0.2-電磁學(xué)基本知識(shí)課件

1、電磁學(xué)基本知識(shí),常用的物理量和定律,常用的鐵磁材料及其特性,法拉第,M.法拉第(17911869)偉大的物理學(xué)家、化學(xué)家、19世紀(jì)最偉大的實(shí)驗(yàn)大師。右圖為法拉第用過(guò)的螺繞環(huán),電磁學(xué)基本知識(shí),導(dǎo)言： 100多年前，人們從電磁現(xiàn)象出發(fā)，總結(jié)出系統(tǒng)的電磁理論。一個(gè)最直接的產(chǎn)品就是電機(jī)。電磁理論是研究電場(chǎng)、磁場(chǎng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間關(guān)系的學(xué)問(wèn)。 電機(jī)中總存在磁場(chǎng)、電流、作用力。,常用物理量和定律,一. 磁場(chǎng)的幾個(gè)常用物理量,磁感應(yīng)強(qiáng)度（又稱(chēng)磁通密度）B 表征磁場(chǎng)強(qiáng)弱及方向的物理量。單位：T(特斯拉) 、Wb/m2 。,B是矢量，既有大小，又有方向: 用磁力線(xiàn)上每點(diǎn)的切線(xiàn)方向規(guī)定B的方向 用磁力線(xiàn)的疏密程度表示

2、B的大小,磁力線(xiàn),(1)磁感應(yīng)線(xiàn)的回轉(zhuǎn)方向和電流方向之間的關(guān)系遵守右手螺旋法則. (2)磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)線(xiàn)不相交，每點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向確定唯一. (3)載流導(dǎo)線(xiàn)周?chē)拇鸥袘?yīng)線(xiàn)都是圍繞電流的閉合曲線(xiàn).,常用物理量和定律,2. 磁通量（磁通）,垂直通過(guò)磁場(chǎng)中某一面積的磁力線(xiàn)數(shù)稱(chēng)為通過(guò)該面積的磁通量(磁通)，符號(hào)、單位Wb (韋伯).,=BScos,如磁場(chǎng)均勻，且磁場(chǎng)與截面垂直，則:,故有:,常用物理量和定律,3. 磁場(chǎng)強(qiáng)度H,是為建立電流與由其產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間的數(shù)量關(guān)系而引入的物理量。 它是指電流i所形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度。 單位：A/m(安培/米)。 方向：與B相同。 大小 :,常用物理量和定律,磁導(dǎo)率,

3、磁導(dǎo)率,反映導(dǎo)磁介質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量。 磁導(dǎo)率越大的物質(zhì)，其導(dǎo)磁性能越好。 單位：H/m(亨利/米),磁導(dǎo)率，決定于介質(zhì)性質(zhì), 變化范圍很大。,真空磁導(dǎo)率,非鐵磁物質(zhì)如空氣、銅、鋁和絕緣材料等，近似等于真空磁導(dǎo)率。,常用物理量和定律,其他導(dǎo)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率通常用0的倍數(shù)來(lái)表示，即：,稱(chēng)為導(dǎo)磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率。鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率為20006000。,鐵磁物質(zhì)如鐵、鎳、鈷及其合金，磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于真空磁導(dǎo)率達(dá)數(shù)千甚至上萬(wàn)倍。通常以相對(duì)磁導(dǎo)率r表示鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率比真空磁導(dǎo)率增大的倍數(shù).,相對(duì)磁導(dǎo)率,常用物理量和定律,磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度均為表征磁場(chǎng)性質(zhì)（即磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向）的兩個(gè)物理量。 由于磁場(chǎng)是電流

4、或者說(shuō)運(yùn)動(dòng)電荷引起的，而磁介質(zhì)（除超導(dǎo)體以外不存在磁絕緣的概念，故一切物質(zhì)均為磁介質(zhì)）在磁場(chǎng)中發(fā)生的磁化對(duì)源磁場(chǎng)也有影響（場(chǎng)的迭加原理）。 因此，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可以有兩種表示方法。,補(bǔ)充B和H的區(qū)別:,常用物理量和定律,在充滿(mǎn)均勻磁介質(zhì)的情況下，若包括介質(zhì)因磁化而產(chǎn)生的磁場(chǎng)在內(nèi)時(shí)，用磁感應(yīng)強(qiáng)度B表示，其單位為特斯拉T，是一個(gè)基本物理量； 單獨(dú)由電流或者運(yùn)動(dòng)電荷所引起的磁場(chǎng)（不包括介質(zhì)磁化而產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)）則用磁場(chǎng)強(qiáng)度H表示，其單位為A/m，是一個(gè)輔助物理量。,在同樣大小的電流作用下，鐵芯線(xiàn)圈與空心線(xiàn)圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度哪個(gè)大？磁場(chǎng)強(qiáng)度哪個(gè)大？,常用物理量和定律,？,磁路：磁通所通過(guò)的路徑. 是以高導(dǎo)磁性材

