1、電工技術(shù)第四章 磁場與磁路4-1 磁的基本知及電流的磁場一、磁的基本知識（1）磁性：能吸引鐵、鈷、鎳等金屬或它們的合金的 性質(zhì)。（2）磁體：具有磁性的物體。 （3）磁極：磁體上磁性最強(qiáng)的部位。 S表示磁體的南極，N表示磁體的北極。 磁極間相互作用的規(guī)律：同性相斥，異性相吸。（4）磁力：磁極間的相互作用力。（5）磁場：磁極周圍存在的一種無形無質(zhì)（質(zhì)量） 的特殊物質(zhì)，它具有力和能的特性。（6）磁感線：為形象描述磁場的強(qiáng)弱和方向而引入 的假想線。 （a） （b） 圖4-1-1 條形磁鐵的磁場分布磁感線特點 磁感線是互不交叉的閉合曲線，在磁體外部由N極指向S極，在磁體內(nèi)部由S極指向N極。 磁感線上任意

2、一點的切線方向，就是該點的磁場方向（即小磁針N極的指向）。 磁場的強(qiáng)弱可用磁感線的疏密表示，磁感線密的地方磁場強(qiáng)，疏的地方磁場弱。磁感線均勻分布而又相互平行的區(qū)域稱為勻強(qiáng)磁場，反之稱為非勻強(qiáng)磁場。二、電流的磁場電流的磁效應(yīng)： 通電導(dǎo)體周圍存在磁場，這種現(xiàn)象叫作電流的磁效應(yīng)。右手螺旋法則 電流與其產(chǎn)生磁場的方向可用右手螺旋法則來判斷。 右手螺旋法則既適用于判斷電流產(chǎn)生的磁場方向，也適用于在已知磁場方向時判斷電流的方向。一般可分兩種情況使用：1. 通電長直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場方向右手握住導(dǎo)線并把拇指伸開，用拇指指向電流方向，那么四指環(huán)繞的方向就是磁場方向（磁感線方向），如圖4-1-2所示。 圖4-1-2

3、 通電長直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場方向2. 通電螺線管產(chǎn)生的磁場方向右手握住螺線管并把拇指伸開，彎曲的四指指向電流方向，拇指所指方向就是磁場的北極（N極）方向，如圖4-1-3所示。 圖4-1-3 通電螺線管產(chǎn)生的磁場方向4-2 磁場的基本物理量用磁感線描述磁場，具有形象、直觀的特點，但只能進(jìn)行定性分析。若要定量解決磁場問題，需要引入磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通等物理量。一、磁感應(yīng)強(qiáng)度 圖4-2-1 通電導(dǎo)體在磁場中受力示意圖1.概念 磁感應(yīng)強(qiáng)度B是一個表示磁場中任意一點磁場的強(qiáng)弱與方向的物理量。其方向與磁感線方向相同。2.公式 磁場中某點磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小式中 F通電導(dǎo)體在磁場中受到的電磁力，單位牛頓（N）。 I導(dǎo)體

4、中的電流，單位安培（A）。 L導(dǎo)體在磁場中的有效長度，單位米（m）。 B勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位是特斯拉（T）。3.勻強(qiáng)磁場 若磁場中各點的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等，方向相同，則該磁場叫作勻強(qiáng)磁場。在勻強(qiáng)磁場中，磁感線是平行、等距的一系列直線。4.規(guī)定 用符號“ ”和“”分別表示電流或磁感線垂直進(jìn)入和流出紙面的方向。二、磁 通概念 磁通是描述磁場在某一范圍內(nèi)分布情況的物理量叫作磁通，以字母 表示。公式 磁感應(yīng)強(qiáng)度B和與它垂直的某一截面面積S的乘積，叫作通過該截面的磁通。在勻強(qiáng)磁場中，B是常數(shù)，則磁通的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 BS式中 B 勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位特斯拉（T）。 S 與B垂直的某一截面面積

5、，單位是 。 通過該面積的磁通，單位是韋伯（Wb）。勻強(qiáng)磁場中B與 的關(guān)系通常也定義： 通過垂直于磁場方向上某一截面的磁感線數(shù)叫作磁通。 此式說明： 磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小就是單位面積上垂直穿過的磁通。所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度又叫作磁通密度。 注意：上式只適用于勻強(qiáng)磁場，而且截面一定要垂直于磁感線。三、磁導(dǎo)率 圖4-2-2 磁介質(zhì)對磁場強(qiáng)弱的影響從上述實驗可以看出 螺線管產(chǎn)生的磁場強(qiáng)弱，不但與電流、匝數(shù)有關(guān)，而且與置于磁場中磁介質(zhì)的材料有密切的關(guān)系。 為表征介質(zhì)材料的導(dǎo)磁性能，我們引入磁導(dǎo)率這個物理量。 磁導(dǎo)率 1.概念 磁導(dǎo)率是用來表示物質(zhì)對磁場影響程度的 物理量，也就是衡量物質(zhì)導(dǎo)磁性能強(qiáng)弱的物理量。其單

