电磁学基础知识

第三章电磁学基础3.2铁磁性材料3.5变压器3.6点火线圈与汽车传统点火系统的工作过程3.1磁场与电磁感应3.3磁路基本定律3.4含有铁心线圈交流电路本章要求：第三章电磁学基础1）了解磁场的四个基本物理量和电磁感应概念。2）了解铁磁性材料特性及其应用。3）理解磁路欧姆定律和磁路的基尔霍夫定律。4）了解变压器的基本结构，掌握变压器的基本工作原理。5）了解点火线圈与汽车传统点火系统的工作过程。6）了解电磁铁的工作特性。3.1.1电磁学的基本物理量表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。大小:方向:与电流的方向之间符合右手螺旋定则。lIFB单位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场，也称匀强磁场。3.1磁场与电磁感应1、磁感应强度B2、磁通磁通：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。说明:如果不是均匀磁场，则取B的平均值。在均匀磁场中=BS或B=/S磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。磁通的单位:韦[伯](Wb)1Wb=1V·s3、磁导率μ磁导率μ来表示物质的导磁性能。μ的单位是H/m(亨/米）。注意真空的磁导率为常数，用0表示，有：H/m10π470相对磁导率r：任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值。0r不同的介质，磁导率µ也不同。磁导率值大的材料，导磁性能好。磁导率与真空磁导率近似相等，即r≈1。如空气、木材、纸、铝等。注意铁磁性物质的磁导率µ是个变量，它随磁场的强弱而变化。材料分类：非磁性材料铁磁性材料磁导率远远大于真空磁导率，即r1，可达到几百到上万。材料如铁、钴、镍及其合金等。所以电器设备如变压器、电机都将绕组套装在铁磁性材料制成的铁心上。7.1.3磁场强度磁场强度H：介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率之比。BH磁场强度H的单位：安培/米（A/m)磁场强度的大小取决于电流的大小、载流导体的形状及几何位置，而与磁介质无关。H和B同为矢量。H的方向就是该点B的方向。在后面学到的磁路问题中，常常用到磁场强度这个物理量。任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。式中：是磁场强度矢量沿任意闭合线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；lHdI是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。安培环路定律电流正负的规定：IlHd3.1.4安培环路定律（全电流定律）I1HI2安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。在均匀磁场中Hl=INlINH或3.1.2电磁感应1、电磁感应定律在1831年英国科学家法拉第发现：，变化的磁场能使闭合的回路产生感应电动势和感应电流。感应电动势的大小正比于回路内磁通对电流的变化率。1833年，楞次对法拉第电磁感应定律进行补充：闭合回路中感应电流的方向，总是使它所产生的磁场阻碍引起感应电流的原磁通的变化。这就是楞次定律。法拉第电磁感应定律：楞次定律：具体地说，如果回路由于磁通增加而引起的电磁感应，则感应电流的磁场与原来的磁场反向；如果回路由于磁通减少引起电磁感应，则感应电流的磁场与原来的磁场相同。简要地说，感应电流总是阻碍原磁通的变化。法拉第电磁感应定律和楞次定律分别从大小和方向两方面阐述了感应电动势与磁通的关系。dtdedtddtNddtdNe)(0dtde为了便于分析、表达感应电动势，通常设定感应电动势与磁通的参考方向符合右螺旋关系，则电磁感应定律可用下式表达：对于一匝线圈由电磁感应所产生的感应电动势为:式中，磁通的单位为Wb；时间的单位为S；电动势的单位为V。若线圈匝数为N匝，每匝线圈内穿过的磁通为φ，则与此线圈相交链的总磁通称为磁链，用ψ表示,即（１）式（１）不仅表明了感应电动势的大小，而且可以表明其方向。此时线圈的感应电动势为Φe(t)dtde2、自感L当闭合线圈通电流，就会产生磁场，那么当电流交变，就会使磁场交变，从而在线圈自身产生感应电动势，这种现象称为自感现象，这种电动势称为自感电动势eL。电流通过线圈时产生的磁链ψ与电流i在大小上成正比，为了便于分析、计算，引入一个参数L，称为线圈的自感系数，即LiN式中，ψ为磁链；L为自感系数，简称为电感或自感。通常选择磁链ψ与电流i在方向上满足右手螺旋定则。假设线圈中的电阻等于零（由无电阻的导线绕制而成），那么这个线圈就称之为电感元件，显然它是一个理想元件。()LddLidieLdtdtdt当自感系数L为一个常数，即不随磁链ψ与电流I的改变而改变，这种电感元件称为线性电感元件，否则即为非线性电感元件。式（1）与式（2）是电动势的两种表达式，（2）一般当电感L为常数时，多采用式（2）。而分析非线性电感时，由于L可变，一般采用式（1）。注意若为线性电感元件对于铁心线圈来说，电感L不为常数。非线性电感dtdiLeu3、电感元件上电压与电流的关系习惯上选择电感元件上的电流、电压、自感电动势三者参考方向一致，则在直流电路中，由于电流变化率为零，所以电感电压等于零，电感元件相当于短路。电感的欧姆定律注意3.2铁磁性材料3.2.1高导磁性磁性材料的磁导率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可达2105)。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。