电工基础第4章

第四章
§4-1 §4-2 §4-3 §4-4 §4-5 §4-6
磁与电
磁的基础知识 磁场的主要物理量 磁场对电流的作用 电磁感应 自感和互感 变压器
§4-1
磁的基础知识
一、磁现象
1． 磁体 • 磁铁能吸引铁、钴、镍等物质，这种性质叫 磁性，具有这种性质的物体叫磁体。磁体分为天 然磁体和人造磁体两大类。常见的人造磁体有条 形磁体、蹄形磁体和磁针等，如下图所示。
•
实验表明：在磁场中同一个地方，无论电流和 导线长度怎样改变，比值恒定不变，这个比值 F/IL是由磁场本身决定的，可以用来表示磁场 的强弱。用公式表示为
F B Il
• 磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，用符 号T表示。
•
磁感应强度是个矢量，它的方向就是该点的 磁场的方向。 磁感线的疏密程度可以大致反映磁感应强度的 大小。在同一个磁场的磁感线分布图上，磁感线 越密的地方，磁感应强度越大，磁场越强。
•
用 表示时间间隔 t 内一个单匝线圈中 的磁通变化量，则一个单匝线圈产生的感应电 动势的大小为 e t
•
如果线圈有N匝，则感应电动势的大小为
eN t
四、右手定则
•
感应电动势的方向可用 右手定则判断。 右手定则：平伸右手， 大拇指与其余四指垂直，让 磁感线穿入掌心，大拇指指 向导体运动方向，则其余四 指所指的方向就是感应电动 势的方向。
• 2.磁极 磁体上存在两个磁性最强的部分叫磁极。将一 个磁体用线悬挂起来，静止时指南的磁极叫南极 （S极），指北的磁极叫北极（N极）。 • 3．磁化 一些物体在磁体或电流的作用下会获得磁性， 这种现象叫做磁化。 • 4．磁极的相互作用 同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。
二、磁场与磁力线
• 磁极之间的相互作用是通过磁场进行传递的。 磁场是磁体周围存在的特殊物质磁场。
三、磁场对通电矩形线圈的作用
• 磁场对通电矩形线圈的作用是电动机旋转的 基本原理。
a）
b）
c）
d）
•
（1）当线圈平面与磁力线平行时（图a，c），用左手 定则判断，位于N极一侧导体的有效部分受到向下的电磁 力，位于S极一侧导体的有效部分受到向上的电磁力。这 时，线圈的电磁转矩最大，线圈将会按顺时针方向转动。 （2）当线圈平面与磁力线垂直时（图b ，d），电刷 A、B与导体均不接触，线圈电磁转矩为零，但由于惯性 作用线圈仍将继续转动。 （3）通过换向器的作用，电刷A（接电源负极）始终 与转到N极一侧导体相连，电刷B（接电源正极）始终与 转到S极一侧导体相连；前者电流恒为流入，前者电流恒 为流出。因此，线圈在断续转矩的作用下能按顺时针方向 连续旋转。
•
•
• 当导体、导体运动方向和磁感线方向三者互相垂直时（图 a），导体中的感应电动势为： e = Blv • 如果导体运动方向与磁感线方向有一夹角α （图b）， 则 导体中的感应电动势为 e = Blvsinα • 如果导体运动方向与磁感线方向平行（图c），则导体中的 感应电动势零。
a）
b）
c）
•
a）电流同向相互吸引 b）电流异向相互排斥
•
（1）从导线顶部观察（或底部观察），确定导 线剖面的电流方向。比如，从顶部腑视图a ，导 线剖面的电流均为垂直穿入纸面。 • （2）用安培法则判断导线电流产生的磁场方向。 比如，上图所示导线电流的磁场方向均为顺时针。 • （3）用左手定则判断一个电流在另一个电流的 磁场中所受电磁力的方向。比如，图a所示电流在 磁场中受到向右的电磁力；同理，图a所示电流在 磁场中受到向左的电磁力。因此，两条平行导体 电流同向时相互吸引。
•
二、磁通 • 设在磁感应强度为B的均匀磁场中，有一个
与磁场方向垂直的平面，面积为S，我们把B与 S的乘积，定义为穿过这个面积的磁通量，简 称磁通。用φ表示磁通，则有 •
• φ = BS
• •
磁通的单位是韦伯，简称韦，用Wb表示。
•
如果磁场不与所讨论的平面垂直，则应以这 个平面在垂直于磁场B的方向的投影面积S’与B的 乘积来表示磁通。即
三、电流的磁效应
• 不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场，这 种现象称为电流的磁效应。
