3第三章 电磁现象及其应用课件讲解

电工电子技术基础汽车技术学院新能源汽车技术徐顺电磁现象及其应用新能源汽车技术专业基础课第三章电磁现象及其应用1、磁场与磁路☆2、磁场对电流的作用

☆☆3、电磁感应☆☆4、直流/交流铁芯线圈☆5、变压器☆☆磁场基本概念与基本物理量☆☆磁性材料性质与分类磁路欧姆定律☆☆磁场与磁路

磁铁：具有磁性的物体。磁铁与磁场1.磁铁

（1）磁铁的两端磁性最强，为磁极。指向南端的磁极叫南极（S）；指向北端的磁极叫北极（N）。（2）同性磁极互相排斥，异性磁极相互吸引。磁极之间的这种相互作用力，叫磁力。

磁铁的主要性质：永久磁铁暂时磁铁天然磁铁人造磁铁（3）磁铁的N、S两极相互依存，不能单独存在。磁场与磁路（4）原来没有磁性的物质，放在磁铁旁边会获得磁性，这一现象叫磁化。被磁化的物质远离磁铁后仍保留一定的磁性，叫剩磁。2.磁场

磁场：磁力作用的空间，具有力和能的性质。

磁场还具有强弱和方向，而且不同位置上的强弱和方向也是不同的。

磁力线：带有方向的闭合曲线。外部由N→S,内部S→N。磁力线在某点切线方向表示该点磁场方向，而且磁力线的疏密表示磁场强弱。磁场与磁路

磁场的方向与电流的方向满足右手螺旋关系电流的磁场1.通电直导体的磁场

通电直导体的磁场是以导体为中心的同心圆，分布在垂直于导体的平面上，且越靠近导体的地方数量越多。例：用右手螺旋定则判断图中的电流或磁场方向。解:图a)电流向左图b)垂直向外图c)磁场顺时针图d)磁场逆时针磁场与磁路2．通电螺线管的磁场

通电螺线管的磁场类似条形磁铁

实验证明，通电螺线管磁场的强弱与电流、匝数成正比。

实验证明，磁场的方向与电流也满足右手螺旋关系。磁场与磁路解:例：用右手螺旋定则判断图a)中通电螺线管两端的极性及图b)中电流方向。S电流的周围存在磁场这一现象叫电流的磁效应。电流的磁效应在汽车电器中有着广泛的应用。N定义：垂直通过单位面积上的磁力线数。

磁场与磁路磁场的基本物理量

定义：垂直穿过某一面积S中的磁力线总数。

单位:韦[伯](Wb)1Wb=1V·s表示磁场内某一面积上磁场强弱的物理量。2.磁感应强度B（磁通密度）在均匀磁场中

方向:与电流的方向之间符合右手螺旋定则。

单位:

特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

1.磁通Φ磁场与磁路3.磁导率μ磁感应强度B不仅与通入线圈的电流大小和匝数有关，还与磁场中介质的磁化性能有关，为了表示磁介质的磁化性能，引出了磁导率这个物理量。由实验测定，真空的磁导率为常数，用

0表示，有：磁导率

：表示磁介质的磁性能的物理量，衡量物质导磁能力。任一种物质的磁导率

和真空的磁导率

0的比值，称为该物质的相对磁导率

r

，即磁导率

的单位：亨/米（H/m）因为

0是一个常数，故作为其他物质磁导率的比较基准。“非铁磁物质”，如空气等，μr≈1；“铁磁物质”，如铁、钴等，μr>>1磁场与磁路4.磁场强度H

磁场强度是计算铁磁材料的磁场时引入的一个物理量，也是矢量，其大小定义为磁场中某点的磁场强度H等于该点的磁感应强度B与该点磁导率μ之比，即单位：安每米（A/m）方向：与该点的磁感应强度B方向一致。磁场强度H不但可以方便磁场计算，还能分析铁磁材料的磁化曲线。磁场与磁路铁磁材料的磁性能与分类1.高导磁性铁磁材料即铁磁物质，它具有下列特性。

