電工電子第2章教材

第2章電磁學(xué)基本知識(shí)實(shí)用汽車電工電子技術(shù)知識(shí)目標(biāo)技能目標(biāo)1.了解磁鐵、磁場(chǎng)與磁感線，磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁通量及其關(guān)系。2.理解電流的磁場(chǎng)、電流的磁效應(yīng)、磁路歐姆定律。3.理解磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體的作用、磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作

用、磁場(chǎng)對(duì)通電半導(dǎo)體的作用。4.掌握電磁感應(yīng)現(xiàn)象的基本知識(shí)，利用電磁感應(yīng)知識(shí)分

析變壓器、點(diǎn)火線圈的工作過(guò)程。5.掌握電磁鐵、繼電器的基本原理。1.能判別變壓器的初、次級(jí)繞組并進(jìn)行檢測(cè)。2.能對(duì)電磁繼電器的性能進(jìn)行檢測(cè)。2.1磁的基本物理量2.1.1磁鐵具有磁性的物質(zhì)叫做磁鐵，所有能被磁鐵吸引的物質(zhì)叫做鐵磁物質(zhì)或鐵磁材料。磁鐵分為天然磁鐵與人造磁鐵兩大類。磁鐵的主要性能磁鐵的兩端磁性最強(qiáng)，這兩端叫做磁極，磁極具有指向南北的性質(zhì)，通常把指南端的磁極叫南極，用S表示，指北端的磁極叫做北極，用N表示。同性磁極互相排斥，異性磁極互相吸引。它說(shuō)明磁極之間有相互作用力，磁極之間的相互作用力叫磁力。無(wú)論怎樣分割磁鐵，分割后所得到的每一塊磁鐵總具有南、北兩個(gè)磁極，即N極和S極，它們相互依存，不能單獨(dú)存在。把一塊鐵磁物質(zhì)放在磁鐵附近，該鐵磁物質(zhì)也會(huì)帶上磁性，這種原來(lái)沒(méi)有磁性的物質(zhì)獲得磁性的現(xiàn)象叫做磁化，磁鐵拿走后，被磁化的物質(zhì)還會(huì)保留一定的磁性，叫做剩磁。2.1磁的基本物理量2.1.2磁場(chǎng)與磁力線磁場(chǎng)：磁場(chǎng)是指磁鐵周圍有磁力的空間，它是磁體周圍空間的一種特殊物質(zhì)，它沒(méi)有構(gòu)成物質(zhì)的分子或原子。磁力線：磁力線就是一條條從磁體北（N）極沿磁體周圍空間到磁體南(S)極,然后再通過(guò)磁體內(nèi)部回到北(N)極的閉合曲線。曲線上每一點(diǎn)的切線方向（即小磁針N極在該點(diǎn)的指向）就表示該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向；曲線在某處的疏密程度（單位面積的磁力線根數(shù)）就表示該處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。2.1磁的基本物理量2.1.3磁感應(yīng)強(qiáng)度

磁場(chǎng)中垂直穿過(guò)單位面積上磁力線的條數(shù)叫做該面積所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，又叫做磁通密度。磁感應(yīng)強(qiáng)度是用來(lái)描述磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量，通常用字母B來(lái)表示。B﹦F/I△LB

——磁感應(yīng)強(qiáng)度，Ｔ；

F－—力，Ｎ；

I－—電流，Ａ；△L－—長(zhǎng)度，ｍ2.1磁的基本物理量2.1.4磁通量

磁感應(yīng)強(qiáng)度和與它垂直的某一截面積的乘積,叫做通過(guò)該截面積的磁通量。換言之，磁場(chǎng)中穿過(guò)某一面積磁力線的條數(shù)叫做穿過(guò)該面積的磁通量,簡(jiǎn)稱磁通,用Φ來(lái)表示。對(duì)于均勻磁場(chǎng),因B為常數(shù),則有Φ=BSΦ－—磁通量，Ｗｂ；

Ｂ－—磁感應(yīng)強(qiáng)度，Ｔ；

Ｓ－—面積，ｍ22.2電流的磁效應(yīng)和磁路2.2.1電流的磁場(chǎng)

電流是產(chǎn)生磁場(chǎng)的根本原因，電流和磁場(chǎng)有著不可分割的聯(lián)系，磁場(chǎng)總是伴隨著電流而存在的，電流則永遠(yuǎn)被磁場(chǎng)所包圍，磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的，把電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的現(xiàn)象稱作電流的磁效應(yīng)。2.2.2通電直導(dǎo)體的磁場(chǎng)

一根直導(dǎo)體通入電流后，導(dǎo)體周圍就產(chǎn)生磁場(chǎng)，其磁力線的分布是以導(dǎo)體為中心的一組同心圓，如圖a所示。實(shí)驗(yàn)證明，通電直導(dǎo)體周圍各點(diǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與導(dǎo)體中電流大小成正比，磁場(chǎng)的方向與電流的方向有關(guān)，可用右手螺旋定則確定。右手握住導(dǎo)體，用大拇指指向電流方向，則其余四指彎曲的方向就是磁場(chǎng)的方向。如圖b所示。2.2電流的磁效應(yīng)和磁路2.2.3通電線圈的磁場(chǎng)