5、料構(gòu)成的，使磁通被限制在結(jié)構(gòu)所確定的路徑之中的一種結(jié)構(gòu)(和電流在電路中被導(dǎo)體所限制是極為相似)。,二. 磁路的概念,常用物理量和定律,鐵心導(dǎo)磁率遠(yuǎn)大于空氣。 磁力線(xiàn)幾乎被限定在鐵心規(guī)定的路徑中。 鐵心外部的磁力線(xiàn)很少。,主磁通,漏磁通,變壓器的磁路,漏磁通,漏磁通,漏磁通,主磁路：主磁通所通過(guò)的路徑。 漏磁路：漏磁通所通過(guò)的路徑。,勵(lì)磁線(xiàn)圈：用以激勵(lì)磁路中磁通的載流線(xiàn)圈。,勵(lì)磁電流：勵(lì)磁線(xiàn)圈中的電流。,直流:直流磁路 ，例如:直流電機(jī),交流:交流磁路，例如:變壓器,常用物理量和定律,三、磁路的基本定律,1、安培環(huán)路定律,定律內(nèi)容: 沿任何一條閉合磁回路L，磁場(chǎng)強(qiáng)度H 的線(xiàn)積分等于該閉合回線(xiàn)所包

6、圍的電流的代數(shù)和 。,公式:,注：若i與l符合右手螺旋關(guān)系， 取正號(hào)，否則取負(fù)號(hào) 。其中大拇指所指為i的方向，四指為l方向。,常用物理量和定律,設(shè)有向回路 l 與圓環(huán)的中心圓重合，則沿著回線(xiàn) l 磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 處處相等且其方向處處與回線(xiàn)切線(xiàn)方向相同（稱(chēng)為均勻磁場(chǎng)），同時(shí)閉合回線(xiàn)所包圍的總電流由通有電流 i 的 N 匝線(xiàn)圈提供，則：,Ni：作用在磁路上的安匝數(shù)（磁路磁動(dòng)勢(shì)F),單位安匝。,常用物理量和定律,例 有一閉合鐵心磁路，鐵心的截面積A=910-4m2, 磁路的平均長(zhǎng)度 l =0.3m，鐵心的磁導(dǎo)率Fe=50000， 套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組為500匝。試求在鐵心中產(chǎn)生1T的磁通密度時(shí)，需要

7、多少勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁電流？,？,解 : 用安培環(huán)路定律求解如下,常用物理量和定律,2、磁路的基爾霍夫定律,（1）磁路的基爾霍夫第一定律（電流定律）,或,定律內(nèi)容:穿出(或進(jìn)入)任一閉和面的總磁通量恒等于零(或者說(shuō),進(jìn)入任一閉合面的磁通量恒等于穿出該閉合面的磁通量),這就是磁通連續(xù)性定律。,令進(jìn)入閉合面A的磁通為負(fù)，穿出閉合面的磁通為正,公式:,常用物理量和定律,（2）磁路的基爾霍夫第二定律（電壓定律）,定律背景:磁路計(jì)算時(shí)，總是把整個(gè)磁路分成若干段，每段為同一材料、相同截面積，且段內(nèi)磁通密度處處相等，從而磁場(chǎng)強(qiáng)度亦處處相等。,定律內(nèi)容:沿任何閉合磁路的總磁動(dòng)勢(shì)恒等于各段磁路磁位降的代數(shù)和。,公

8、式:,總磁動(dòng)勢(shì),磁位差,常用物理量和定律,3.均勻磁路的歐姆定律,磁通量等于磁通密度乘以面積:,磁場(chǎng)強(qiáng)度等于磁通密度除以磁導(dǎo)率:,于是,可寫(xiě)為：,常用物理量和定律,定律內(nèi)容:作用在磁路上的磁動(dòng)勢(shì)F等于磁路內(nèi)的磁通量乘以磁阻Rm 。, 磁動(dòng)勢(shì)，單位為A；, 磁阻，單位為A/Wb（或H-1），它取決于磁 路的尺寸和磁路所用材料的磁導(dǎo)率；,磁導(dǎo)，磁阻的倒數(shù)，單位為Wb/A（或H）。,公式:,常用物理量和定律,4.載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的安培力（安培定律）,常用物理量和定律,載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的力,左手定則,5.電磁感應(yīng)定律,常用物理量和定律,電磁感應(yīng)：變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，使導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,電流

