磁場(chǎng)的基本物理量

磁場(chǎng)的基本物理量第1頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章將介紹與磁路有關(guān)的電路問(wèn)題。在電工技術(shù)中不僅要討論電路問(wèn)題，還將討論磁路問(wèn)題。因?yàn)楹芏嚯姽ぴO(shè)備與電路和磁路都有關(guān)系，如電動(dòng)機(jī)、變壓器、電磁鐵及電工測(cè)量?jī)x表等。磁路問(wèn)題與磁場(chǎng)有關(guān)，與磁介質(zhì)有關(guān)，但磁場(chǎng)往往與電流相關(guān)聯(lián)，所以本章將研究磁路和電路的關(guān)系及磁和電的關(guān)系。本章討論對(duì)象將以變壓器和電磁鐵為主，重點(diǎn)研究其電磁特性，為以后研究電動(dòng)機(jī)的基本特性作基礎(chǔ)。第2頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.磁場(chǎng)的基本物理量對(duì)磁場(chǎng)特性的描述，已在大學(xué)物理中進(jìn)行了詳盡的討論。這里將對(duì)幾個(gè)基本物理量做以下復(fù)述。一、磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度

B是表示磁場(chǎng)空間某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。它是矢量。磁場(chǎng)對(duì)電流(或運(yùn)動(dòng)電荷)有作用，而電流(或運(yùn)動(dòng)電荷)也將產(chǎn)生磁場(chǎng)。電流(或運(yùn)動(dòng)電荷)電流(或運(yùn)動(dòng)電荷)磁場(chǎng)第3頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小及方向：電流強(qiáng)度為I長(zhǎng)度為l的電流元，在磁場(chǎng)中將受到磁力的作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，力的大小不僅與電流元I·l的大小有關(guān)，還與其方向有關(guān)。當(dāng)l的方向與B的方向垂直時(shí)電流元受力為最大F=Fmax，此時(shí)規(guī)定，磁場(chǎng)的大小磁場(chǎng)的方向，由三個(gè)矢量成右旋系的的關(guān)系來(lái)定義。B的單位為特斯拉(T)第4頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)然，對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義也可從運(yùn)動(dòng)電荷的角度進(jìn)行定義。SNlIlI同理，三個(gè)矢量也構(gòu)成右旋系關(guān)系。如洛侖茲力公式所表示第5頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、磁通磁感應(yīng)強(qiáng)度B在面積S上的通量積分稱為磁通如果是均勻磁場(chǎng)，即磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向均相同，且與面積S垂直，則該面積上的磁通為或故又可稱磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值為磁通密度。第6頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果用磁力線描述磁場(chǎng)，磁力線的密度就反映了磁場(chǎng)的大小。通過(guò)某一面積的磁力線總數(shù)應(yīng)表示通過(guò)該面積的磁通的大小。由于磁通的連續(xù)性，磁力線是閉合的空間曲線。磁通的單位是韋伯(Wb)，在工程中常用電磁制單位麥克斯韋(Mx)，兩者關(guān)系為根據(jù)電磁感應(yīng)公式磁通的單位為伏·秒(V·s)，由此，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位也可表示為韋伯每平方米(Wb/m2)。第7頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度H是計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)常用的物理量，也是矢量。它與磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的關(guān)系為工程上常根據(jù)安培環(huán)路定律來(lái)確定磁場(chǎng)與電流的關(guān)系上式左側(cè)為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量沿閉合回線的線積分；右側(cè)是穿過(guò)由閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。電流的符號(hào)規(guī)定為：閉合回線的圍繞方向與電流成右旋系時(shí)為正，反之為負(fù)。第8頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以環(huán)形線圈為例，計(jì)算線圈內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。xI