把導(dǎo)線繞成螺旋線形狀的線圈，并通入電流也能產(chǎn)生磁場(chǎng)，通電線圈的磁場(chǎng)相當(dāng)于一塊條形永久磁鐵的磁場(chǎng)。通電線圈磁場(chǎng)的強(qiáng)弱不僅與線圈的電流大小有關(guān)，而且還與線圈的匝數(shù)有關(guān)，即與線圈的電流和匝數(shù)的乘積成正比。通電線圈磁場(chǎng)的方向也可用右手螺旋定則確定。右手握住線圈，用彎曲的四指指向電流的方向，則拇指所指的方向就是磁場(chǎng)方向，即N極。

2.2電流的磁效應(yīng)和磁路2.2.4磁路歐姆定律

磁通集中通過(guò)的閉合路徑稱為磁路。在磁路中，磁通與產(chǎn)生磁通的磁源（磁通勢(shì)）成正比，與磁路的磁阻成反比，這就是磁路歐姆定律。即

Φ﹦NI/R2.3磁場(chǎng)對(duì)電流的作用2.3.1磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體的作用

如圖所示，在蹄形磁鐵中懸掛一根直導(dǎo)體，并使導(dǎo)體垂直于磁力線，導(dǎo)體兩端分別連接于蓄電池的兩個(gè)極樁上，未通電時(shí)，導(dǎo)體是靜止的，如果接通電源導(dǎo)體就向一邊運(yùn)動(dòng)，最后到達(dá)一個(gè)新的位置而平衡下來(lái)，若改變電流方向或?qū)φ{(diào)磁極，導(dǎo)體將向另一邊運(yùn)動(dòng)，這說(shuō)明通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將受到作用力，這種作用力叫磁場(chǎng)力。F=BIL

2.3磁場(chǎng)對(duì)電流的作用2.3.1磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體的作用

通電直導(dǎo)體的受力載流直導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向，可用左手定則來(lái)判定。具體方法是將左手伸平，拇指與四指垂直，讓磁力線垂直穿過(guò)手心，四指指向電流的方向，則拇指所指方向就是導(dǎo)體的受力方向，如圖所示。2.3磁場(chǎng)對(duì)電流的作用2.3.2磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用通電線圈磁場(chǎng)在磁場(chǎng)中的受力如圖a所示，在均勻磁場(chǎng)中放置一個(gè)可繞軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)的通電矩形線圈abcd。已知：ad=bc=L1；ab=cd=L2。當(dāng)線圈與磁力線平行時(shí)，因ab邊和cd邊與磁力線平行，所受電磁力為零，而ad邊和bc邊與磁力線垂直，所受電磁力最大，兩條有效邊的受力方向正好相反，因而形成一對(duì)力偶，使線圈繞軸OO′做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。2.3磁場(chǎng)對(duì)電流的作用通電線圈在磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩等于力偶中的任意一個(gè)力與力偶臂的乘積，因而圖a中矩形線圈的轉(zhuǎn)矩為

Ｍ=F1L2=BIL1L2=BIS如圖所示，若線圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度α后，則線圈的轉(zhuǎn)矩為Ｍ=BIScosα此式為單匝線圈的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，如果矩形線圈匝數(shù)為N，則轉(zhuǎn)矩為Ｍ=NBIScosα2.3磁場(chǎng)對(duì)電流的作用2.3.3磁場(chǎng)對(duì)通電半導(dǎo)體的作用（霍爾效應(yīng)）如圖所示，把一塊半導(dǎo)體基片（霍爾元件）放在磁場(chǎng)中，當(dāng)在與磁場(chǎng)垂直的方向上通以電流時(shí)，則在與磁場(chǎng)和電流相垂直的另外橫向側(cè)面上產(chǎn)生電壓。這一現(xiàn)象是美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，因此命名為霍爾效應(yīng)。2.3磁場(chǎng)對(duì)電流的作用霍爾效應(yīng)中產(chǎn)生的電壓ＵH（霍爾電壓）的大小與通過(guò)半導(dǎo)體基片的電流Ｉ和磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ成正比，與基片的厚度ｄ成反比，即

