1、電磁學基本知識,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)偉大的物理學家、化學家、19世紀最偉大的實驗大師。右圖為法拉第用過的螺繞環(huán),電磁學基本知識,導言： 100多年前，人們從電磁現(xiàn)象出發(fā)，總結出系統(tǒng)的電磁理論。一個最直接的產品就是電機。電磁理論是研究電場、磁場、機械運動之間關系的學問。 電機中總存在磁場、電流、作用力。,常用物理量和定律,一. 磁場的幾個常用物理量,磁感應強度（又稱磁通密度）B 表征磁場強弱及方向的物理量。單位：T(特斯拉) 、Wb/m2 。,B是矢量，既有大小，又有方向: 用磁力線上每點的切線方向規(guī)定B的方向 用磁力線的疏密程度表示

2、B的大小,磁力線,(1)磁感應線的回轉方向和電流方向之間的關系遵守右手螺旋法則. (2)磁場中的磁感應線不相交，每點的磁感應強度的方向確定唯一. (3)載流導線周圍的磁感應線都是圍繞電流的閉合曲線.,常用物理量和定律,2. 磁通量（磁通）,垂直通過磁場中某一面積的磁力線數(shù)稱為通過該面積的磁通量(磁通)，符號、單位Wb (韋伯).,=BScos,如磁場均勻，且磁場與截面垂直，則:,故有:,常用物理量和定律,3. 磁場強度H,是為建立電流與由其產生的磁場之間的數(shù)量關系而引入的物理量。 它是指電流i所形成的磁場強度。 單位：A/m(安培/米)。 方向：與B相同。 大小 :,常用物理量和定律,磁導率,

3、磁導率,反映導磁介質導磁性能的物理量。 磁導率越大的物質，其導磁性能越好。 單位：H/m(亨利/米),磁導率，決定于介質性質, 變化范圍很大。,真空磁導率,非鐵磁物質如空氣、銅、鋁和絕緣材料等，近似等于真空磁導率。,常用物理量和定律,其他導磁介質的磁導率通常用0的倍數(shù)來表示，即：,稱為導磁介質的相對磁導率。鐵磁材料的相對磁導率為20006000。,鐵磁物質如鐵、鎳、鈷及其合金，磁導率遠大于真空磁導率達數(shù)千甚至上萬倍。通常以相對磁導率r表示鐵磁物質的磁導率比真空磁導率增大的倍數(shù).,相對磁導率,常用物理量和定律,磁場強度和磁感應強度均為表征磁場性質（即磁場強弱和方向）的兩個物理量。 由于磁場是電流

4、或者說運動電荷引起的，而磁介質（除超導體以外不存在磁絕緣的概念，故一切物質均為磁介質）在磁場中發(fā)生的磁化對源磁場也有影響（場的迭加原理）。 因此，磁場的強弱可以有兩種表示方法。,補充B和H的區(qū)別:,常用物理量和定律,在充滿均勻磁介質的情況下，若包括介質因磁化而產生的磁場在內時，用磁感應強度B表示，其單位為特斯拉T，是一個基本物理量； 單獨由電流或者運動電荷所引起的磁場（不包括介質磁化而產生的磁場時）則用磁場強度H表示，其單位為A/m，是一個輔助物理量。,在同樣大小的電流作用下，鐵芯線圈與空心線圈的磁感應強度哪個大？磁場強度哪個大？,常用物理量和定律,？,磁路：磁通所通過的路徑. 是以高導磁性材

5、料構成的，使磁通被限制在結構所確定的路徑之中的一種結構(和電流在電路中被導體所限制是極為相似)。,二. 磁路的概念,常用物理量和定律,鐵心導磁率遠大于空氣。 磁力線幾乎被限定在鐵心規(guī)定的路徑中。 鐵心外部的磁力線很少。,主磁通,漏磁通,變壓器的磁路,漏磁通,漏磁通,漏磁通,主磁路：主磁通所通過的路徑。 漏磁路：漏磁通所通過的路徑。,勵磁線圈：用以激勵磁路中磁通的載流線圈。,勵磁電流：勵磁線圈中的電流。,直流:直流磁路 ，例如:直流電機,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,定律內容: 沿任何一條閉合磁回路L，磁場強度H 的線積分等于該閉合回線所包

