汽車電工電子基礎(chǔ)第2章 基本定律

第2章基本定律

2.1電磁感應(yīng)定律

2.1.1電磁感應(yīng)現(xiàn)象

2.1.1.1法拉第的實(shí)驗(yàn)電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)可用來(lái)產(chǎn)生電流嗎？經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)期研，法拉第在1831年發(fā)現(xiàn)，變化的磁場(chǎng)能使閉合的回路產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流。

2.1.1.2電磁感應(yīng)條件在法拉第的實(shí)驗(yàn)中，開關(guān)閉合的瞬間，在的電流建立磁場(chǎng)的過(guò)程中，穿過(guò)的磁感線數(shù)目，即磁通從無(wú)到有地不斷增大，這時(shí)線圈有感應(yīng)電流產(chǎn)生。除此之外，對(duì)再?zèng)]有別的影響了，中電流穩(wěn)定后，磁場(chǎng)也隨之穩(wěn)定下來(lái)，這時(shí)中的磁通不再變化，便沒(méi)有感應(yīng)電流。開關(guān)斷開時(shí)，在中的磁場(chǎng)消失的瞬間，中的磁通由大變小，直至變?yōu)榱?，又有感?yīng)電流產(chǎn)生?？梢姲l(fā)生電磁感應(yīng)的條件是：閉合回路中的磁通發(fā)生變化。2.1.2楞次定律根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知道，磁鐵和銅并不相斥或相吸?？墒?，如圖2.6所示，當(dāng)磁鐵的極（或極）向閉合鋼環(huán)中插去時(shí)，環(huán)將后退；反之，把磁鐵從環(huán)中抽出時(shí)環(huán)將跟隨向前。這就是俄國(guó)物理學(xué)家楞次做的有名的楞次環(huán)實(shí)驗(yàn)。圖2.6楞次環(huán)實(shí)驗(yàn)

1833年，楞次概括了各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果后提出：閉合回路中感應(yīng)電流的方向，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。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。應(yīng)用楞次定律來(lái)判斷感應(yīng)電流方向時(shí)，要遵照以下步驟：（1）首先認(rèn)清線圈所在處原磁場(chǎng)的方向；（2）分析線圈中磁通是增加還是減少；（3）根據(jù)楞次定律確定感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向；（4）最后，根據(jù)右手螺旋定則確定感應(yīng)電流方向。2.1.3法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第從大量的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出：?jiǎn)卧丫€圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，與線圈的磁通變化率成正比。這個(gè)結(jié)論叫做法拉第電磁感應(yīng)定律。采用SI單位時(shí)，這個(gè)定律可表達(dá)為：=

=為了得到較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可采用多匝線圈。當(dāng)每匝線圈的磁通變化率相同時(shí)，有式中的N為線圈匝數(shù)，計(jì)算時(shí)，取絕對(duì)值。2.2基爾霍夫定律

2.2.1電路的基本物理量

2.2.1.1電流電荷的定向移動(dòng)就形成電流。電流的實(shí)際方向習(xí)慣上指正電荷運(yùn)動(dòng)的方向。電流的大小用電流強(qiáng)度來(lái)度量，簡(jiǎn)稱電流。電流可分為兩類：一類是大小和方向均不隨時(shí)間改變的電流稱為恒定電流，簡(jiǎn)稱直流，簡(jiǎn)寫作DC。另一類是大小和方向都隨時(shí)間變化的電流稱為變動(dòng)電流，其中一個(gè)周期內(nèi)電流的平均值為零的變動(dòng)電流則稱為交變電流，簡(jiǎn)稱交流，簡(jiǎn)寫作AC。對(duì)于直流，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量是恒定不變的。其電流。

對(duì)于交流，其電流

在國(guó)際單位制中，電流的單位是安培，符號(hào)為（A），在電路中電荷之所以能定向移動(dòng)，是由于電場(chǎng)力作用的緣故。在任何電路的外電路中，正電荷受電場(chǎng)力作用向電源的“+”端通過(guò)負(fù)載電源的“-”端移動(dòng)。正電荷所具有的電位能逐漸減少，從而把電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。如圖2.11所示，電場(chǎng)力F把正電荷從A端移動(dòng)B端所做的功WAB與被移動(dòng)的電荷量Q的比值稱為、兩端間的電壓，用UAB表示，即2.2.1.2電壓圖2.11電壓的定義圖2.12電壓和電位如果A、B兩點(diǎn)的電位分別記為UA、UB，則因此，兩點(diǎn)間的電壓，就是該兩點(diǎn)的電位之差。引入電位概念后，我們可以說(shuō)，電壓的實(shí)際方向是由高電位指向低電位點(diǎn)。所以我們常將電壓稱為電壓降。在國(guó)際單位制中，電壓的單位是伏特，符號(hào)為（V），有時(shí)還需要用千伏（KV）、毫伏（mV）或微伏（uV）作單位。。2.2.1.3功率電流在單位時(shí)間內(nèi)做的功標(biāo)稱電功率，在直流情況下，功率用符號(hào)P表示，有如下公式：