6、位是亨/米（H/m）。 不同的物質(zhì)，磁導(dǎo)率各不相同。在同樣的線圈中通入同樣大小的電流時，介質(zhì)材料的值越大，則產(chǎn)生的磁場越強(qiáng)。 2.真空中的磁導(dǎo)率 真空中的磁導(dǎo)率是個常數(shù)，用0表示。由實驗測得 0 H/m 3.相對磁導(dǎo)率 以真空中的磁導(dǎo)率0為基準(zhǔn)，將其他物質(zhì)的磁導(dǎo)率與0比較，其比值叫作相對磁導(dǎo)率，用r表示，即相對磁導(dǎo)率r沒有量綱。它的物理意義是：在其他條件相同的情況下，存在于某種介質(zhì)材料中的磁場，其磁感應(yīng)強(qiáng)度是存在于真空中的多少倍。4.物質(zhì)分類 根據(jù)各種物質(zhì)磁導(dǎo)率的大小，可將物質(zhì)分為三類。1) 順磁物質(zhì) 相對磁導(dǎo)率r略大于1。 2)反磁物質(zhì) 相對磁導(dǎo)率r略小于1。3) 鐵磁物質(zhì) 相對磁導(dǎo)率r遠(yuǎn)大

7、于1。 四、磁場強(qiáng)度1.概念 磁場中某點的磁場強(qiáng)度，其大小等于該點磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與介質(zhì)材料磁導(dǎo)率的比值，即式中 B磁場中某點的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位T。 磁場中介質(zhì)材料的磁導(dǎo)率，單位H/m。 H磁場中該點的磁場強(qiáng)度，單位是A/m。2.通電螺線管內(nèi)部的磁場強(qiáng)度 圖4-2-3 通電螺線管的磁場如果螺線管的匝數(shù)為N，長度為L，通電電流為I，其內(nèi)部的磁場強(qiáng)度為：上式說明： 磁場強(qiáng)度H與介質(zhì)無關(guān)（只與電流產(chǎn)生的磁場有關(guān)），而磁感應(yīng)強(qiáng)度B卻與介質(zhì)有關(guān)。 通電螺線管產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的方向，可用右手螺旋定則來判斷。4-3 磁性材料的磁性能一、鐵磁物質(zhì)的磁化 將鐵磁物質(zhì)（如鐵、鈷、鎳等）置于磁場中，會大大加強(qiáng)原磁場。

8、這是由于鐵磁物質(zhì)會在外加磁場的作用下，產(chǎn)生一個與外磁場同方向的附加磁場，正是這個附加磁場促使了總磁場的加強(qiáng)。 鐵磁物質(zhì)在外磁場作用下會呈現(xiàn)磁性的這種現(xiàn)象，稱作鐵磁物質(zhì)被“磁化”。 （a） （b） 圖4-3-1 鐵磁物質(zhì)磁化示意圖鐵磁物質(zhì)具有很強(qiáng)的磁化作用，說明： 鐵磁材料具有“高導(dǎo)磁性”。鐵磁物質(zhì)的其相對磁導(dǎo)率r可達(dá) ， 因而，它是制造電磁鐵、變壓器、電機(jī)等的主要材料。二、磁化曲線 鐵磁物質(zhì)在磁化過程中的B與H之間的關(guān)系曲線稱為磁化曲線，又叫B-H曲線。 （a） （b） 圖4-3-2 磁化曲線測量電路和磁化曲線磁化曲線大致可分成四段，各段反映了鐵磁材料在磁化過程中的性質(zhì)。 （1）Oa段： 曲線

9、變化較緩慢，當(dāng)H增加時，B增大較慢。這說明磁疇有慣性，較弱的外磁場不能使它轉(zhuǎn)為有序排列。 （2）ab段： 此段可以近似看成是一段斜率較大的直線，只要H略有增加，B相應(yīng)地快速增加。這說明原來不規(guī)則排列的磁疇，在外磁場的作用下，迅速沿外磁場的方向排列，所以B增加很快。鐵磁材料這時的相對磁導(dǎo)率r是很大的。 （3）bc段： 此段的斜率明顯減小，即隨著H的加大，B增大緩慢。這是由于絕大部分磁疇這時已轉(zhuǎn)向為外磁場方向，所以B增大的空間不大。b點附近叫作B-H曲線的膝部。在膝部可以用較小的電流（較小的H），獲得較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，所以電機(jī)、變壓器的鐵心常設(shè)計在膝部工作，以便用小電流產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場。（4）d點

