂直于磁力线运动，则（最大）。二、电磁感应定律 综上所述，可得出结论：在任何情况下，考虑到感应电动势的方向，线圈中的感应电动势表示为 对于N匝线圈，若磁通与感应电动势参考方向之间符合右手螺旋关系，其表达

17、式为 式中负号表示感应电动势的方向总是使感应电流产生的磁通阻碍原磁通的变化。二、电磁感应定律三、自感与互感 因通过线圈的电流的变化而在线圈自身引起电磁感应的现象，叫做自感现象。在自感现象中产生的感应电动势，叫做自感电动势。由于通过空心线圈的磁通链与电流成正比，即 所以通过线圈的电流变化时，磁通链也要改变。根据法拉第电磁感应定律，线圈中产生的自感电动势为 可得到 式中： 线圈中电流的变化量，单位是安培，符号为A； 线圈中电流变化了 所用的时间，单位是秒，符 号为s； 线圈的自感系数，单位是亨利，符号为H； 自感电动势，单位是伏特，符号为V。 其中 叫做电流变化率，自感电动势的大小与电流变化率成正

18、比。公式中的负号是由楞次定律决定的，表明自感电动势总是企图阻止电流的变化。三、自感与互感 实验表明线圈A中的电流发生变化时，电流产生的磁场也要发生变化，通过线圈的磁通也要随之变化，其中必然要有一部分磁通通过线圈B，这部分磁通叫做互感磁通。互感磁通同样随着线圈A中电流的变化而变化，因此，线圈B中要产生感应电动势。同样，如果线圈B中的电流发生变化时，也会使线圈A中产生感应电动势。这种现象叫做互感现象，所产生的感应电动势叫做互感电动势，用 来表示。三、自感与互感 线圈B中互感电动势的大小不仅与线圈A中的电流变化率的大小有关，而且还与两个线圈的结构以及它们之间的相对位置有关。理论和实验证明线圈B互感电

19、动势的大小为 三、自感与互感 式中： 线圈A中电流的变化量，单位是安培， 符号为A; 线圈A中电流变化了 所用的时间，单位是秒，符号为s； 互感系数，简称互感，单位是亨利，符号为H; 互感电动势，单位是伏特，符号为V。三、自感与互感 互感电动势的方向用楞次定律判定。互感系数由这两个线圈的几何形状、尺寸、匝数以及它们之间的相对位置决定，与线圈中电流的大小无关。 , 线圈A与B的自感分别为 和 理论和实验证明互感范围是 令叫做耦合系数。值的范围是的大小反映出两个线圈的耦合程度。当 时叫全耦合。三、自感与互感 第四节 磁路欧姆定律与电磁铁一、磁路磁路是磁通（磁力线）集中通过的闭合路径。 常用具有很强导磁能力的铁磁材料制成一定形状的铁心，从而使磁通形成各自所需的闭合路径。 主磁通是指全部在磁路内部闭合的磁通，部分经过磁路周围物质而自成回路的磁通称为漏磁通。为了计算方便，在漏磁通不严重时，可忽略不计。有分支磁路无分支磁路二、 磁路欧姆定律无分支磁路 设励磁绕组