SHx線圈內(nèi)為均勻媒質(zhì)，取磁力線作為閉合回線，且以磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向?yàn)榛鼐€的繞行方向。于是而其中N為線圈的匝數(shù)；Hx是半徑為x處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。乘積IN是產(chǎn)生磁通的原因，稱為磁動(dòng)勢(shì)，用F表示。單位是安培第9頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率μ是表示磁場(chǎng)空間媒質(zhì)磁性質(zhì)的物理量，是物質(zhì)導(dǎo)磁能力的標(biāo)志量。前面已導(dǎo)出環(huán)形線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度H，可得磁感應(yīng)強(qiáng)度B為磁導(dǎo)率的單位真空磁導(dǎo)率μ0：實(shí)驗(yàn)測(cè)得，真空的磁導(dǎo)率第10頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月相對(duì)磁導(dǎo)率：某種物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ與真空磁導(dǎo)率μ0的比值稱為相對(duì)磁導(dǎo)率，用μr表示。上式說(shuō)明，在同樣電流的情況下，磁場(chǎng)空間某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與該點(diǎn)媒質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)，若媒質(zhì)的磁導(dǎo)率為μ，則磁感應(yīng)強(qiáng)度B將是真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度的μr倍。自然界的所有物質(zhì)可根據(jù)磁導(dǎo)率的大小，大體上可分為磁性材料和非磁性材料兩大類。非磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率為常數(shù)且接近于1；磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率則很大。第11頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.磁性材料的磁性能磁性材料主要是指由過(guò)度元素鐵、鈷、鎳極其合金等材料。它們主要的磁性能如下。一、高磁導(dǎo)率磁性材料的磁導(dǎo)率很大，μr>>1，可達(dá)102~105量級(jí)。分子電流和磁疇理論：分子中電子的繞核運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)將形成分子電流，分子電流將產(chǎn)生磁場(chǎng)，每個(gè)分子都相當(dāng)于一個(gè)小磁鐵。由于磁性物質(zhì)分子的相互作用，使分子電流在局部形成有序排列而顯示出磁性，這些小區(qū)域稱為磁疇。第12頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高磁導(dǎo)率的成因磁性物質(zhì)沒(méi)有外場(chǎng)時(shí)，各磁疇是混亂排列的，磁場(chǎng)互相抵消；當(dāng)在外磁場(chǎng)作用下，磁疇就逐漸轉(zhuǎn)到與外場(chǎng)一致的方向上，即產(chǎn)生了一個(gè)與外場(chǎng)方向一致的磁化磁場(chǎng)，從而磁性物質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增加——物質(zhì)被強(qiáng)烈的磁化了。磁性物質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、變壓器等設(shè)備中線圈中都含有的鐵心。就是利用其磁導(dǎo)率大的特性，使得在較小的電流情況下得到盡可能大的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通。非磁性材料沒(méi)有磁疇的結(jié)構(gòu)，所以不具有磁化特性。第13頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁性物質(zhì)的磁化示意圖(a)無(wú)外場(chǎng)，磁疇排列雜亂無(wú)章。(b)在外場(chǎng)作用下，磁疇排列逐漸進(jìn)入有序化。第14頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、磁飽和性磁性物質(zhì)因磁化產(chǎn)生的磁場(chǎng)是不會(huì)無(wú)限制增加的，當(dāng)外磁場(chǎng)(或激勵(lì)磁場(chǎng)的電流)增大到一定程度時(shí)，全部磁疇都會(huì)轉(zhuǎn)向與外場(chǎng)方向一致。這時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將達(dá)到飽和值。HBB0BBJO磁化曲線HB，μOμBμ與H的關(guān)系B0是真空情況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度；BJ是磁化產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；B

是介質(zhì)中的總磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁性物質(zhì)的μ不是常數(shù)，Φ與H也不存在正比關(guān)系。第15頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、磁滯性在鐵心線圈通有交變電流時(shí)，鐵心將受到交變磁化。但當(dāng)H減少為零時(shí)，B并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br。BHO12345磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱為磁滯性。如圖為磁性物質(zhì)的滯回曲線。要使剩磁消失，通常需進(jìn)行反向磁化。將B=0時(shí)的H值稱為矯頑磁力

Hc，（見(jiàn)圖中3和6所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。）6第16頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁性物質(zhì)的分類根據(jù)滯回曲線和磁化曲線的不同，大致分成三類：(1)軟磁材料其矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(鐵心)(2)永磁材料其矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。(磁鐵)(3)矩磁材料其剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。(記憶元件)HBHBHB第17頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鑄鐵、鑄鋼及硅鋼片的磁化曲線鑄鐵鑄鋼硅鋼片鑄鐵鑄鋼硅鋼片第18頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常用磁性材料的最大相對(duì)磁導(dǎo)率、剩磁及矯頑磁力材料名稱第19頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.磁路及其基本定律為了使勵(lì)磁電流產(chǎn)生盡可能大的磁通，在電磁設(shè)備或電磁元件中要放置一定形狀的鐵心。絕大部分磁通將通過(guò)鐵心形成閉合路徑——磁路。圖示為交流接觸器的磁路，磁通經(jīng)過(guò)鐵心和空氣隙而閉合。得出或第20頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月式中：F=IN稱為磁動(dòng)勢(shì)，此為產(chǎn)生磁通的激勵(lì)；Rm為磁阻，是磁路對(duì)磁通具有阻礙作用的物理量；l為磁路的平均長(zhǎng)度；S為磁路的截面積。上式與電路中的歐姆定律在形式上相似，與磁路對(duì)照如下：磁路電路磁動(dòng)勢(shì)F磁通Φ磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁阻R=l/S電動(dòng)勢(shì)E電流I電流密度J電阻R=l/γSNI

+–EIR第21頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁路的計(jì)算計(jì)算磁路問(wèn)題時(shí)，可以應(yīng)用上面介紹的磁路歐姆定律，但由于磁路的磁導(dǎo)率μ不是常數(shù)(隨勵(lì)磁電流而變)，往往要借助于磁場(chǎng)強(qiáng)度H這個(gè)物理量。或若磁路不均勻，由不同材料構(gòu)成，則磁路的磁阻應(yīng)由不同的幾段串聯(lián)而成，即I

0S0S1

1l1S1

2l2S2右圖所示繼電器的磁路就是由三段串聯(lián)第22頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H0B0的單位為特斯拉，若用高斯為單位，則I

