1、第1章 電與磁,1.1 磁場的基本概念與基本物理量 1.2 磁路及其基本定律 1.3 電流在磁場中的力效應 1.4 電磁感應,磁場的基本物理量和磁路的基本定律是學習船舶的基礎(chǔ)，在了解磁感應強度、磁場強度、磁通等概念的基礎(chǔ)上，進一步了解鐵磁材料的高導磁性、磁飽和性和磁滯性及其應用。,本章重點,磁場,1.1 磁場的基本概念與基本物理量,1.1.1 磁場的基本概念,電流的磁效應,磁力線,磁通,1.1.2 磁場的基本物理量,-國際制單位制(SI): 伏.秒，稱韋伯(Wb),1 Wb = 108Mx,-電磁單位制: 麥克斯韋(Mx),磁通是一個矢量，其方向與該處的磁場方向一致。,磁通的定義是磁感應強度（

2、假設(shè)磁場為均勻磁場）與垂直于磁場方向的面積的乘積，磁通是穿過某一截面S的磁力線總數(shù)。,與磁場方向相垂直的單位面積上通過的磁通（磁力線）,磁感應強度,I 單位：安培(A),F 單位：牛頓(N),l 單位： 米(m),B-國際制單位制(SI): Wb/m2，稱為特斯拉(T) B-電磁單位制: 高斯(Gs) 1T=104Gs,磁感應強度表示磁場內(nèi)某點磁場強弱及方向的物理量為一矢量，若磁場內(nèi)各點B大小相等、方向相同，則為均勻磁場。對非均勻磁場，B為S內(nèi)的平均值，也稱磁通密度。,測量,磁場強度,磁場強度是計算磁場所用的物理量，為矢量，用來確定磁場與電流之間的關(guān)系，其大小為磁感應強度和導磁率之比。,物理學

3、安培環(huán)路定律,典型無分支閉合磁路,IN為電流與線圈匝數(shù)的乘積，稱為磁動勢，用字F表示,磁動勢的單位是安培(A)。,磁壓降,磁導率,表征各種材料導磁能力的物理量,在工程上, 物質(zhì)按其磁性劃分為兩類, 即鐵磁材料(或叫磁性材料)和非鐵磁材料。 鐵磁材料主要是指鐵、鈷、鎳及其合金。,1.1.3 鐵磁材料的磁性能,鐵磁材料的磁導率0。將鐵磁材料放入電流磁場中，它將被磁化而產(chǎn)生很強的附加磁場。因此可用較小的勵磁電流產(chǎn)生足夠大的磁感應強度和磁通。,1) 高導磁性,磁疇,磁化,c點以后為飽和段（飽和電抗器）,2) 磁飽和特性,B-H 曲線, 或稱磁化曲線, 可通過實驗獲得。,BH磁化曲線與H曲線,磁化曲線大

4、致可分成三段:,ab段為非飽和段（線性電抗器）,bc段為半飽和段（普通電機、變壓器的鐵心）,如果勵磁線圈中通入交變勵磁電流, 對鐵心進行反復磁化, 磁感應強度的大小和方向的變化總是滯后于磁場強度的變化, 這種特性稱為磁滯特性.,3) 磁滯性,磁滯回線,為消除剩磁所加的反向磁場強度值Hc稱為矯頑力。,當斷開勵磁電流(H=0)后, 磁感應強度仍不為零的現(xiàn)象, 稱為剩磁特性。,鐵磁材料的類型,分為典型的三種類型:,1.軟磁材料:,矯頑力小, 磁滯回線狹窄. 如鑄鐵、鑄鋼、純鐵、硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等材料。電機、變壓器等電器的鐵心采用軟磁材料。,磁化曲線 a-鑄鐵； b-鑄鋼；c-硅鋼片,剩磁很大,

5、 磁滯回線形狀近似矩形. 在自動控制系統(tǒng)用做記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件的磁心材料. 常用的有鎂錳鐵氧體及1J51型鐵鎳合金等.,2.硬磁材料:,矯頑力、剩磁均較大, 磁滯回線寬. 一般用來制造永久磁鐵. 如鎢鋼、鈷鋼及鐵鎳鋁鈷合金等.,3.矩磁材料:,磁路：磁通所經(jīng)過的特定的路徑。,1.2 磁路及其基本定律,1) 磁路的歐姆定律,設(shè)變壓器由單一鐵心構(gòu)成的均勻磁路,Hl = I = IN,H=B/=/（S）,磁動勢F=IN,磁阻,磁路歐姆定律,2) 磁路的基爾霍夫磁流定律,對于有分支的磁路, 進入封閉面磁通的代數(shù)和等于零(磁通的連續(xù)性), 即,= 0,磁路有氣隙或由不同材料不同截面的路段所組成