10、后： 隨著H加大，B幾乎不再增大。這是由于幾乎所有磁疇都已轉(zhuǎn)向為外磁場方向，即使H加大，附加磁場也不可能再增大。這個現(xiàn)象叫鐵磁物質(zhì)的磁飽和，d點以后的區(qū)域叫飽和區(qū)。這時，鐵磁材料的磁導(dǎo)率降低到近似等于0。磁化曲線是非線性的說明了：（1）鐵磁材料具有“磁飽和性” 。 表現(xiàn)在磁感應(yīng)強(qiáng)度B不會隨磁場強(qiáng)度H的增強(qiáng)而無限增強(qiáng)，當(dāng)磁場強(qiáng)度H增大到一定值時，磁感應(yīng)強(qiáng)度就不再增大。 （2）鐵磁材料的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，它會隨磁飽和程度的增大而減小。三、磁滯回線磁化曲線只反映了鐵磁物質(zhì)在外磁場（H）由零逐步增加時的磁化過程。在很多實際應(yīng)用中，外磁場（H）的大小和方向是不斷變化的，即鐵磁性物質(zhì)受到交變磁化（反復(fù)磁化）

11、。實驗表明，交變磁化時的B-H曲線如圖4-3-3所示，這是一個回線，稱為磁滯回線。磁滯回線它表明 鐵磁材料具有“磁滯性”，因為B 的變化總是滯后于H的變化。 圖4-3-3 磁滯回線四、鐵磁性材料的分類（a）硬磁材料 （b）軟磁材料 （c）矩磁材料 圖4-3-4 三類鐵磁材料的磁滯回線1. 硬磁材料硬磁材料的特點是需要較強(qiáng)的外磁場才能使其磁化，但一經(jīng)磁化，就不易退磁。反映在磁滯回線上是剩磁較大，矯頑力較大，磁滯回線較寬，如圖4-3-3（a）所示。這類材料在磁化后能保持很強(qiáng)的剩磁，適宜制作永久磁鐵。常用的硬磁材料有鐵鎳鈷合金、鎳鋼、鈷鋼、鎳鐵氧體等。在磁電式儀表、揚(yáng)聲器、永磁發(fā)電機(jī)等設(shè)備中所用的永

12、磁鐵就是用硬磁材料制作的。2. 軟磁材料磁材料的特點是比較容易磁化，但撤去外磁場后，磁性大部分消失。反映在磁滯回線上是剩磁很小，矯頑力很小，磁滯回線窄而陡，如圖4-3-3（b）所示。軟磁材料又可按用途分為低頻和高頻兩類。常用的低頻軟磁材料有硅鋼、坡莫合金等，電機(jī)、變壓器等各種電力設(shè)備中的鐵心多用硅鋼片制成，錄音機(jī)中的磁頭鐵心多用坡莫合金制成；常用的高頻軟磁材料有鐵氧體等，如收音機(jī)中的磁棒、無線電設(shè)備中的中周變壓器鐵心，都是用鐵氧體制成的。3. 矩磁材料矩磁材料的特點是只要在很小的外磁場作用下，就能被磁化，并且達(dá)到磁飽和；當(dāng)撤掉外磁場后，磁性仍然保持與磁飽和狀態(tài)相同。反映在磁滯回線上是一條矩形閉

13、合曲線，所以稱為矩磁材料，如圖4-3-3（c）所示。目前使用較多的矩磁材料是錳-鎂鐵氧化體、鋰-錳鐵氧體。矩磁材料可用來制造計算機(jī)中存儲元件的環(huán)形磁心。五、磁滯損耗在交流電的作用下，鐵心中的磁疇不斷地改變轉(zhuǎn)向，引起能量損耗。在一般的電力設(shè)備中，因為磁場是交變的，所以在每個交變周期中都要消耗能量。這種能量消耗主要表現(xiàn)為鐵磁材料中的熱損耗，也被稱為磁滯損耗。磁滯損耗Ph由下式給出： 式中 k為磁滯系數(shù)；V為鐵心的體積；n為施泰因梅茨指數(shù)，取值范圍為1.62.2，典型值為1.7；f為產(chǎn)生磁通的交流電頻率；Bm為材料的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度。4-4 磁路及磁路歐姆定律一、磁 路 由鐵心制成的使磁通集中通過的閉