9、的磁效應(yīng),磁的電效應(yīng),電生磁,？,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),若磁場(chǎng)不變，而導(dǎo)體回路運(yùn)動(dòng)（切割磁場(chǎng)線(xiàn)） 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì),若導(dǎo)體回路靜止，磁場(chǎng)隨時(shí)間變化感生電動(dòng)勢(shì),電機(jī)中,切割電動(dòng)勢(shì),變壓器電動(dòng)勢(shì),切割電動(dòng)勢(shì),常用物理量和定律,右手定則,原理：導(dǎo)體切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,變壓器電動(dòng)勢(shì),常用物理量和定律,原理：和線(xiàn)圈交鏈的磁通隨時(shí)間的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向如何,i),A高X低,ii),A低X高,依據(jù)：愣次定律,？,常用物理量和定律,按右手螺旋關(guān)系規(guī)定正方向,正方向的規(guī)定：,磁通的參考方向朝上,e的正方向從A指向X,右手判定電流方向AX,-,+,i,如何寫(xiě)數(shù)學(xué)表達(dá)式,？,常用鐵磁材料及其特性,鐵心

10、的增磁功能,結(jié)論：鐵心具有增磁功能 。,思考：鐵心環(huán)與塑料環(huán)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度有何區(qū)別？,HFe=H。,常用鐵磁材料及其特性,為了在一定的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)作用下能激勵(lì)較強(qiáng)的磁場(chǎng)，以使電機(jī)和變壓器等裝置的尺寸縮小、重量減輕、性能改善，必須增加磁路的磁導(dǎo)率。當(dāng)線(xiàn)圈的匝數(shù)和勵(lì)磁電流相同時(shí)，鐵心線(xiàn)圈激發(fā)的磁通量要比空心線(xiàn)圈大得多，所以電機(jī)的鐵心常用磁導(dǎo)率較高的鐵磁材料制成。本節(jié)主要對(duì)常用的鐵磁材料及其特性作簡(jiǎn)要介紹。,導(dǎo)言：,常用鐵磁材料及其特性,一、鐵磁物質(zhì)的磁化,鐵磁材料：鐵、鎳、鈷及其合金,磁化：將鐵磁材料放入磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)會(huì)顯著增強(qiáng)。鐵磁材料在外磁場(chǎng)中呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性，此現(xiàn)象稱(chēng)為鐵磁物質(zhì)的磁化。,磁

11、化的原因：鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在著許多很小的被稱(chēng)為磁疇的天然磁化區(qū)。沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)，各個(gè)磁疇排列混亂，磁效應(yīng)互相抵消，對(duì)外不顯示磁性。在外磁場(chǎng)的作用下，磁疇順著外磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，排列整齊，顯示出磁性。,(A)未磁化,(B)磁化,外加磁場(chǎng),H,常用鐵磁材料及其特性,二、磁化曲線(xiàn)和磁滯回線(xiàn),1、起始磁化曲線(xiàn),定義:將一塊尚未磁化的鐵磁材料進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H由零逐漸增大時(shí)，磁通密度B將隨之增大，曲線(xiàn)B=f(H)就稱(chēng)為起始磁化曲線(xiàn).,磁化曲線(xiàn)：磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系。,常用鐵磁材料及其特性,(1)開(kāi)始磁化階段oa段。外磁場(chǎng)較弱，磁通密度增加得不快。,(2)磁通很快增加階段ab段。隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)，

12、大量磁疇開(kāi)始轉(zhuǎn)向，增加很快。,(3)達(dá)到飽和階段bc段?？赊D(zhuǎn)向的磁疇越來(lái)越少，值增加的越來(lái)越慢。這種現(xiàn)象稱(chēng)為飽和。b點(diǎn)稱(chēng)為膝點(diǎn)。,(4)飽和后階段cd段。飽和后磁化曲線(xiàn)基本成為與非鐵磁材料的特性相平行的直線(xiàn)。,分析:,膝點(diǎn),跗點(diǎn),飽和點(diǎn),應(yīng)用: 設(shè)計(jì)電機(jī)和變壓器時(shí)，為使主磁路內(nèi)得到較大的磁通量而又不過(guò)分增大勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，通常把鐵心內(nèi)工作點(diǎn)的磁通密度選擇在膝點(diǎn)附近。,知識(shí)點(diǎn): 鐵磁材料的磁阻隨飽和度增加而增大。,常用鐵磁材料及其特性,常用鐵磁材料及其特性,剩磁：當(dāng)H從零增加到Hm時(shí)，B相應(yīng)地從零增加到Bm；然后再逐漸減小H，B值將沿曲線(xiàn)ab下降。當(dāng)H=0 時(shí)，B值并不等于零，而是Br。這就是剩磁。