6、的單一閉合磁路, 稱為串聯(lián)磁路。,3) 磁路的基爾霍夫磁壓定律,磁 路,電 路,磁通,I,N,R,+,_,E,I,磁壓降,磁動勢,U,基本定律,磁阻,磁感應 強度,安培環(huán)路 定律,磁 路,I,N,歐姆定律,電阻,電流 強度,克氏 電壓定律,克氏 電流定律,電 路,R,+,_,E,I,1.3 電流在磁場中的力效應,載流導體在磁場中會受到電磁力的作用，稱為電流在磁場中的力效應。這個力叫做電磁力，用字母F表示。,(a) (b) (c) 電流和磁場間的作用力的關(guān)系,電磁作用力的大小,電磁力的方向左手定則,磁場對載流導體的作用力(左手定則),1.4 電磁感應,電磁感應現(xiàn)象有兩種表現(xiàn)形式:,當穿過線圈的磁

7、通發(fā)生變化時，在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應電動勢。,當運動的導體切割磁力線時，在導體內(nèi)產(chǎn)生感應電動勢。,直導體中的感應電動勢,(a) (b) 運動的導體在磁場中的感應電勢與右手定則,線圈中的感應電動勢,線圈的感應電勢,感應電動勢方向的確定,感應電動勢的大小等于線圈的匝數(shù)與磁通變化率的乘積 。,感應電動勢的方向由楞次定律得出：感應電動勢的方向總是使得其感應電流產(chǎn)生的磁通來阻止原有磁通的變化 。,自感,當通過線圈的電流發(fā)生變化時，則由該電流所產(chǎn)生的、穿過線圈的磁通也發(fā)生變化，從而使線圈本身產(chǎn)生自感電動勢，這種現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象，這種感應電動勢稱為自感電動勢。,=N，稱為磁鏈,自感電動勢,定義為自感系數(shù),電感元件

8、兩端的電壓,規(guī)定電壓與電流的正方向一致，即電動勢正方向一致。,一單層密繞螺線管的自感系數(shù):線圈長L,截面積S,繞組的總匝數(shù)為N.,可以看出:螺線管自感系數(shù)L正比于它的體積和單位長度內(nèi)匝數(shù)的平方N2。(忽略端點效應),管內(nèi)磁感應強度:,電流、電壓和電動勢的正方向,日光燈電路,在生產(chǎn)實踐中，常遇到自感現(xiàn)象；其有利（日光燈）有弊（電機斷電易燒壞接觸器觸點）。實踐中應揚長避短。,鐵心線圈電路,假設(shè),（線圈電阻R和感抗X較小忽略）,功率損耗與渦流,磁滯損耗(Ph)：當鐵磁體被反復磁化時, 由于磁滯原因而引起的功率損耗。（克服剩磁所消耗的能量）,為減小磁滯損耗, 應選用磁滯回線面積小的軟磁材料做電機、電器

9、的鐵心.,除線圈電阻上的功率損耗(銅損)外，還有鐵損。,為減少渦流, 鐵心通常用相互絕緣的鋼片疊制而成。,渦流損耗(Pe)：當鐵心中磁通發(fā)生變化時, 在鐵心內(nèi)引起感應電動勢和電流(即渦流)。由于渦流在鐵心中造成的功率損耗。(電磁爐利用這一特點),磁滯損耗和渦流損耗統(tǒng)稱為鐵損(PFe ),PFe= Ph+ Pe,電磁鐵可分為線圈、鐵心及銜鐵三部分,電磁鐵,電磁吸力,電磁吸力的大小與經(jīng)過氣隙進入銜鐵的磁力線的多少及其分布有關(guān), 它與氣隙的磁通或磁密B0的平方成正比, 與氣隙截面S0成正比。,電磁鐵可分為線圈、鐵心及銜鐵三部分,交流電磁鐵的瞬時電磁吸力為,直流電磁鐵的電磁吸力為,采用短路環(huán),直流勵磁線圈電路的特點,（R 為線圈的電阻）,直流電磁鐵,直流電磁鐵,U 一定,I 一定,磁動勢 F=IN 一定,磁通和磁阻成反比,（線圈中沒有反電動勢）,交流勵磁線圈電路的特點,交流電磁鐵,交流激勵,線圈中產(chǎn)生感應電勢,交流電磁鐵,電路方程：,一般情況下 很小,假設(shè),則,有效值,相量,交流磁路中磁