14、合路徑稱 “磁路”。（a）電磁鐵的磁路 （b）變壓器的磁路 （c）直流電機(jī)的磁路 圖4-4-1 幾種常見的磁路二、磁路歐姆定律 圖4-4-2 無分支磁路圖4-4-2所示是簡單的無分支磁路，設(shè)：繞在鐵心上的線圈匝數(shù)為N，通以恒定電流I，鐵心橫截面面積為S，磁路的平均長度為L。由 得 令 則 磁路歐姆定律 磁路中的磁通與磁通勢Fm成正比，與磁阻Rm成反比。即式中： 磁通勢FmNI，是產(chǎn)生磁通的原動力，單位（A）。它相當(dāng)于 電路中的電動勢。 磁阻 ，單位為 。它表征鐵磁材料對磁通的 阻力，相當(dāng)于電路中的電阻。 磁阻的大小只與磁路的尺寸（L、S）及物質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。4-5 磁場對電流的作用一、磁場對通

15、電直導(dǎo)體的作用 （a） （b） （c） 圖4-5-1 通電直導(dǎo)體在磁場中受力分析1.通電直導(dǎo)體在磁場中受電磁力的大?。?FBILsin 2.通電直導(dǎo)體在磁場中受電磁力的方向： 用左手定則來判定。3.左手定則 左手定則：伸出左手，讓拇指和其余四指垂直，使磁感線垂直穿過掌心，則四指指向電流方向，拇指指向就是直導(dǎo)體所受電磁力的方向。電流、磁感線和通電直導(dǎo)體受力方向，三者互成直角。 圖4-5-2 左手定則二、平行通電導(dǎo)體間的相互作用力當(dāng)兩根平行通電導(dǎo)體中的電流方向相同時，導(dǎo)體就相互吸引；電流方向相反時，導(dǎo)體就相互排斥。 （a） （b） 圖4-5-3 平行通電導(dǎo)體間的相互作用力發(fā)電廠和變電所的母線（匯流

16、排）就是這種互相平行的通電導(dǎo)體?；ハ嗥叫械膬膳呕蛉拍妇€之間，經(jīng)常作用著推力或吸力，當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時，電流可增大到正常時的幾十倍，這時兩排母線間的作用力極大，會使母線受損。為此，每間隔一定距離就需安一個支持母線的絕緣子，這樣可以提高母線的機(jī)械強(qiáng)度。三、磁場對通電矩形線圈的作用 （a）主視圖 （b）俯視圖 圖4-5-4 磁場對通電矩形線圈的作用線圈在力偶矩的作用下，繞轉(zhuǎn)軸EF轉(zhuǎn)動。引起線圈轉(zhuǎn)動的力偶矩，其大小為 MBISsin （Nm）如果線圈的匝數(shù)為N，則總力偶矩為 MNBISsin （Nm）說明： 兩個力的大小相等，方向相反，但不作用在一條直線上，這樣的一對力稱為“力偶”?！傲ε季亍钡扔?/p>

17、其中任何一個力的大小與兩力作用線之間的垂直距離（力偶臂）的乘積，它決定了力偶的轉(zhuǎn)動效應(yīng)。本章小結(jié)一、電流的磁效應(yīng) 通電導(dǎo)體周圍存在著磁場，電流與其所產(chǎn)生磁場的方向可用右手螺旋法則來判斷。 1. 通電長直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場方向 右手握住導(dǎo)線并把拇指伸開，用拇指指向電流方向，那么四指環(huán)繞的方向就是磁場方向（磁感線方向）。 2. 通電螺線管產(chǎn)生的磁場方向 右手握住螺線管并把拇指伸開，彎曲的四指指向電流方向，拇指所指方向就是磁場的N極方向。二、描述磁場的基本物理量 1. 磁感應(yīng)強(qiáng)度B 磁感應(yīng)強(qiáng)度B表示磁場中任意一點磁場的強(qiáng)弱與方向。其方向與磁感線方向相同，磁場中某點磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小 (T) 2. 磁通 磁

18、感應(yīng)強(qiáng)度B和與它垂直的某一截面面積S的乘積， 叫作通過該截面的磁通。 在勻強(qiáng)磁場中，B是常數(shù)，則磁通的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 BS (Wb)3. 磁導(dǎo)率 磁導(dǎo)率是用來表示物質(zhì)對磁場影響程度的物理量，也就是衡量物質(zhì)導(dǎo)磁性能強(qiáng)弱的物理量。其單位是H/m。 相對磁導(dǎo)率 其他物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空中的磁導(dǎo)率0的比值，即r =4. 磁場強(qiáng)度H 磁場中某點的磁場強(qiáng)度的大小為 H A/m， 通電螺線管中的磁場強(qiáng)度的大小為 H A/m 三、鐵磁材料的磁性能 1. 高導(dǎo)磁性 2. 磁飽和性 3. 磁滯性 4.鐵磁性材料分類：硬磁材料、軟磁材料、矩磁材料。 四、磁路歐姆定律 1. 磁 路 由鐵心制成使磁通集中通過的閉合路徑稱為磁路。 2. 磁路歐姆定律 磁路