13、,磁滯回線(xiàn)：當(dāng)H在Hm和 Hm 之間反復(fù)變化時(shí)，呈現(xiàn)磁滯 現(xiàn)象的BH閉合曲線(xiàn)，稱(chēng)為 磁滯回線(xiàn)。,2、磁滯回線(xiàn),常用鐵磁材料及其特性,矯頑力：要使值從Br減小到零，必須加上相應(yīng)的反向外磁場(chǎng)。此反向外磁場(chǎng)強(qiáng)度稱(chēng)為矯頑力，用H表示。,磁滯：鐵磁材料所具有的磁通密度的變化滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的現(xiàn)象，叫做磁滯。,磁滯現(xiàn)象是鐵磁材料的另一個(gè)特性。Br和H是鐵磁材料的兩個(gè)重要參數(shù)。,常用鐵磁材料及其特性,定義:對(duì)同一鐵磁材料，選擇不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行反復(fù)磁化，可得一系列大小不同的磁滯回線(xiàn),再將各磁滯回線(xiàn)的頂點(diǎn)聯(lián)接起來(lái)，所得的曲線(xiàn)。,3、基本磁化曲線(xiàn),磁路計(jì)算時(shí)所用的磁化 曲線(xiàn)都是基本磁化曲線(xiàn)。,幾種常見(jiàn)磁性物質(zhì)

14、的磁化曲線(xiàn),a 鑄鐵 b 鑄鋼 c 硅鋼片,O,0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0103,H/(A/m),H/(A/m),1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 103,B/T,a,b,a,c,常用鐵磁材料及其特性,三、鐵磁材料,1、軟磁材料,定義: 磁滯回線(xiàn)窄、剩磁和矯頑力都很小的材料。,常用軟磁材料: 鑄鐵、鑄鋼和硅鋼片等。,2、硬磁材料,定義: 磁滯回線(xiàn)寬、剩磁和矯頑力都很大的鐵磁材料稱(chēng)為硬磁材料，由于剩磁較大，可用以制成永久磁鐵。故又稱(chēng)為永磁材料。,軟磁材料的磁導(dǎo)率較高,故用以制造電機(jī)和變壓器的鐵心。,常見(jiàn)的有鋁鎳鈷、鐵氧體、稀土鈷、釹鐵硼

15、等 。,常用鐵磁材料及其特性,軟磁材料,硬磁材料,常用鐵磁材料及其特性,四、鐵心損耗 1磁滯損耗 定義: 鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中時(shí)，磁疇相互間不停地摩擦、消耗能量、造成損耗，這種損耗稱(chēng)為磁滯損耗。 公式: 應(yīng)用:由于硅鋼片磁滯回線(xiàn)的面積較小，故電機(jī)和變壓器的鐵心常用硅鋼片疊成。,常用鐵磁材料及其特性,2渦流損耗 渦流:當(dāng)通過(guò)鐵心的磁通隨時(shí)間變化時(shí),根據(jù)電磁感應(yīng)定律,鐵心中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),并引起環(huán)流,環(huán)流在鐵心內(nèi)部圍繞磁通作旋渦狀流動(dòng) 稱(chēng)為渦流。 定義:渦流在鐵心中引起的損耗。 公式: 應(yīng)用:為減小渦流損耗，電機(jī)和變壓器的鐵心都用含硅量較高的薄硅鋼片疊成。,硅鋼片中的渦流,B,常用鐵磁材料及其

16、特性,3鐵心損耗 定義: 鐵心中磁滯損耗和渦流損耗之和。 表達(dá)式:,鐵心損耗與頻率的1.3次方、磁通密度的平方和鐵心重量成正比。,小結(jié),電流表示帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，它通過(guò)電阻時(shí)的功率損耗為I2R；磁通不代表質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，2Rm也不代表功率損耗。 自然界存在著良好的對(duì)電流絕緣的材料，但尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)磁通絕緣的材料。磁路中沒(méi)有“斷路”的情況，即不存在有磁動(dòng)勢(shì)而無(wú)磁通的現(xiàn)象。,小結(jié),空氣也是導(dǎo)磁的，磁路中存在著漏磁的現(xiàn)象。 含有鐵磁材料的磁路幾乎都是非線(xiàn)性的。一般地，磁路問(wèn)題是非線(xiàn)性問(wèn)題，磁阻的概念和磁路歐姆定律只有在磁路中各段的材料都是線(xiàn)性的或可以作為線(xiàn)性處理時(shí)才能適用。在精確的磁路計(jì)算中不用磁阻和磁路歐姆定律，而是直接用全電流定律和各段材料的B-H曲線(xiàn)。,小結(jié),簡(jiǎn)單磁路的計(jì)算,（注:不計(jì)漏磁影響，僅有一個(gè)磁回路的無(wú)分支磁路 .）,例 鐵心由鑄鋼和空氣隙構(gòu)成，截面積AFe=3310-4m2 ，磁路平均長(zhǎng)度lFe=0