電工基礎04磁與電

第四章磁與電§4-1磁的基礎知識§4-2磁場的主要物理量§4-3磁場對電流的作用§4-4電磁感應§4-5自感和互感§4-6變壓器§4-1磁的基礎知識一、磁現(xiàn)象1．磁體磁鐵能吸引鐵、鈷、鎳等物質，這種性質叫磁性，具有這種性質的物體叫磁體。磁體分為天然磁體和人造磁體兩大類。常見的人造磁體有條形磁體、蹄形磁體和磁針等，如下圖所示。2.磁極磁體上存在兩個磁性最強的部分叫磁極。將一個磁體用線懸掛起來，靜止時指南的磁極叫南極（S極），指北的磁極叫北極（N極）。

3．磁化一些物體在磁體或電流的作用下會獲得磁性，這種現(xiàn)象叫做磁化。4．磁極的相互作用同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。二、磁場與磁力線磁極之間的相互作用是通過磁場進行傳遞的。磁場是磁體周圍存在的特殊物質磁場。a）條形磁鐵周圍的鐵屑b）蹄形磁鐵周圍的鐵屑磁場的分布常用磁感線來描述。（1）磁力線是互不相交的閉合曲線。在磁體外部，磁力線由N極指向S極；在磁體內部，磁力線由S極指向N極。（2）磁力線的疏密反映磁場的強弱。磁力線越密、磁場越強；磁力線越疏、磁場越弱。（3）磁力線上任一點的切線方向就是該點的磁場方向，即靜止時小磁針N極所指的方向。三、電流的磁效應不僅磁鐵能產生磁場，電流也能產生磁場，這種現(xiàn)象稱為電流的磁效應。1．直線電流的磁場

判斷方法：右手握住導線，讓伸直的大拇指所指的方向跟電流的方向一致，則彎曲的四指所指的方向就是磁力線環(huán)繞方向。

2．環(huán)形電流的磁場

判斷方法：右手握住螺線管，彎曲的四指指向電流的方向，則大母指指向就是螺線管內部磁力線的方向。

電流磁效應的重要應用之一是電磁鐵。磁鐵分直流電磁鐵和交流電磁鐵，如下圖所示為直流電磁鐵的應用實例電磁繼電器。

四、電流的磁效應的應用A：線圈；B：銜鐵；C：彈簧D：動觸點；E：靜觸點§4-2磁場的主要物理量

在馬蹄形磁體懸掛一段直導線，導線方向與磁場方向保持垂直，若導線通過一定大小的電流，即可看到導線因受力而發(fā)生運動

。一、磁感應強度

實驗表明：在磁場中同一個地方，無論電流和導線長度怎樣改變，比值恒定不變，這個比值F/IL是由磁場本身決定的，可以用來表示磁場的強弱。用公式表示為

磁感應強度的單位是特斯拉，簡稱特，用符號T表示。

磁感應強度是個矢量，它的方向就是該點的磁場的方向。

磁感線的疏密程度可以大致反映磁感應強度的大小。在同一個磁場的磁感線分布圖上，磁感線越密的地方，磁感應強度越大，磁場越強。二、磁通

設在磁感應強度為B的均勻磁場中，有一個與磁場方向垂直的平面，面積為S，我們把B與S的乘積，定義為穿過這個面積的磁通量，簡稱磁通。用φ表示磁通，則有

φ=BS

磁通的單位是韋伯，簡稱韋，用Wb表示。

如果磁場不與所討論的平面垂直，則應以這個平面在垂直于磁場B的方向的投影面積S’與B的乘積來表示磁通。即三、磁導率

磁導率是一個用來表示媒介質導磁性能的物理量，用μ表示，其單位為H/m。由實驗測得真空中的磁導率μ0

μ0=4π×10-7H/m，為一常數(shù)。任一物質的磁導率與真空的磁導率的比值稱作相對磁導率，用μr表示，即：

相對磁導率只是一個比值。它表明在其他條件相同的情況下，媒介質中的磁感應強度是真空中磁感應強度的多少倍。該點的磁感應強度B與媒介質磁導率μ的比值即為磁場中某點的磁場強度，用H表示，即：