在國(guó)際單位制中，功率的單位為瓦特，符號(hào)為（W）。2.2.1.4電能在直流電路中，負(fù)載上的功率不隨時(shí)間變化，則電路消的電能為

若功率的單位為W，時(shí)間的單位為S，則電能的單位為焦耳（J）。在實(shí)際應(yīng)用中，電能的單位常用千瓦小時(shí)（KWh），1KWh的電能通常叫做一度電。一度電為1KW×1h=1000×3600=3.6×106J2.2.2參考方向及選擇原則電流在導(dǎo)體中流動(dòng)的實(shí)際方向有兩種可能。在復(fù)雜電路中某一段電路里電流的實(shí)際方向有時(shí)很難立即判定。有時(shí)電流的實(shí)際方向還在不斷地改變。因此在電路中很難標(biāo)時(shí)電流的實(shí)際方向，為了解決這樣的困難，引入電流的“參考方向”的概念。在一段電路或一個(gè)電路元件中事先選定一個(gè)方向，這個(gè)選定的方向叫做電流的“參考方向”。和分析電流一樣，對(duì)元件或電路中兩點(diǎn)間可以任意選定一個(gè)方向?yàn)殡妷旱膮⒖挤较?，在電路圖中一般用實(shí)線箭頭表示。一般情況下，電流參考方向的選定與電壓參考方向的選定是無(wú)關(guān)的。但是為了方便起見，對(duì)一段電路或一個(gè)電路元件，如果選定電流的參考方向與電壓的參考方向一致，即選定電流從標(biāo)以電壓“+”極性的一端流入，從標(biāo)以電壓“-”極性的另一端流出，則把電流和電壓的這種參考方向稱為關(guān)聯(lián)參考方向，簡(jiǎn)稱關(guān)聯(lián)方向，如圖2.15所示。圖2.15關(guān)聯(lián)參考方向2.2.3基爾霍夫定律

2.2.3.1幾個(gè)有關(guān)的電路名詞

1.支路每一段不分支的電路稱為支稱為支路。

2.節(jié)點(diǎn)三條和三條以上的支路的連接點(diǎn)叫做節(jié)點(diǎn)。

3.回路電路中任一閉合路徑叫做回路。

4.網(wǎng)孔在回路內(nèi)部不含有支路的，這一種回路叫網(wǎng)孔。

5.網(wǎng)絡(luò)一般把包含元件較多的電路稱為網(wǎng)絡(luò)。支路是構(gòu)成節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)孔、回路的基礎(chǔ)，因而也是構(gòu)成電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

2.2.3.2基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律也可稱為結(jié)點(diǎn)電流平衡方程式，簡(jiǎn)稱KCL?；鶢柣舴螂娏鞫墒怯脕?lái)確定聯(lián)結(jié)在同一結(jié)點(diǎn)上的各支路電流之間的相互關(guān)系?；鶢柣舴螂娏鞫煽蓴⑹鰹椋涸谌魏我粋€(gè)瞬間、對(duì)于任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)流進(jìn)該結(jié)點(diǎn)的電流代數(shù)和恒等于零。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為為統(tǒng)一起見，可約定：流入結(jié)點(diǎn)的電流為“+”，流出結(jié)點(diǎn)的電流為“-”。2.2.3.3基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律也稱之為回路電壓平衡方程式，簡(jiǎn)稱KVL?；鶢柣舴螂妷憾梢话阌脕?lái)確定回路中各段電壓之間的相互關(guān)系?；鶢柣舴蚴菈憾煽蓴⑹鰹椋涸谌魏我粋€(gè)閉合電路中沒(méi)任一回路循行方向，各段電壓降的代數(shù)和恒等于零。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為方程的右邊是沿回路循行方向閉合一周所有電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，方程的左邊是沿回路循行方向閉合一周各電阻元件上電壓降的代數(shù)和。即

這是基爾霍夫電壓定律的第二種表達(dá)形式。在這里作這樣一個(gè)約定：電動(dòng)勢(shì)的參考方向與回路循行方向一致時(shí)（即電位升時(shí)）為“+”，反之為“-”；電流的參考方向與回路循行方向一致時(shí)，在電阻上產(chǎn)生的電壓降為“+”，相反時(shí)的在電阻上產(chǎn)生的電壓降為“-”。2.4磁路歐姆定律

2.4.1磁路及磁性材料在電器、電機(jī)中采用鐵磁材料，不但可以用較小的勵(lì)磁電流獲得較多的磁通，而且可使磁通集中地通過(guò)一定的閉合路徑。所謂磁路，主要由鐵磁材料構(gòu)成而為磁通集中通過(guò)的閉合回路，磁路中的鐵磁材料稱為鐵芯。磁路中除鐵芯外往往還有一些段非鐵磁性物質(zhì)，例如空氣間隙等。由于磁感線是連續(xù)的，所以通過(guò)無(wú)分支磁路各處橫截面的磁通是相等的。工程上應(yīng)用的鐵磁材料按磁性能和用途可分三類：