1．直线电流的磁场
• 判断方法：右手握住导线，让伸直的大拇 指所指的方向跟电流的方向一致，则弯曲的四指 所指的方向就是磁力线环绕方向。
2．环形电流的磁场
• 判断方法：右手握住螺线管，弯曲的四指指 向电流的方向，则大母指指向就是螺线管内部磁 力线的方向。
•
•
左手定则：伸出左手，使大拇指与其余四个 手指垂直，让磁力线垂直穿入手心，四指指向电 流的方向，则大拇指所指的方向就是磁场对通电 导体作用力的方向。
•
实验证明：在均匀磁场中，当通电直导体 与磁场方向垂直时，电磁力的大小与导体中 电流的大小成正比，与导体的有效长度及磁 感应强度成正比。
• （1）当导体与磁力线垂直时，导体所受电磁力为
3、磁场能 电感线圈通电，当流过其中的电流增加时， 线圈便从电源吸收能量并储存起来；当流过 其中的电流减小时，线圈便把原来储存的磁 场能释放出来。线圈本身只与电源进行能量 的交换，并不消耗能量，所以说电感线圈是 一种储能元件。
理论分析和实验证明，电感线圈中储存的 磁场能可表示为 1 2 WL LI L 2
四、电流的磁效应的应用
• • 电流磁效应的重要应用之一是电磁铁。 磁铁分直流电磁铁和交流电磁铁，如下图所示 为直流ห้องสมุดไป่ตู้磁铁的应用实例电磁继电器。
A：线圈；B：衔铁；C：弹簧 D：动触点；E：静触点
§4-2
磁场的主要物理量
一、磁感应强度
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在马蹄形磁体悬挂一段直导线，导线方向与 磁场方向保持垂直，若导线通过一定大小的电流， 即可看到导线因受力而发生运动 。
•
•
按照高压绕组和低压绕组的相互位置和形状不同， 绕组可以分为同心式和交叠式两种。
二、变压器的作原理
• 1．空载运行（变压作用） 变压器一次绕组u1接上交流电压，二次绕组 u2开路，这种状态称为空载运行。
•
理论分析证明，变压器空载运行时，一、二次 绕组上电压有如下关系：
U1 N1 K U 2 N2
• 当线圈中的电流发生变化时，线圈中就会 产生感应电动势，这个电动势总是阻碍线 圈中原来电流的变化。
• 这种由于流过线圈本身的电流发生变化而 引起的电磁感应现象称为自感现象，简称 自感。
2、自感系数 • 一个线圈中通过单位电流所产生的自感磁 通称为自感系数（简称电感），用L表示，单 位是亨利，用H表示。常用单位较小的单位有 毫亨（mH）和微亨（μH），它们的关系为 1H= 103mH=106μH
二、互感
1、互感现象
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在开关S闭合或断开瞬间以及改变RP的阻值， 检流计的指针都会发生偏转。
1、互感线圈的同名端
•
我们把由于线圈绕向一致而产生感应电动势 的极性始终保持一致的端子称为线圈的同名端， 用“ ·”表示。
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当开关S闭合瞬间，线圈L1电流I从1端流进、 2端流出。根据楞次定律，在线圈L1两端产生自 感电动势，极性为“1正2负”；由于互感作用， 线圈L2产生互感电动势，极性也为“3正4负”。 这种由于线圈绕向一致而产生的感应电动势极性 一致的端子称为线圈的同名端。 绕向相反而产生感应电动势极性相反的端子 称为线圈的异名端。
•
•
为了减少铁芯中的涡流损耗，提高磁路的导磁 性能，铁芯一般高磁导率的磁性材料——硅钢片 叠装而成。
• 变压器铁芯的结构心式和壳式等形式。 • 心式结构比较简单，组装容易，因而电力变压器的 铁芯主要采用心式结构。
1绕组（线圈
• 变压器的线圈通常称为绕组，它是变压器的电路 部分，由涂覆绝缘漆的铜或铝导线绕制而成。 在变压器中，接到高压电网的绕组称为高压绕组， 接到低压电网的绕组称为低压绕组。
小型变压器、中型变压器、大 型变压器、特大型变压器
二、变压器的结构
• 变压器的基本结构形式有两种：心式和壳式，其 主要组成部分有铁芯和绕组。
a）单相变压器
b）三相变压器
1．铁芯
• 铁芯构成了变压器的磁路，同时又是套装绕 组的骨架。 铁芯分为铁芯柱和铁轭两部分。铁芯柱上套 装绕组，铁轭将铁芯柱连接起来形成闭合磁路。
a）条形磁铁周围的铁屑
