電磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1、1）了解磁場(chǎng)的四個(gè)基本物理量和電磁感應(yīng)概念。2）了解鐵磁性材料特性及其應(yīng)用。3）理解磁路歐姆定律和磁路的基爾霍夫定律。4）了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)，掌握變壓器的基本工作原理。5）了解點(diǎn)火線圈與汽車(chē)傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作過(guò)程。6）了解電磁鐵的工作特性。 lIFB 3、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率來(lái)表示物質(zhì)的導(dǎo)磁性能。的單位是H/m(亨/米）。注意H/m10470 0r 不同的介質(zhì)，磁導(dǎo)率也不同。磁導(dǎo)率值大的材料，導(dǎo)磁性能好。磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率近似相等，即 。如空氣、木材、紙、鋁等。注意鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率是個(gè)變量，它隨磁場(chǎng)的強(qiáng)弱而變化。是個(gè)變量，它隨磁場(chǎng)的強(qiáng)弱而變化。 材料分類(lèi)：非磁性材料鐵磁性

2、材料磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真空磁導(dǎo)率，即 ，可達(dá)到幾百到上萬(wàn)。材料如鐵、鈷、鎳及其合金等。所以電器設(shè)備如變壓器、電機(jī)都將繞組套裝在鐵磁性材料制成的鐵心上。 BH 磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小取決于電流的大小、載流導(dǎo)體的形狀及幾何位置，而與磁介質(zhì)無(wú)關(guān)。H和B同為矢量。H的方向就是該點(diǎn)B的方向。在后面學(xué)到的磁路問(wèn)題中，常常用到磁場(chǎng)強(qiáng)度這個(gè)物理量。 lH d IlH dlINH 或或3.1.2 電磁感應(yīng)1、電磁感應(yīng)定律 在1831年英國(guó)科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)：，變化的磁場(chǎng)能使閉合的回路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小正比于回路內(nèi)磁通對(duì)電流的變化率。 1833年，楞次對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行補(bǔ)充：閉合回路中感應(yīng)電流的方

3、向，總是使它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)阻礙引起感應(yīng)電流的原磁通的變化。這就是楞次定律。法拉第電磁感應(yīng)定律：楞次定律：具體地說(shuō)，如果回路由于磁通增加而引起的電磁感應(yīng)，則感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與原來(lái)的磁場(chǎng)反向；如果回路由于磁通減少引起電磁感應(yīng)，則感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與原來(lái)的磁場(chǎng)相同。簡(jiǎn)要地說(shuō)，感應(yīng)電流總是阻礙原磁通的變化。 法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律分別從大小和方向兩方面闡述了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通的關(guān)系。 dtddtNddtdNe)( 為了便于分析、表達(dá)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通常設(shè)定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通的參考方向符合右螺旋關(guān)系，則電磁感應(yīng)定律可用下式表達(dá)：對(duì)于一匝線圈由電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為: 式中，磁通的單位為Wb；時(shí)間的單位為S；

4、電動(dòng)勢(shì)的單位為V。 若線圈匝數(shù)為N匝，每匝線圈內(nèi)穿過(guò)的磁通為，則與此線圈相交鏈的總磁通稱(chēng)為磁鏈，用表示,即 （） 式（）不僅表明了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，而且可以表明其方向。此時(shí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 e(t)dtde2、自感L 當(dāng)閉合線圈通電流，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，那么當(dāng)電流交變，就會(huì)使磁場(chǎng)交變，從而在線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為自感現(xiàn)象，這種電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為自感電動(dòng)勢(shì)eL。 電流通過(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生的磁鏈與電流i在大小上成正比，為了便于分析、計(jì)算，引入一個(gè)參數(shù)L，稱(chēng)為線圈的自感系數(shù)，即 LiN式中，為磁鏈；L為自感系數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)為電感或自感。通常選擇磁鏈與電流 i在方向上滿足右手螺旋定則。假設(shè)線圈中的電阻等于零（