铁磁材料在外磁场作用下具有被强烈磁化（呈现磁性）的特性，称为高导磁性。原因：因为铁磁材料的内部具有一种特殊结构——磁畴。这些磁畴可用小磁铁符号表示。

磁场与磁路随外磁场增强，各磁畴逐步转到外磁场方向上，产生了一个很强的磁化磁场，这样，就使铁磁材料内磁感应强度大大增强。这种现象表明铁磁材料被外磁场强烈地磁化了，如图c所示。无外磁场作用时，各磁畴排列混乱，磁场相互抵消，对外不显示磁性，如图a。

有外磁场作用时，各磁畴开始向外磁场方向转动，显示出磁性，如图b。1.高导磁性磁场与磁路(a)无外磁场(b)有外磁场作用(c)强烈外磁场作用当外磁场增加到一定数值时，磁畴全部转到与外磁场方向相同，这时磁化磁场的磁感应强度BJ即达到饱和值。(a)(b)B(c)B1.高导磁性非磁性材料没有磁畴的结构，所以不具有被磁化的特性利用磁性物质的磁化特性，可解决电工设备中既要磁通大，又要求励磁电流小的矛盾：只要在线圈中通入较小的励磁电流，再穿入铁心，便可产生足够大的磁通和磁感应强度。磁场与磁路2.磁饱和性铁磁材料的磁感应强度B不会随着外磁场强度H的增大而无限增大。当H增大到一定值时，全部磁畴都转到外磁场方向上，此时，B达到饱和值。这一特性称为铁磁材料的磁饱和性。铁磁材料的B随H变化的关系可用一条曲线表示，称为磁化曲线，如图所示。由图可知，铁磁材料的B与H不成正比，所以，铁磁材料的磁导率μ不是常数，它随着H的变化而变化。当有磁性物质存在时，B与H不成正比，磁导率μ随H而变，不是常数磁场与磁路3.磁滞性铁磁材料在交变磁场的作用下反复磁化时，其磁感应强度B变化滞后于交变磁场H变化，这一性质称为铁磁材料磁滞性。磁滞性可用一条闭合曲线表示，称为磁滞回线当交变磁场H=0时，铁磁材料B=Br

，说明铁磁材料还保留一定磁性，称为剩磁。为消除剩磁必须外加反向磁场，当H=HC时B

=0，把HC称为矫顽磁力，简称矫顽力。铁磁物质被磁化后，当H

由0上升到某一个值时（H=+Hm）B饱和——满磁如果减少H，B并不沿着原来的曲线返回磁场与磁路3.磁滞性BmBr称为剩磁感应强度欲使剩磁去掉，须加一反向磁场强度-Hc，即反向磁化，Hc称为矫顽磁力。反向增大H，当H=-Hm时B反向饱和123456形成的闭合曲线称磁滞回线磁场与磁路3.磁滞性

铁磁材料在交变磁场的作用下反复交变磁化时，内部磁畴随外磁场的交变来回翻转，在翻转过程中，由于磁畴间的相互摩擦而引起的热量损耗称为磁滞损耗。

磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积成正比，面积越小，损耗越低。由于磁滞损耗对变压器、电动机等电磁设备的运行不利，因此，常采用磁滞损耗小的铁磁材料作它们的铁心，如硅钢片。磁场与磁路3.磁滞性铁磁材料按磁滞回线形状不同，分为三种类型。软磁材料：具有很高的磁导率，剩磁和矫顽力较小，磁滞损耗低，因此，一般用来制作变压器、电机及电磁器件的铁心。常见软磁材料如硅钢、铸钢、铸铁、坡莫合金及铁氧体等。a)软磁材料b)永磁材料c)矩磁材料磁场与磁路3.磁滞性永磁材料：具有较大的剩磁和矫顽力，一般用来制作永久磁铁。常用的有碳钢、钴钢及铁镍铝钴合金等。矩磁材料：具有易饱和和磁性保持功能，在计算机和控制系统中常用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体及铁镍合金等。磁场与磁路3.磁滞性磁场与磁路磁路的欧姆定律1.磁路的概念磁路的组成：简单磁路—由铁心单独组成；较复杂磁路—由铁心及空气隙两部分组成。磁路：磁通通过的闭合路径。磁场与磁路2.磁路的欧姆定律

