磁場的基本物理量

磁場的基本物理量第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月本章將介紹與磁路有關的電路問題。在電工技術中不僅要討論電路問題，還將討論磁路問題。因為很多電工設備與電路和磁路都有關系，如電動機、變壓器、電磁鐵及電工測量儀表等。磁路問題與磁場有關，與磁介質有關，但磁場往往與電流相關聯，所以本章將研究磁路和電路的關系及磁和電的關系。本章討論對象將以變壓器和電磁鐵為主，重點研究其電磁特性，為以后研究電動機的基本特性作基礎。第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1.磁場的基本物理量對磁場特性的描述，已在大學物理中進行了詳盡的討論。這里將對幾個基本物理量做以下復述。一、磁感應強度磁感應強度

B是表示磁場空間某點的磁場強弱和方向的物理量。它是矢量。磁場對電流(或運動電荷)有作用，而電流(或運動電荷)也將產生磁場。電流(或運動電荷)電流(或運動電荷)磁場第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁感應強度B的大小及方向：電流強度為I長度為l的電流元，在磁場中將受到磁力的作用。實驗發(fā)現，力的大小不僅與電流元I·l的大小有關，還與其方向有關。當l的方向與B的方向垂直時電流元受力為最大F=Fmax，此時規(guī)定，磁場的大小磁場的方向，由三個矢量成右旋系的的關系來定義。B的單位為特斯拉(T)第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月當然，對磁感應強度的定義也可從運動電荷的角度進行定義。SNlIlI同理，三個矢量也構成右旋系關系。如洛侖茲力公式所表示第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、磁通磁感應強度B在面積S上的通量積分稱為磁通如果是均勻磁場，即磁場內各點磁感應強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強度的數值為磁通密度。第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月如果用磁力線描述磁場，磁力線的密度就反映了磁場的大小。通過某一面積的磁力線總數應表示通過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)，兩者關系為根據電磁感應公式磁通的單位為伏·秒(V·s)，由此，磁感應強度的單位也可表示為韋伯每平方米(Wb/m2)。第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月三、磁場強度磁場強度H是計算磁場時常用的物理量，也是矢量。它與磁感應強度矢量的關系為工程上常根據安培環(huán)路定律來確定磁場與電流的關系上式左側為磁場強度矢量沿閉合回線的線積分；右側是穿過由閉合回線所圍面積的電流的代數和。電流的符號規(guī)定為：閉合回線的圍繞方向與電流成右旋系時為正，反之為負。第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月以環(huán)形線圈為例，計算線圈內的磁場強度。xI

SHx線圈內為均勻媒質，取磁力線作為閉合回線，且以磁場強度的方向為回線的繞行方向。于是而其中N為線圈的匝數；Hx是半徑為x處的磁場強度。乘積IN是產生磁通的原因，稱為磁動勢，用F表示。單位是安培第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月四、磁導率磁導率μ是表示磁場空間媒質磁性質的物理量，是物質導磁能力的標志量。前面已導出環(huán)形線圈的磁場強度H，可得磁感應強度B為磁導率的單位真空磁導率μ0：實驗測得，真空的磁導率第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月相對磁導率：某種物質的磁導率μ與真空磁導率μ0的比值稱為相對磁導率，用μr表示。上式說明，在同樣電流的情況下，磁場空間某點的磁感應強度與該點媒質的磁導率有關，若媒質的磁導率為μ，則磁感應強度B將是真空中磁感應強度的μr倍。自然界的所有物質可根據磁導率的大小，大體上可分為磁性材料和非磁性材料兩大類。非磁性材料的相對磁導率為常數且接近于1；磁性材料的相對磁導率則很大。第11頁，課件共37頁，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、高磁導率磁性材料的磁導率很大，μr>>1，可達102~105量級。分子電流和磁疇理論：分子中電子的繞核運動和自轉將形成分子電流，分子電流將產生磁場，每個分子都相當于一個小磁鐵。由于磁性物質分子的相互作用，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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月高磁導率的成因磁性物質沒有外場時，各磁疇是混亂排列的，磁場互相抵消；當在外磁場作用下，磁疇就逐漸轉到與外場一致的方向上，即產生了一個與外場方向一致的磁化磁場，從而磁性物質內的磁感應強度大大增加——物質被強烈的磁化了。磁性物質被廣泛地應用于電工設備中，電動機、電磁鐵、變壓器等設備中線圈中都含有的鐵心。就是利用其磁導率大的特性，使得在較小的電流情況下得到盡可能大的磁感應強度和磁通。非磁性材料沒有磁疇的結構，所以不具有磁化特性。第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性物質的磁化示意圖(a)無外場，磁疇排列雜亂無章。(b)在外場作用下，磁疇排列逐漸進入有序化。第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、磁飽和性磁性物質因磁化產生的磁場是不會無限制增加的，當外磁場(或激勵磁場的電流)增大到一定程度時，全部磁疇都會轉向與外場方向一致。這時的磁感應強度將達到飽和值。HBB0BBJO磁化曲線HB，μOμBμ與H的關系B0是真空情況下的磁感應強度；BJ是磁化產生的磁感應強度；B