6、圍的電流的代數(shù)和 。,公式:,注：若i與l符合右手螺旋關系， 取正號，否則取負號 。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,設有向回路 l 與圓環(huán)的中心圓重合，則沿著回線 l 磁場強度 H 處處相等且其方向處處與回線切線方向相同（稱為均勻磁場），同時閉合回線所包圍的總電流由通有電流 i 的 N 匝線圈提供，則：,Ni：作用在磁路上的安匝數(shù)（磁路磁動勢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, 磁路的平均長度 l =0.3m，鐵心的磁導率Fe=50000， 套裝在鐵心上的勵磁繞組為500匝。試求在鐵心中產生1T的磁通密度時，需要

7、多少勵磁磁動勢和勵磁電流？,？,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,定律內容:穿出(或進入)任一閉和面的總磁通量恒等于零(或者說,進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。,令進入閉合面A的磁通為負，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:磁路計算時，總是把整個磁路分成若干段，每段為同一材料、相同截面積，且段內磁通密度處處相等，從而磁場強度亦處處相等。,定律內容:沿任何閉合磁路的總磁動勢恒等于各段磁路磁位降的代數(shù)和。,公

8、式:,總磁動勢,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:,磁場強度等于磁通密度除以磁導率:,于是,可寫為：,常用物理量和定律,定律內容:作用在磁路上的磁動勢F等于磁路內的磁通量乘以磁阻Rm 。, 磁動勢，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率；,磁導，磁阻的倒數(shù)，單位為Wb/A（或H）。,公式:,常用物理量和定律,4.載流導體在磁場中的安培力（安培定律）,常用物理量和定律,載流導體在磁場中受到的力,左手定則,5.電磁感應定律,常用物理量和定律,電磁感應：變化的磁場會產生電場，使導體中產生感應電動勢。,電流

9、的磁效應,磁的電效應,電生磁,？,感應電動勢,若磁場不變，而導體回路運動（切割磁場線） 動生電動勢,若導體回路靜止，磁場隨時間變化感生電動勢,電機中,切割電動勢,變壓器電動勢,切割電動勢,常用物理量和定律,右手定則,原理：導體切割磁力線產生感應電動勢。,變壓器電動勢,常用物理量和定律,原理：和線圈交鏈的磁通隨時間的變化而產生感應電動勢。,感應電動勢的方向如何,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,如何寫數(shù)學表達式,？,常用鐵磁材料及其特性,鐵心

10、的增磁功能,結論：鐵心具有增磁功能 。,思考：鐵心環(huán)與塑料環(huán)中的磁場強度和磁通密度有何區(qū)別？,HFe=H。,常用鐵磁材料及其特性,為了在一定的勵磁磁動勢作用下能激勵較強的磁場，以使電機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率。當線圈的匝數(shù)和勵磁電流相同時，鐵心線圈激發(fā)的磁通量要比空心線圈大得多，所以電機的鐵心常用磁導率較高的鐵磁材料制成。本節(jié)主要對常用的鐵磁材料及其特性作簡要介紹。,導言：,常用鐵磁材料及其特性,一、鐵磁物質的磁化,鐵磁材料：鐵、鎳、鈷及其合金,磁化：將鐵磁材料放入磁場中，磁場會顯著增強。鐵磁材料在外磁場中呈現(xiàn)很強的磁性，此現(xiàn)象稱為鐵磁物質的磁化。,磁