3.2.2磁饱和性BJ磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线；B0磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线；BBJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的B-H磁化曲线。OHBB0BJB•a•b磁化曲线磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。B-H磁化曲线的特征：Oa段：B与H几乎成正比地增加；ab段：B的增加缓慢下来；b点以后：B增加很少，达到饱和。OHBB0BJB•a•b有磁性物质存在时，B与H不成正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。有磁性物质存在时，与I不成正比。磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。OHB,B磁化曲线B和与H的关系3.2.3磁滞性磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。磁滞回线OHB••••BrHc剩磁感应强度Br(剩磁)：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。矫顽磁力Hc：使B=0所需的H值。磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。几种常见磁性物质的磁化曲线a铸铁b铸钢c硅钢片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。(2)永磁材料具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。3.3磁路基本定律3.3.1磁路的概念在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路。+–NIfNSS直流电机的磁路交流接触器的磁路磁路：主磁通所经过的闭合路径。1u2uis线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。sΦΦ：主磁通：漏磁通线圈铁心变压器的磁路3.3.2磁路的基尔霍夫第一定律对于有分支磁路，其分支汇集处称为磁路的节点，磁路的任意节点所连接的各分支磁路的代数和等于零。01I1N132N2I20321即：HLNI在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：磁路长度L线圈匝数NIHL：称为磁位差。NI：称为磁动势。一般用F表示。F=NI3.3.3磁路的基尔霍夫第二定律HLNI总磁动势在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，总磁动势等于各段磁位差之和。00lHIHNI例：INl0l对于均匀磁路LSLBHLNI磁路中的欧姆定律3.3.4磁路的欧姆定律则：mRLSNIFINSL注：由于磁性材料是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性分析，不做定量计算。SLRm令：Rm称为磁阻l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积；为磁导率。磁通势磁路和电路的比较（一）磁路电路磁通ΦINΦI磁压降HL磁动势INF电动势电流电压降UEIR+_EU基本定律mRF磁阻SlRm磁感应强度SΦB基尔霍夫定律HLNI0磁路INΦ欧姆定律电阻电流强度基尔霍夫定律0IUEREISlRSIJ磁路与电路的比较(二)电路R+_EI3.4交流铁心线圈电路3.4.1电磁关系–+e–+e+–uNiu(Ni)iσddtΦNetΦNeσσdd（磁通势）主磁通：通过铁心闭合的磁通。漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。tiLσdd线圈铁心i，铁心线圈的漏磁电感常数iNΦLσσ与i不是线性关系。2.4.2电压电流关系根据KVL:+––+–+eeuNieeRiuσ式中：R是线圈导线的电阻L是漏磁电感)(ddetiLRiσ当u是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：)()(σEEIRU)(jσEIXIR设主磁通则t,sinm)sin(ddddmttNtNetNcosm)90t(sin2mπfN)90(sinmtE有效值mmm444222fN.fNEE由于线圈电阻R和感抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小，与主磁电动势E相比可忽略，故有EU(V)444444mmSfNB.fN.EU式中：Bm是铁心中磁感应强度的最大值，单位[T]；S是铁心截面积，单位[m2]。)(jσEIXIRU2.4.3电磁铁1.概述电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动。根据使用电源类型分为：直流电磁铁：用直流电源励磁；交流电磁铁：用交流电源励磁。2.基本结构电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的结构如图所示。铁心衔铁衔铁有时是机械零件、工件充当衔铁FFFF线圈线圈衔铁铁心线圈铁心3.电磁铁吸力的计算电磁铁吸力的大小与气隙的截面积S0及气隙中的磁感应强度B0的平方成正比。基本公式如下：N8100207SBFπ式中：B0的单位是特[斯拉]；S0的单位是平方米；F的单位是牛[顿]（N）。直流电磁铁的吸力直流电磁铁的吸力依据上述基本公式直接求取。交流电磁铁的吸力交流电磁铁中磁场是交变的，设tsinm0BB式中：81002m7mSBFπ为吸力的最大值。吸力的波形:吸力平均值为:[N]161021