0S0S1

1l1S1

2l2S2然后計(jì)算各段磁路的磁壓降Hl，進(jìn)而求出磁路的磁動(dòng)勢(shì)，應(yīng)用磁路歐姆定律對(duì)磁路進(jìn)行分析。第23頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例一均勻閉合鐵心線圈，匝數(shù)為300，鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9T，磁路的平均長(zhǎng)度為45cm,I

lS試求：(1)鐵心材料為鑄鐵時(shí)線圈中的電流；(2)鐵心材料為硅鋼片時(shí)線圈中的電流。解：先從磁化曲線中查出磁場(chǎng)強(qiáng)度的H值，然后再計(jì)算電流。(1)H1=9000A/m，(2)H2=260A/m，可見(jiàn)由于所用鐵心材料不同，要得到相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度，則所需要的磁動(dòng)勢(shì)或勵(lì)磁電流是不同的。因此，采用高磁導(dǎo)率的鐵心材料可使線圈的用銅量大為降低。第24頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4交流鐵心線圈電路2．交流鐵心線圈電路鐵心線圈分為兩種：1．直流鐵心線圈電路直流鐵心線圈通直流來(lái)勵(lì)磁（如直流電機(jī)的勵(lì)磁線圈、電磁吸盤及各種直流電器的線圈）。因?yàn)閯?lì)磁是直流，則產(chǎn)生的磁通是恒定的，在線圈和鐵心中不會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)來(lái)，在一定的電壓U下，線圈電流I只與線圈的R有關(guān)，P也只與I2R有關(guān)，所以分析直流鐵心線圈比較簡(jiǎn)單。本課不討論。交流鐵心線圈通交流來(lái)勵(lì)磁（如交流電機(jī)、變壓器及各種交流電器的線圈）。起電壓、電流等關(guān)系與直流不同，下面我們就來(lái)討論之。第25頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、電磁關(guān)系磁動(dòng)勢(shì)F=iN產(chǎn)生的磁通絕大多數(shù)通過(guò)鐵心而閉合，這部分磁通稱為工作磁通Φ。

uΦσeeσiΦN鐵心如圖所示，此外還有一少部分通過(guò)空氣等非磁性材料而閉合，這部分磁通稱為漏磁通，用Φσ表示。這兩個(gè)磁通在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e和eσ。e為主磁電動(dòng)勢(shì)，eσ為漏磁電動(dòng)勢(shì)。第26頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月uΦσeeσiΦN這個(gè)電磁關(guān)系可表示如下：式中Nφσ=Lσi中的Lσ為常數(shù)，稱為漏電感，而i與φ不存在線性關(guān)系，即L不是常數(shù)。因此，鐵心線圈是一個(gè)非線性的電感元件。Φ與i和L的關(guān)系如圖所示。0Φ、LiΦL第27頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、線圈兩端的電壓與電流之間的函數(shù)關(guān)系據(jù)KVL有：當(dāng)為正弦量時(shí)，伏上式中的各量可視作正弦量，于是上式可用相量表示：uΦσeeσiΦN第28頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月式中Xσ為漏磁感抗，R為線圈的電阻。相量表示式：設(shè)則第29頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有效值為：由于R和Xσ很小，∴UR和Uσ與U/相比可忽略Bm為鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值。S為鐵心面積即第30頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．鐵損三、功率損耗1．銅損①磁滯損耗由磁滯所產(chǎn)生的鐵損稱為磁滯損耗?？梢宰C明，交變磁化一周在鐵心的單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的磁滯損耗能量與磁滯回線所包圍的面積成正比。磁滯損耗要引起鐵心發(fā)熱。為了減小磁滯損耗，應(yīng)選用磁滯回線狹小的磁性材料制造鐵心。硅鋼就是變壓器和電機(jī)中常用的鐵心材料，其磁滯損耗較小。①磁滯損耗②渦流損耗第31頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月②渦流損耗由渦流所產(chǎn)生的鐵損稱為渦流損耗△Pe0φi當(dāng)線圈中通有交流電時(shí)，它所產(chǎn)生的磁通也是交變的。因此，不僅要在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而且在鐵心內(nèi)也要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流稱為渦流，它在垂直于磁通方向的平面內(nèi)環(huán)流著。第32頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由渦流所產(chǎn)生的鐵損稱為渦流損耗△Pe0φi當(dāng)線圈中通有交流電時(shí)，它所產(chǎn)生的磁通也是交變的。因此，不僅要在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而且在鐵心內(nèi)也要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流稱為渦流，它在垂直于磁通方向的平面內(nèi)環(huán)流著。第33頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在交流磁通的作用下，鐵心內(nèi)的這兩種損耗合稱鐵損△PFe0鐵損差不多與鐵心內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm的平方成正比，故Bm不宜選得過(guò)大。從上述可知，鐵心線圈交流電路的有功功率為P=UIcos=I2R+△PFe0第34頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、等效電路鐵心線圈交流電路也可用等效電路進(jìn)行分析，所謂等效電路，就是