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

Hc，（見圖中3和6所對應的點。）6第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性物質的分類根據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，課件共37頁，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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月常用磁性材料的最大相對磁導率、剩磁及矯頑磁力材料名稱第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.磁路及其基本定律為了使勵磁電流產生盡可能大的磁通，在電磁設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鐵心形成閉合路徑——磁路。圖示為交流接觸器的磁路，磁通經過鐵心和空氣隙而閉合。得出或第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月式中：F=IN稱為磁動勢，此為產生磁通的激勵；Rm為磁阻，是磁路對磁通具有阻礙作用的物理量；l為磁路的平均長度；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，與磁路對照如下：磁路電路磁動勢F磁通Φ磁感應強度B磁阻R=l/S電動勢E電流I電流密度J電阻R=l/γSNI

+–EIR第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月磁路的計算計算磁路問題時，可以應用上面介紹的磁路歐姆定律，但由于磁路的磁導率μ不是常數(隨勵磁電流而變)，往往要借助于磁場強度H這個物理量?；蛉舸怕凡痪鶆颍刹煌牧蠘嫵?，則磁路的磁阻應由不同的幾段串聯而成，即I

0S0S1

1l1S1

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

0S0S1

1l1S1

2l2S2然后計算各段磁路的磁壓降Hl，進而求出磁路的磁動勢，應用磁路歐姆定律對磁路進行分析。第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月例一均勻閉合鐵心線圈，匝數為300，鐵心中磁感應強度為0.9T，磁路的平均長度為45cm,I

lS試求：(1)鐵心材料為鑄鐵時線圈中的電流；(2)鐵心材料為硅鋼片時線圈中的電流。解：先從磁化曲線中查出磁場強度的H值，然后再計算電流。(1)H1=9000A/m，(2)H2=260A/m，可見由于所用鐵心材料不同，要得到相同的磁感應強度，則所需要的磁動勢或勵磁電流是不同的。因此，采用高磁導率的鐵心材料可使線圈的用銅量大為降低。第24頁，課件共37頁，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勵磁（如直流電機的勵磁線圈、電磁吸盤及各種直流電器的線圈）。因為勵磁是直流，則產生的磁通是恒定的，在線圈和鐵心中不會感應出電動勢來，在一定的電壓U下，線圈電流I只與線圈的R有關，P也只與I2R有關，所以分析直流鐵心線圈比較簡單。本課不討論。交流鐵心線圈通交流來勵磁（如交流電機、變壓器及各種交流電器的線圈）。起電壓、電流等關系與直流不同，下面我們就來討論之。第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電磁關系磁動勢F=iN產生的磁通絕大多數通過鐵心而閉合，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。這兩個磁通在線圈中產生感應電動勢e和eσ。e為主磁電動勢，eσ為漏磁電動勢。第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月uΦσeeσiΦN這個電磁關系可表示如下：式中Nφσ=Lσi中的Lσ為常數，稱為漏電感，而i與φ不存在線性關系，即L不是常數。因此，鐵心線圈是一個非線性的電感元件。Φ與i和L的關系如圖所示。0Φ、LiΦL第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、線圈兩端的電壓與電流之間的函數關系據KVL有：當為正弦量時，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，課件共37頁，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：設則第29頁，課件共37頁，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為鐵心中磁感應強度的最大值。S為鐵心面積即第30頁，課件共37頁，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所產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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月②渦流損耗由渦流所產生的鐵損稱為渦流損耗△Pe0φi當線圈中通有交流電時，它所產生的磁通也是交變的。因此，不僅要在線圈中產生感應電動勢，而且在鐵心內也要產生感應電動勢和感應電流。這種感應電流稱為渦流，它在垂直于磁通方向的平面內環(huán)流著。第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月由渦流所產生的鐵損稱為渦流損耗△Pe0φi當線圈中通有交流電時，它所產生的磁通也是交變的。因此，不僅要在線圈中產生感應電動勢，而且在鐵心內也要產生感應電動勢和感應電流。這種感應電流稱為渦流，它在垂直于磁通方向的平面內環(huán)流著。第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月在交流磁通的作用下，鐵心內的這兩種損耗合稱鐵損△PFe0鐵損差不多與鐵心內磁感應強度的最大值Bm的平方成正比，故Bm不宜選得過大。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，課件共37頁，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行分析，所謂等效電路，就是