5、由無(wú)電阻的導(dǎo)線繞制而成），那么這個(gè)線圈就稱(chēng)之為電感元件，顯然它是一個(gè)理想元件。()Ldd LidieLdtdtdt 當(dāng)自感系數(shù)L為一個(gè)常數(shù)，即不隨磁鏈與電流I的改變而改變，這種電感元件稱(chēng)為線性電感元件，否則即為非線性電感元件。式（1）與式（2）是電動(dòng)勢(shì)的兩種表達(dá)式， （2）一般當(dāng)電感L為常數(shù)時(shí)，多采用式（2）。而分析非線性電感時(shí)，由于L可變，一般采用式（1）。注意若為線性電感元件對(duì)于鐵心線圈來(lái)說(shuō)，電感L不為常數(shù)。 非線性電感dtdiLeu 3、電感元件上電壓與電流的關(guān)系 習(xí)慣上選擇電感元件上的電流、電壓、自感電動(dòng)勢(shì)三者參考方向一致，則 在直流電路中，由于電流變化率為零，所以電感電壓等于零，電感

6、元件相當(dāng)于短路。電感的歐姆定律注意+NIfNSS磁路：主磁通所經(jīng)過(guò)的閉合路徑。磁路：主磁通所經(jīng)過(guò)的閉合路徑。1u2uis 線圈通入電流后，線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁通。通和漏磁通。s：主磁通主磁通：漏磁通漏磁通線圈線圈鐵心鐵心變壓器的磁路3.3.2 3.3.2 磁路的基爾霍夫第一定律磁路的基爾霍夫第一定律 對(duì)于有分支磁路，其分支匯集處稱(chēng)為磁路對(duì)于有分支磁路，其分支匯集處稱(chēng)為磁路的節(jié)點(diǎn)，磁路的任意節(jié)點(diǎn)所連接的各分支磁路的的節(jié)點(diǎn)，磁路的任意節(jié)點(diǎn)所連接的各分支磁路的代數(shù)和等于零。代數(shù)和等于零。01I I1 1N N1 132N N2 2I I2 20321即：即：HLN

7、I 在無(wú)分支的均勻磁路在無(wú)分支的均勻磁路（磁路的材料和截面積相同，（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等）中，安培環(huán)路定律可寫(xiě)成：各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等）中，安培環(huán)路定律可寫(xiě)成：磁路磁路長(zhǎng)度長(zhǎng)度L線圈線圈匝數(shù)匝數(shù)NIHL：稱(chēng)為磁位差。稱(chēng)為磁位差。NI：稱(chēng)為磁動(dòng)勢(shì)。一般稱(chēng)為磁動(dòng)勢(shì)。一般 用用 F 表示。表示。F=NI3.3.3 3.3.3 磁路的基爾霍夫第二定律磁路的基爾霍夫第二定律HLNI總磁動(dòng)勢(shì)總磁動(dòng)勢(shì) 在非均勻磁路在非均勻磁路（磁路的材料或截面積不同，或磁場(chǎng)（磁路的材料或截面積不同，或磁場(chǎng)強(qiáng)度不等）中，強(qiáng)度不等）中，總磁動(dòng)勢(shì)等于各段磁位差之和?？偞艅?dòng)勢(shì)等于各段磁位差之和。00lHIHNI

8、例：例：INl0l對(duì)于均勻磁路對(duì)于均勻磁路 LSLBHLNI磁路中的磁路中的歐姆定律歐姆定律3.3.4 磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律則：則： mRLSNIFINSL注：由于磁性材料注：由于磁性材料 是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性 分析，不做定量計(jì)算。分析，不做定量計(jì)算。SLRm令：令：Rm 稱(chēng)為磁阻稱(chēng)為磁阻磁路和電路的比較（一）磁路和電路的比較（一）磁磁路路電電路路磁通磁通INI磁壓降磁壓降HL磁動(dòng)勢(shì)磁動(dòng)勢(shì)INF 電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)電流電流電壓降電壓降UEIR+_EU基本定律基本定律mRF 磁阻磁阻SlRm磁感應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)度SB 基爾霍夫定律基爾霍夫定律HLN