2.4.1.1硬磁材料硬磁材料的特點(diǎn)是需要較強(qiáng)的外磁場(chǎng)的作用，才能使其磁化，而且不易退磁，剩磁較強(qiáng)。其典型材料有鈷鋼、碳鋼等。

2.4.1.2軟磁材料軟磁材料的特點(diǎn)是磁導(dǎo)率很大，而剩磁很小，易被磁化也易去磁。典型的軟磁材料有硅鋼片、鑄鐵、坡莫合金等。

2.4.1.3矩磁材料矩磁材料的特點(diǎn)是在很弱的外磁場(chǎng)作用下，就能被磁化，并達(dá)到磁飽和。當(dāng)撤掉外磁場(chǎng)后，磁性仍然保持與磁飽和狀態(tài)相同。矩磁材料主要用于制造計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)元件的環(huán)形磁心。2.4.2磁路的歐姆定律

2.4.2.1磁路的基本物理量1.磁感應(yīng)強(qiáng)度B表示空間某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱與方向的物理量。單位：特斯拉，簡(jiǎn)稱“特”（T）（韋/米2）2.磁通量Φ表示穿過(guò)某一截面S的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的通量。單位：韋伯（Wb）（伏·秒）3.磁場(chǎng)強(qiáng)度表示磁場(chǎng)中與介質(zhì)導(dǎo)磁率μ無(wú)關(guān)的量，是一個(gè)矢量。單位：安/米（A/m）4.導(dǎo)磁率μ表示物質(zhì)的導(dǎo)磁性能。單位：亨/米（H/m）

2.4.2.2磁路的歐姆定律磁路中的磁動(dòng)勢(shì)好比是電路中的電動(dòng)勢(shì)；磁通好比是電流。在無(wú)分支電路中電動(dòng)勢(shì)與電流的比值是全電路的電阻；類似地，我們把無(wú)分支磁路中磁動(dòng)勢(shì)與磁通的比值稱為全磁路的磁阻，記作：或?qū)懗蛇@就是無(wú)分支磁路的歐姆定律。就是說(shuō)，無(wú)分支磁路中的磁通跟磁動(dòng)勢(shì)成正比，而跟磁阻成反比。

2.4.3電磁鐵電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵而工作的一種電器。如果銜鐵帶動(dòng)其他機(jī)件，則產(chǎn)生機(jī)械聯(lián)動(dòng)；如果銜鐵是被加工的工件，則可使工件固定在某一位置上。電磁鐵由三部分組成：線圈、鐵心和銜鐵，電磁鐵在生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛，它可用來(lái)起卸各種鋼、鐵材材料及其制件；在機(jī)床中也常用電磁鐵操縱氣動(dòng)或液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的閥門和控制變速機(jī)構(gòu)；在磨床上，用電磁鐵來(lái)固定鋼制工件；尤其在自動(dòng)化和半自動(dòng)化的裝置中，經(jīng)常用來(lái)控制電路的接通或斷開，以實(shí)現(xiàn)各種控制和保護(hù)作用。電磁鐵的主要技術(shù)數(shù)據(jù)有：1.額定行程，指剛起動(dòng)時(shí)銜鐵和鐵心之間的距離。2.額定吸引力，指銜鐵處在額定行程時(shí)銜鐵受到的吸力。3.額定電壓，指電磁鐵線圈上規(guī)定應(yīng)施加的電壓值。按鐵心線圈所通的電流性質(zhì)，電磁鐵可分成直流電磁鐵和交流電磁鐵兩類。

2.4.3.1直流電磁鐵電磁鐵銜鐵上吸力的大小與兩個(gè)磁極的磁性強(qiáng)弱有關(guān)，每一個(gè)磁極的磁性強(qiáng)弱則和磁極之間的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，因此，銜鐵所受到的吸力的大小和兩極間的磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比。此外，在為一定值的情況下，磁極的面積愈大，則吸力也愈大。所以FB2S。電磁鐵的吸力F與空氣隙的關(guān)系，即,以及電磁鐵的勵(lì)磁電流I與空氣隙的關(guān)系，即，稱為電磁鐵的工作特性，它可由實(shí)驗(yàn)得出，如圖2.27所示。圖2.27直流電磁鐵的工作特性2.4.3.2交流電磁鐵交流電磁鐵、交流繼電器等電器的供電電源極為方便，故在生產(chǎn)中應(yīng)用很廣。由于在這些電器的鐵心上有一很短的空氣隙，所以這些電器的電路就成為具有空氣隙的鐵心線圈