在磁路中，磁通Φ与产生磁通的磁通势F（磁源）成正比，与磁路的磁阻Rm成反比，这就是磁路欧姆定律式中：磁通势F=NI

，用于产生磁通；

磁阻Rm=l/μS，表示磁路对磁通的阻碍作用；

l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积。注意：由于μ不是常数，它随励磁电流而变，所以不能直接应用于磁路的计算，它只能用于定性分析。NI

Sl磁场对电流的作用

电磁力：通电直导体在磁场中所受的力。磁场对通电导体的作用1、磁场对通电直导体的作用

电磁力定律牛（N）导体与磁场方向的夹角α不同时，导体的受力情况也不同。导体与磁场平行，因α=0°，故不受力，F=0导体与磁场垂直，因α=90°，故受力最大，F=BIL如：磁场对电流的作用左手定则：伸平左手，使拇指与四指垂直，让磁力线垂直穿过掌心，若四指指向为电流方向，则拇指的指向就是受力方向。例：试判断图中直导体的电流方向或受力方向（图中表示电流垂直纸面向里，⊙表示电流方向垂直纸面向外）。解：a)直导体受力方向为向下

b)直导体电流方向为垂直纸面向外磁场对电流的作用2.磁场对通电线圈的作用通电线圈在磁场中会受到转矩的作用，称为电磁转矩单匝线圈N匝线圈式中

B—磁场的磁感应强度I—线圈通入的电流

S—线圈的面积，矩形线圈S=ab×ad

α—线圈平面与磁场的夹角（锐角）磁场对电流的作用N匝线圈线圈受到的转矩大小与线圈在磁场中的位置相关

。线圈平面平行磁力线时，因α=0°，cosα=1，故转矩最大T=NBIS线圈平面垂直磁力线时，因α=90°，cosα=0，故转矩最小T=0可见，通电线圈在磁场中，磁场总要使线圈平面转到与磁力线相垂直的位置。电磁转矩T

的单位：牛[顿]

·米（N·m）电磁转矩T

的方向根据力偶确定。电磁感应电流能够产生磁场，磁场也能够产生电。当导体作切割磁力线运动或线圈中磁通量发生变化时，在它们之中就会产生感应电动势。若导体或线圈被接成闭合回路，回路中还会有感应电流产生。这种磁生电的现象称为电磁感应。直导体的电磁感应现象线圈的电磁感应现象自感现象互感现象电磁感应直导体的感应电动势感应电动势的大小：感应电动势方向：用右手定则确定式中