9、I0磁磁 路路IN歐姆定律歐姆定律電阻電阻電流電流強(qiáng)度強(qiáng)度基爾霍夫定律基爾霍夫定律0IUEREI SlRSIJ磁路與電路的比較磁路與電路的比較 (二二)電電 路路R+_EIu(Ni)i ddtNe tNedd （磁通勢(shì)）（磁通勢(shì)）tiLdd 常常數(shù)數(shù) iNLeeRi u )(ddetiLRi )()(EEIRU )(jEIXIR t, sinm )sin(ddddmttNtNe tN cosm )90t(sin2m fN)90(sinm tE mmm444222 fN.fNEE EU (V) 444444mmSfNB.fN.EU )(jEIXIRU N8100207SBF tsinm0 BB

10、81002m7mSBF N 161021d102m7m0SBFtfTFT O內(nèi)內(nèi) 容容 直流電磁鐵直流電磁鐵 交流電磁鐵交流電磁鐵 鐵芯結(jié)構(gòu)由整塊軟鋼制成, 無(wú)短路環(huán) 由硅鋼片制成, 有短路環(huán) 吸合過(guò)程 電流不變, 吸力逐漸加大 吸力基本不變, 電流減小 吸合后 無(wú)振動(dòng) 有輕微振動(dòng) 吸合不好時(shí) 線圈不會(huì)過(guò)熱 線圈會(huì)過(guò)熱, 可能燒壞 直流電磁鐵與交流電磁鐵比較直流電磁鐵與交流電磁鐵比較 變壓器是靜止的電磁器械，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛。：變電壓（變電壓（電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)）變電流（變電流（電流互感器電流互感器）變阻抗（變阻抗（電子線路中的阻抗匹配電子線路中的阻抗匹配）經(jīng)濟(jì)地輸電經(jīng)濟(jì)地輸電合理

11、地配電合理地配電安全地用電安全地用電 它利用電磁感應(yīng)原理，將一種交流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗秒姶鸥袘?yīng)原理，將一種交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或幾種頻率相同、大小不同的交流電。另一種或幾種頻率相同、大小不同的交流電。 發(fā)電廠發(fā)電廠10.5kV輸電線輸電線220kV升壓升壓儀器儀器36V降壓降壓實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室380 / 220V降壓降壓變電站變電站 10kV降壓降壓降壓降壓變壓器的磁路變壓器的磁路1u2uLZ1i2i單相變壓器單相變壓器+由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚厚0.35mm 或或 0.5mm鐵心鐵心一次一次繞組繞組N1二次二次繞組繞組N2鐵心鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的結(jié)構(gòu)單相變壓器三相電力變壓器1一信號(hào)式

12、溫度計(jì)；2一吸濕器；3一儲(chǔ)油柜；4一油表；5一安全氣邊；6一氣體繼電器；7一高壓套管；8一低壓套管；9一分接開(kāi)關(guān)；10一油箱；11鐵心；12線圈；13放油閥門(mén)1u2uLZ1i2i單相變壓器單相變壓器+一次一次繞組繞組N1二次二次繞組繞組N2鐵心鐵心(1) 空載運(yùn)行情況空載運(yùn)行情況一次側(cè)接交流電源，一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開(kāi)路。二次側(cè)開(kāi)路。0i02i1u+20u+2e+1e+1e+ 11N2N 1u dd11tNe i0 ( i0N1) 1 dd011tiLe tNedd 22 空載時(shí)，空載時(shí)，鐵心中主鐵心中主磁通磁通 是是由一次繞由一次繞組磁通勢(shì)組磁通勢(shì)產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。(2) 帶負(fù)載運(yùn)行情況帶