ＵH=RHIB/d由上式可知，當(dāng)通過(guò)半導(dǎo)體基片的電流I為一定時(shí)，霍爾電壓UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，即霍爾電壓隨磁感應(yīng)強(qiáng)度大小而變化。汽車電子點(diǎn)火系統(tǒng)中的霍爾點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器就是利用霍爾效應(yīng)原理制成的。２.４電磁感應(yīng)2.4.1電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件實(shí)驗(yàn)一如圖所示，均勻磁場(chǎng)中放置一根直導(dǎo)體AB，導(dǎo)體兩端連接一個(gè)靈敏電流計(jì)Ｇ，當(dāng)導(dǎo)體垂直于磁力線做切割運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以明顯地觀察到電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)，當(dāng)導(dǎo)體靜止不動(dòng)或平行于磁力線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電流計(jì)的指針不動(dòng)。２.４電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)二如圖所示，空心線圈兩端連接靈敏電流計(jì)Ｇ，當(dāng)條形磁鐵迅速插入線圈時(shí)，會(huì)觀察到電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)，如果條形磁鐵在線圈中靜止不動(dòng)，電流計(jì)指針也不動(dòng)，如果將條形磁鐵由線圈中迅速拔出，會(huì)看到電流計(jì)的指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)。２.４電磁感應(yīng)上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)導(dǎo)體切割磁力線運(yùn)動(dòng)或者線圈中的磁通發(fā)生變化時(shí)，在導(dǎo)體或線圈的閉合回路中就會(huì)有電流產(chǎn)生，雖然兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的形式不同，但其本質(zhì)是一樣的，如果實(shí)驗(yàn)一圖中的回路看成是一個(gè)單匝線圈，那么導(dǎo)體中的電流也是由于磁通的變化而引起的，這種由于磁通變化而產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，這個(gè)電流叫感應(yīng)電流，產(chǎn)生感應(yīng)電流的電動(dòng)勢(shì)叫做感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)導(dǎo)體或線圈不閉合時(shí)，在其回路中只產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而無(wú)感應(yīng)電流。且實(shí)驗(yàn)證明，直導(dǎo)體中電動(dòng)勢(shì)的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度、導(dǎo)體長(zhǎng)度和導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)；線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈中磁通量的變化快慢和線圈的匝數(shù)有關(guān)。由以上分析可知，電磁感應(yīng)的條件是穿過(guò)線圈回路的磁通發(fā)生變化。２.４電磁感應(yīng)2.4.2楞次定律

俄國(guó)物理學(xué)家楞次經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，于1834年發(fā)現(xiàn)判定感應(yīng)電流方向的重要定律——楞次定律。其內(nèi)容是：感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通總是企圖阻礙原磁通的變化。應(yīng)注意的是，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通只是企圖阻礙原磁通的變化，而不是阻礙原磁通的存在。２.４電磁感應(yīng)綜上所述，用楞次定律判斷感應(yīng)電流（電動(dòng)勢(shì)）的步驟如下：首先確定原磁通的方向及其變化的趨勢(shì)（是增加還是減少）。根據(jù)楞次定律先確定感應(yīng)磁通的方向，即與原磁通方向相同還是相反。根據(jù)感應(yīng)磁通的方向，應(yīng)用右手螺旋定則判斷出線圈中感應(yīng)電流（電動(dòng)勢(shì)）方向。２.４電磁感應(yīng)車速里程表電磁原理分析２.４電磁感應(yīng)2.4.3自感現(xiàn)象自感現(xiàn)象就是線圈內(nèi)變化的磁通源于線圈本身通入變化的電流。如圖所示，閉合開(kāi)關(guān)S，調(diào)節(jié)R改變流入線圈L中電流的大小或改變電流的方向，則線圈的磁通量大?。ɑ蚍较颍┌l(fā)生變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種由通入線圈的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫自感現(xiàn)象，由自感現(xiàn)象產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫自感電動(dòng)勢(shì)，用符號(hào)eL表示。自感電動(dòng)勢(shì)

楞次定律告訴我們：自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙原電流的變化，當(dāng)線圈中電流ｉ增大（減?。r(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原電流方向相反（相同），如圖所示。實(shí)驗(yàn)證明，自感電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈的自感系數(shù)和線圈中電流的變化率成正比。

２.４電磁感應(yīng)2.4.4互感現(xiàn)象所謂互感，就是由于一個(gè)線圈中電流的變化使另一個(gè)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為互感電動(dòng)勢(shì)，用em表示。２.４電磁感應(yīng)互感電動(dòng)勢(shì)互感電動(dòng)勢(shì)的方向可用楞次定律來(lái)判定，其具體方法是：根據(jù)線圈中電流的方向，確定線圈中互感磁通的方向；根據(jù)線圈1中電流變化的趨勢(shì)，確定通過(guò)線圈2中互感磁通的變化趨勢(shì)；根據(jù)楞次定律判定線圈2中感應(yīng)磁通的方向；根據(jù)右手螺旋定則判定互感電流的方向。

互感電動(dòng)勢(shì)的大小與互感磁通量的變化率以及線圈的匝數(shù)成正比，因此改變次級(jí)線圈的匝數(shù)就可以使次級(jí)線圈的互感電動(dòng)勢(shì)升高或降低。２.5電磁鐵和繼電器2.5.1電磁鐵

人們常用鐵磁材料（軟鐵）做鐵芯，在外面繞上線圈，再通以電流做成電磁鐵。電磁鐵和永久磁鐵一樣具有磁性，電磁鐵的線圈通電時(shí)其鐵心就具有磁性，產(chǎn)生磁吸力。實(shí)驗(yàn)證明，磁吸力的大小與線圈的匝數(shù)、電流的大小及空氣隙的大小等多種因素有關(guān)。電磁