磁場強度的單位為A/m。磁場強度與也是一個矢量，在均勻媒介質中，它的方向和磁感應強度的方向一致。

四、磁場強度§4-3磁場對電流的作用一、磁場對電流的作用通常把通電導體在磁場中受到的力稱為電磁力，也稱安培力。通電直導體在磁場內的受力方向可用左手定則來判斷。

左手定則：伸出左手，使大拇指與其余四個手指垂直，讓磁力線垂直穿入手心，四指指向電流的方向，則大拇指所指的方向就是磁場對通電導體作用力的方向。

實驗證明：在均勻磁場中，當通電直導體與磁場方向垂直時，電磁力的大小與導體中電流的大小成正比，與導體的有效長度及磁感應強度成正比。（1）當導體與磁力線垂直時，導體所受電磁力為（2）當導體的與磁力線成α角，導體所受電磁力為當α=900時電磁力最大，當α=00時電磁力為零。二、磁場對通電平行直導線間的作用

兩條相距較近且相互平行的直導線，當通以相同方向的電流時，它們相互吸引（左圖）；當通以相反方向的電流時，它們相互排斥（右圖）。a）電流同向相互吸引b）電流異向相互排斥（1）從導線頂部觀察（或底部觀察），確定導線剖面的電流方向。比如，從頂部腑視圖a，導線剖面的電流均為垂直穿入紙面。（2）用安培法則判斷導線電流產生的磁場方向。比如，上圖所示導線電流的磁場方向均為順時針。（3）用左手定則判斷一個電流在另一個電流的磁場中所受電磁力的方向。比如，圖a所示電流在磁場中受到向右的電磁力；同理，圖a所示電流在磁場中受到向左的電磁力。因此，兩條平行導體電流同向時相互吸引。三、磁場對通電矩形線圈的作用

磁場對通電矩形線圈的作用是電動機旋轉的基本原理。c）d）a）b）（1）當線圈平面與磁力線平行時（圖a，c），用左手定則判斷，位于N極一側導體的有效部分受到向下的電磁力，位于S極一側導體的有效部分受到向上的電磁力。這時，線圈的電磁轉矩最大，線圈將會按順時針方向轉動。（2）當線圈平面與磁力線垂直時（圖b，d），電刷A、B與導體均不接觸，線圈電磁轉矩為零，但由于慣性作用線圈仍將繼續(xù)轉動。（3）通過換向器的作用，電刷A（接電源負極）始終與轉到N極一側導體相連，電刷B（接電源正極）始終與轉到S極一側導體相連；前者電流恒為流入，前者電流恒為流出。因此，線圈在斷續(xù)轉矩的作用下能按順時針方向連續(xù)旋轉?！?-4電磁感應一、電磁感應現(xiàn)象

電流能產生磁場，那么磁場能否產生電流呢？

當用條形磁鐵快速插入或撥出線圈時，電流計指針偏轉，表明閉合回路有電流通過；當條形磁鐵靜止不動時，電流計指針不偏轉，表明閉合回路沒有電流通過。

這種利用磁場產生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應現(xiàn)象，產生的電動勢稱為感應電動勢，產生的電流稱為感應電流。二、楞次定律

以上實驗表明：在線圈回路中產生感應電動勢和感應電流的原因是由于磁鐵的插入和拔出導致線圈中的磁通發(fā)生了變化。 楞次定律指出了磁通的變化與感應電動勢在方向上的關系，即：感應電流產生的磁通總是阻礙原磁通的變化。三、法拉第電磁感應定律

在上述實驗中，如果改變磁鐵插入或拔出的速度，就會發(fā)現(xiàn)，磁鐵運動速度越快，指針偏轉角度越大，反之越小。而磁鐵插入或拔出的速度，反映的是線圈中磁通變化的速度。即：線圈中感應電動勢的大小與線圈中磁通的變化率成正比?！@就是法拉第電磁感應定律。