11、化的原因：鐵磁物質內部存在著許多很小的被稱為磁疇的天然磁化區(qū)。沒有外磁場時，各個磁疇排列混亂，磁效應互相抵消，對外不顯示磁性。在外磁場的作用下，磁疇順著外磁場方向轉向，排列整齊，顯示出磁性。,(A)未磁化,(B)磁化,外加磁場,H,常用鐵磁材料及其特性,二、磁化曲線和磁滯回線,1、起始磁化曲線,定義:將一塊尚未磁化的鐵磁材料進行磁化，當磁場強度H由零逐漸增大時，磁通密度B將隨之增大，曲線B=f(H)就稱為起始磁化曲線.,磁化曲線：磁通密度B與磁場強度H之間的關系。,常用鐵磁材料及其特性,(1)開始磁化階段oa段。外磁場較弱，磁通密度增加得不快。,(2)磁通很快增加階段ab段。隨著外磁場的增強，

12、大量磁疇開始轉向，增加很快。,(3)達到飽和階段bc段?？赊D向的磁疇越來越少，值增加的越來越慢。這種現(xiàn)象稱為飽和。b點稱為膝點。,(4)飽和后階段cd段。飽和后磁化曲線基本成為與非鐵磁材料的特性相平行的直線。,分析:,膝點,跗點,飽和點,應用: 設計電機和變壓器時，為使主磁路內得到較大的磁通量而又不過分增大勵磁磁動勢，通常把鐵心內工作點的磁通密度選擇在膝點附近。,知識點: 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H從零增加到Hm時，B相應地從零增加到Bm；然后再逐漸減小H，B值將沿曲線ab下降。當H=0 時，B值并不等于零，而是Br。這就是剩磁。

13、,磁滯回線：當H在Hm和 Hm 之間反復變化時，呈現(xiàn)磁滯 現(xiàn)象的BH閉合曲線，稱為 磁滯回線。,2、磁滯回線,常用鐵磁材料及其特性,矯頑力：要使值從Br減小到零，必須加上相應的反向外磁場。此反向外磁場強度稱為矯頑力，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強度變化的現(xiàn)象，叫做磁滯。,磁滯現(xiàn)象是鐵磁材料的另一個特性。Br和H是鐵磁材料的兩個重要參數(shù)。,常用鐵磁材料及其特性,定義:對同一鐵磁材料，選擇不同的磁場強度進行反復磁化，可得一系列大小不同的磁滯回線,再將各磁滯回線的頂點聯(lián)接起來，所得的曲線。,3、基本磁化曲線,磁路計算時所用的磁化 曲線都是基本磁化曲線。,幾種常見磁性物質

14、的磁化曲線,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: 磁滯回線寬、剩磁和矯頑力都很大的鐵磁材料稱為硬磁材料，由于剩磁較大，可用以制成永久磁鐵。故又稱為永磁材料。,軟磁材料的磁導率較高,故用以制造電機和變壓器的鐵心。,常見的有鋁鎳鈷、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中時，磁疇相互間不停地摩擦、消耗能量、造成損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。 公式: 應用:由于硅鋼片磁滯回線的面積較小，故電機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:當通過鐵心的磁通隨時間變化時,根據(jù)電磁感應定律,鐵心中將產生感應電動勢,并引起環(huán)流,環(huán)流在鐵心內部圍繞磁通作旋渦狀流動 稱為渦流。 定義:渦流在鐵心中引起的損耗。 公式: 應用:為減小渦流損耗，電機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,電流表示帶電質點的運動，它通過電阻時的功率損耗為I2R；磁通不代表質點運動，2Rm也不代表功率損耗。 自然界存在著良好的對電流絕緣的材料，但尚未發(fā)現(xiàn)對磁通絕緣的材料。磁路中沒有“斷路”的情況，即不存在有磁動勢而無磁通的現(xiàn)象。,小結,空氣也是導磁的，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性的。一般地，磁路問題是非線性問題，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性的或可以作為線性處理時才能適用。在精確的磁路計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。,小結,簡單磁路的計算,（注:不計漏磁影響，僅有一個磁回路的無分支磁路 .）,例 鐵心由鑄鋼和空氣隙構成，截面積AFe=3310-4m2 ，磁路平均長度lFe=0