13、負(fù)載運(yùn)行情況一次側(cè)接交流電源，一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)二次側(cè)。1u+1e+1e+ 11N2N 1u dd11tNe 1 dd111tiLe tNedd 22 i1 ( i1N1) i1i2 ( i2N2) 2有載時(shí)，鐵心有載時(shí)，鐵心中主磁通中主磁通 是是由一次、二次由一次、二次繞組磁通勢(shì)共繞組磁通勢(shì)共同產(chǎn)生的合成同產(chǎn)生的合成磁通。磁通。 2i2+e2+e 2+u2 dd2tiLe22 t)sin(tNtNm111 dddde tN cosm1 )90t(sinm1 E1m144.4NfE 222111mmfNEE 有效值有效值:同同 理：理：)90t(sinm22 Ee2m244. 4NfE

14、t, sinm 根據(jù)根據(jù)KVL：1111111111jEIXIREEIRU 變壓器一次側(cè)等效電路如圖變壓器一次側(cè)等效電路如圖1m1111444Nf.EUEU 由于電阻由于電阻 R1 和感抗和感抗 (或漏磁通或漏磁通)較小較小,其兩端其兩端的電壓也較小的電壓也較小,與主磁電動(dòng)勢(shì)與主磁電動(dòng)勢(shì) E 比較可忽略不計(jì)，比較可忽略不計(jì)，則則1E1R1I1U1E+一次側(cè)一次側(cè)一次側(cè)一次側(cè)KNNEEUU 2121201根據(jù)根據(jù)KVL：2m220224440Nf.EUU,I 結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比，就能改變輸出電壓。結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比，就能改變輸出電壓。222222222jUIXIRUEIRE 22U+1u+1e+1e

15、+1N2N+2222ZUIZ 1m11 44 4 Nf.EU m10 Nim2211 NiNi+|Z |2i1u2e1i1e1N2N+2u一般情況下：一般情況下：I0 (23)%I1N 很小可忽略。很小可忽略。2211 NiNi 所所以以或或2211NINI 2211NINI 所所以以KNNII11221 結(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比。結(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比?；颍夯颍?21011NiNiNi 22Ni102211NiNiNi 空載磁勢(shì)空載磁勢(shì)有載磁勢(shì)有載磁勢(shì)22IUZ 11IUZ ZKIUKKIKUIUZ22222211 ZKZ2 結(jié)論：結(jié)論： 變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二

16、次變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負(fù)載的阻抗模的側(cè)所帶負(fù)載的阻抗模的K 2 倍。倍。 1U2U1I2IZ+1U1IZ +：信號(hào)源信號(hào)源IER0RL+108800LL21 RRNNKIE1N2U2ILR2N+如圖，交流信號(hào)源的電動(dòng)如圖，交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)勢(shì) E= 120V，內(nèi)阻，內(nèi)阻 R 0=800 ，負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻為負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻為RL=8 。要求。要求: （1）當(dāng)）當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻折算到原邊的等效電阻 時(shí)，求變壓器的匝數(shù)比和信號(hào)時(shí)，求變壓器的匝數(shù)比和信號(hào)源輸出的功率；（源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)）當(dāng)將負(fù)載直接與信號(hào)源聯(lián)接時(shí)載直接與信號(hào)源聯(lián)接時(shí),信號(hào)信號(hào)源輸

17、出多大功率？源輸出多大功率？0LRR W548008008001202L2L0.RRREP 0LRR W1760888001202L2L0.RRREP （2，為：為： Fe2cosPRIUIP 2212PPPPCuFepp AXax Aax 同極性端用同極性端用“”表示表示。增加增加+ 聯(lián)接聯(lián)接 23 Nf.Um2444220 NN1324 NN1324 聯(lián)接聯(lián)接 13， 2 4ii Nf.U444110m 當(dāng)電源電壓為當(dāng)電源電壓為220V時(shí)：時(shí)：220u+110u+電源電壓為電源電壓為110V時(shí)：時(shí)：不行（兩繞組必須并接）不行（兩繞組必須并接）iuNN1324 Ni2220 Ni 1102220110 ii+兩個(gè)線圈中的磁通抵消兩個(gè)線圈中的磁通抵消原因：原因：電流電流 很大很大11Rui 1111eRiu 感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電勢(shì)0e1324