B—磁感应强度

v—切割速度L—有效长度

α—运动方向与磁场方向的夹角电磁感应电磁感应线圈的感应电动势法拉第定律：线圈产生感应电动势的大小与穿过线圈磁通量的变化率成正比。设线圈有N匝，磁通的变化率为dΦ/dt，则楞次定律：在线圈回路中，感应电流的方向总是使其产生的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化。若线圈回路磁通量增加，则感应电流的磁场与原磁场反向；若线圈回路磁通量减少，则感应电流的磁场与原磁场同向。电磁感应用楞次定律判断感应电流（电动势）方向的步骤：（1）明确线圈中磁通量变化趋势（增加或减小）；（2）由楞次定律确定感应电流的磁场方向；（3）根据感应磁场方向，用右手螺旋定则确定感应电流、感应电动势方向；例：电磁感应自感现象电磁感应电磁感应电磁感应电磁感应自感现象的利用（1）有利方面——将滤除整流后脉冲电流中交流成分（2）不利方面——表现在含有大电感的电器设备接通或断开连接触点瞬间会出现过电压、过电流，使电器设备受到危害。电磁感应互感现象1.互感现象把由于一个线圈的电流变化而引起另一个线圈产生感应电动势的现象就称为互感现象，由互感产生的感应电动势称为互感电动势，用eM表示2.互感电动势电磁感应（1）由线圈1中电流方向，确定线圈2中互感磁通方向；（2）由线圈1中电流变化趋势，确定线圈2中互感磁通变化趋势；（3）由楞次定律确定线圈2中感应磁通的方向；（4）由右手螺旋定则确定互感电流、电动势的方向。互感电动势的方向用愣次定律和右手螺旋定则判断：电磁感应例：当线圈1的中的开关S闭合时，确定线圈2中互感电动势的方向电磁感应3.互感现象的应用汽车发动机点火线圈输出高压信号就是利用了互感原理。点火的过程如下：在触点断开瞬间，由于一次线圈电流发生变化，会在二次线圈中产生高达10kV以上的互感电压。高电压加在火花塞电极两端，将引起火花塞极间跳火，从而点燃汽缸中的可燃混和气，使发动机工作。火花塞点火线圈N1~300匝N2~20000匝铁心线圈将线圈绕制在铁心上或在线圈中插入铁心就构成了铁心线圈。当铁心线圈使用交流电励磁时，为交流铁心线圈；若采用直流电励磁时，则为直流铁心线圈。铁心线圈的电磁理论（电磁关系/功率损耗）是分析变压器、交流电机等交流电磁设备和继电器、电磁阀等直流电磁设备的理论基础。交流铁心线圈电磁关系铁心线圈经推导，有效值：铁心线圈交流铁心线圈功率损耗交流铁心线圈功率损耗由铜损和铁损两部分组成。式中：I是线圈中电流的有效值；R是线圈的电阻。——热损耗2.铁损（PFe）交变磁通在铁心中产生的功率损耗称铁损，用PFe表示。铁损包括磁滞损耗和涡流损耗两部分。铁心线圈（1）磁滞损耗（Ph）由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）选用磁滞回线狭小的软磁材料制作铁心。变压器和电机的铁心通常使用硅钢等材料制作。铁心线圈铁心线圈直流铁心线圈励磁电流与铁心材料、尺寸、气隙大小等均无关铁心线圈例1：两个铁芯磁路，其中a为带空气隙的铁芯磁路，b为无气隙铁芯磁路。若两者的线圈匝数和几何尺寸完全相同，并通以相同的直流电流，则两磁路中铁芯部分的磁场强度Ha和Hb的关系为（

）A、Ha=HbB、Ha<HbC、Ha>HbD、无法确定例2：下列关于铁心线圈功率损耗的说法正确的是（

）直流铁心线圈功率损耗包括铁损和铜损；交流铁心线圈铜损包括磁滞损耗和涡流损耗；直流铁心线圈需用硅钢叠片来降低功率损耗；交流铁心线圈采用硅钢叠片可同时降低铁损和铜损；变压器变压器是指具有电压、电流和阻抗变换三种功能的静止设备。因为电压变换是变压器的基本功能，所以该设备称为变压器。变压器基本结构和电路符号变压器变压器基本结构和电路符号变压器变压器的工作原理变压器空载运行与电压变换原理变压器原线圈接上额定的交变电压u1，副线圈开路不接负载u20在外加正弦电压u1的作用下，线圈内有交变电流i0流过。这时原线圈内的电流，称作变压器的空载电流，又称励磁电流。结论：改变匝数比，就能改变输出电压。k＞1，是降压变压器；k＜1，是升压变压器。变压器变压器的工作原理变压器负载运行与电流变换原理N1Fi1u1u2i2+++e1+e2Φ1+e1N2ZΦ2e2+负载运行：一次侧接电源电压u1，二次侧接负载|ZL|。电动势e2将在副绕组上一边的电路中产生电流i2，此时，原绕组的电流将从空载电流i0相应地增大到i1变压器变压器的工作原理变压器负载运行与电流变换原理变压器带载后，原边电流由副边电流决定原边电流和副边电流在相位上几乎相差180°表明：在不考虑变压器本身损耗的情况下，变压器原绕组输入的功率等于副绕组输出的功率。变压器变压器的工作原理变压器阻抗变换i1i2u1u2