用表示時間間隔內一個單匝線圈中的磁通變化量，則一個單匝線圈產生的感應電動勢的大小為

如果線圈有N匝，則感應電動勢的大小為

四、右手定則

感應電動勢的方向可用右手定則判斷。右手定則：平伸右手，大拇指與其余四指垂直，讓磁感線穿入掌心，大拇指指向導體運動方向，則其余四指所指的方向就是感應電動勢的方向。

當導體、導體運動方向和磁感線方向三者互相垂直時（圖a），導體中的感應電動勢為：e=Blv如果導體運動方向與磁感線方向有一夾角α（圖b），

則導體中的感應電動勢為e=Blvsinα如果導體運動方向與磁感線方向平行（圖c），則導體中的感應電動勢零。a）b）c）

發(fā)電機就是應用導線切割磁感線產生感應電動勢的原理發(fā)電的，實際應用中，將導線做成線圈，使其在磁場中轉動，從而得到連續(xù)的電流。a）b）c）d）（1）當線圈平面與磁力線垂直時（圖a，c），由于導體運動方向與磁力線平行，感應電動勢為零。（2）當線圈平面與磁力線平行時（圖b，d），導體運動方向與磁力線垂直，感應電動勢最大。線圈按順時針方向轉動，用右手定則判斷，位于N極一側的導體感應電流流出線圈，位于S極一側的導體感應電流流入線圈。（3）由于線圈按順時針方向轉動，導體在N、S磁極循環(huán)往復切割磁力線。電流要么A出B入、要么A入B出，因此電刷A、B輸出的電流是大小和方向都在變化的交流電。這種能產生交流電的發(fā)電機稱為交流發(fā)電機。§4-5自感和互感一、自感合上開關，HL2比HL1亮的慢。斷開開關，燈泡閃亮一下才熄滅。1、自感現(xiàn)象當線圈中的電流發(fā)生變化時，線圈中就會產生感應電動勢，這個電動勢總是阻礙線圈中原來電流的變化。這種由于流過線圈本身的電流發(fā)生變化而引起的電磁感應現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象，簡稱自感。2、自感系數(shù)

一個線圈中通過單位電流所產生的自感磁通稱為自感系數(shù)（簡稱電感），用L表示，單位是亨利，用H表示。常用單位較小的單位有毫亨（mH）和微亨（μH），它們的關系為1H=103mH=106μH3、磁場能

電感線圈通電，當流過其中的電流增加時，線圈便從電源吸收能量并儲存起來；當流過其中的電流減小時，線圈便把原來儲存的磁場能釋放出來。線圈本身只與電源進行能量的交換，并不消耗能量，所以說電感線圈是一種儲能元件。理論分析和實驗證明，電感線圈中儲存的磁場能可表示為二、互感

在開關S閉合或斷開瞬間以及改變RP的阻值，檢流計的指針都會發(fā)生偏轉。1、互感現(xiàn)象我們把由于線圈繞向一致而產生感應電動勢的極性始終保持一致的端子稱為線圈的同名端，用“·”表示。1、互感線圈的同名端

當開關S閉合瞬間，線圈L1電流I從1端流進、2端流出。根據(jù)楞次定律，在線圈L1兩端產生自感電動勢，極性為“1正2負”；由于互感作用，線圈L2產生互感電動勢，極性也為“3正4負”。這種由于線圈繞向一致而產生的感應電動勢極性一致的端子稱為線圈的同名端。繞向相反而產生感應電動勢極性相反的端子稱為線圈的異名端。

§4-6變壓器一、變壓器的分類

變壓器是利用電磁感應的原理來改變交流電壓的一種裝置。按用途分類升壓變壓器降壓變壓器按相數(shù)分類單相變壓器、三相變壓器按線圈數(shù)分類雙線圈變壓器、三線圈變壓器、自耦變壓器按鐵芯結構分類心式變壓器、殼式變壓器、漸開線式變壓器按冷卻介質和冷卻方式分類油浸式變壓器、干式變壓器按容量大小分類小型變壓器、中型變壓器、大型變壓器、特大型變壓器二、變壓器的結構

變壓器的基本結構形式有兩種：心式和殼式，其主要組成部分有鐵芯和繞組。a）單相變壓器b）三相變壓器1．鐵芯鐵芯構成了變壓器的磁路，同時又是套裝繞組的骨架。鐵芯分為鐵芯柱和鐵軛兩部分。鐵芯柱上套裝繞組，鐵軛將鐵芯柱連接起來形成閉合磁路。為了減少鐵芯中的渦流損耗，提高磁路的導磁性能，鐵芯一般高磁導率的磁性材料——硅鋼片疊裝而成。變壓器鐵芯的結構心式和殼式等形式。心式結構比較簡單，組裝容易，因而電力變壓器的鐵芯主要采用心式結構。

1繞組（線圈

變壓器的線圈通常稱為繞組，它是變壓器的電路部分，由涂覆絕緣漆的銅或鋁導線繞制而成。在變壓器中，接到高壓電網的繞組稱為高壓繞組，接到低壓電網的