b）蹄形磁铁周围的铁屑
• 磁场的分布常用磁感线来描述。
• （1）磁力线是互不相交的闭合曲线。在磁体外部，磁力线 由N极指向S极；在磁体内部，磁力线由S极指向N极。 • （2）磁力线的疏密反映磁场的强弱。磁力线越密、磁场越 强；磁力线越疏、磁场越弱。 • （3）磁力线上任一点的切线方向就是该点的磁场方向，即 静止时小磁针N极所指的方向。
•
•
§4-4
电磁感应
一、电磁感应现象 • 电流能产生磁场，那么磁场能否产生电
流呢？
•
当用条形磁铁快速插入或拨出线圈时， 电流计指针偏转，表明闭合回路有电流通 过；当条形磁铁静止不动时，电流计指针 不偏转，表明闭合回路没有电流通过。 这种利用磁场产生电流的现象称为电磁 感应现象，产生的电动势称为感应电动势， 产生的电流称为感应电流。
•
§4-6
变压器
一、变压器的分类
• 变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的一 种装置。
按用途分类 按相数分类 按线圈数分类
升压变压器降压变压器 单相变压器、三相变压器 双线圈变压器、三线圈变压器、 自耦变压器
按铁芯结构分类
按冷却介质和冷却 方式分类 按容量大小分类
心式变压器、壳式变压器、渐 开线式变压器 油浸式变压器、干式变压器
发电机就是应用导线切割磁感线产生感应电动 势的原理发电的，实际应用中，将导线做成线圈， 使其在磁场中转动，从而得到连续的电流。
a）
b）
c）
d）
•（1）当线圈平面与磁力线垂直时（图a，c）， 由于导体运动方向与磁力线平行，感应电动势为零。 • （2）当线圈平面与磁力线平行时（图b ，d）， 导体运动方向与磁力线垂直，感应电动势最大。线 圈按顺时针方向转动，用右手定则判断，位于N极 一侧的导体感应电流流出线圈，位于S极一侧的导 体感应电流流入线圈。
四、磁场强度
• 该点的磁感应强度B与媒介质磁导率μ的比值即为 磁场中某点的磁场强度，用H表示，即： B •
H

•
磁场强度的单位为A/m。
•
磁场强度与也是一个矢量，在均匀媒介质中， 它的方向和磁感应强度的方向一致。
§4-3
磁场对电流的作用
一、磁场对电流的作用
• 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。 通电直导体在磁场内的受力方向可用左手定则 来判断。
• •
二、楞次定律 •
以上实验表明：在线圈回路中产生感应电动 势和感应电流的原因是由于磁铁的插入和拔出导 致线圈中的磁通发生了变化。 楞次定律指出了磁通的变化与感应电动势在 方向上的关系，即：感应电流产生的磁通总是 阻碍原磁通的变化。
•
三、法拉第电磁感应定律 •
在上述实验中，如果改变磁铁插入或拔出的 速度，就会发现，磁铁运动速度越快，指针偏转 角度越大，反之越小。而磁铁插入或拔出的速度， 反映的是线圈中磁通变化的速度。即：线圈中 感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正 比。 ——这就是法拉第电磁感应定律。
• （3）由于线圈按顺时针方向转动，导体在N、 S磁极循环往复切割磁力线。电流要么A出B入、要 么A入B出，因此电刷A、B输出的电流是大小和方 向都在变化的交流电。这种能产生交流电的发电机 称为交流发电机。
§4-5
自感和互感
一、自感
1、自感现象
合上开关，HL2比 HL1亮的慢。
断开开关，灯泡闪亮一 下才熄灭。
F BIl
• （2）当导体的与磁力线成α角，导体所受电磁力 为
F BIl sin
当α=900时电磁力最大 ，当α=00时电磁力为 零。
二、磁场对通电平行直导线间的作用
•
两条相距较 近且相互平行的直导 线，当通以相同方向 的电流时，它们相互 吸引（左图）；当通 以相反方向的电流时， 它们相互排斥（右 图）。
BS ' cos
三、磁导率
•
磁导率是一个用来表示媒介质导磁性能 的物理量，用μ表示，其单位为H/m。
•
由实验测得真空中的磁导率μ0
μ0 =4π×10-7H/m，为一常数。
•
任一物质的磁导率与真空的磁导率的比值 称作相对磁导率，用 μr 表示，即：
r 0
• 相对磁导率只是一个比值。它表明在其 他条件相同的情况下，媒介质中的磁感应强 度是真空中磁感应强度的多少倍。