1.2 电磁学基本知识

电磁学基本知识•常用的物理量和定律•常用的铁磁材料及其特性法拉第M.法拉第(1791~1869)伟大的物理学家、化学家、19世纪最伟大的实验大师。右图为法拉第用过的螺绕环电磁学基本知识导言：•100多年前，人们从电磁现象出发，总结出系统的电磁理论。一个最直接的产品就是电机。电磁理论是研究电场、磁场、机械运动之间关系的学问。•电机中总存在磁场、电流、作用力。常用物理量和定律一.磁场的几个常用物理量1.磁感应强度（又称磁通密度）B表征磁场强弱及方向的物理量。单位：T(特斯拉)、Wb/m2。B是矢量，既有大小，又有方向:·用磁力线上每点的切线方向规定B的方向·用磁力线的疏密程度表示B的大小磁力线(1)磁感应线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手螺旋法则.(2)磁场中的磁感应线不相交，每点的磁感应强度的方向确定唯一.(3)载流导线周围的磁感应线都是围绕电流的闭合曲线.常用物理量和定律2.磁通量Φ（磁通）垂直通过磁场中某一面积的磁力线数称为通过该面积的磁通量(磁通)，符号、单位Wb(韦伯).=BScos如磁场均匀，且磁场与截面垂直，则:SB2/11mWbT故有:常用物理量和定律3.磁场强度HHB•是为建立电流与由其产生的磁场之间的数量关系而引入的物理量。•它是指电流i所形成的磁场强度。•单位：A/m(安培/米)。•方向：与B相同，•大小:常用物理量和定律磁导率磁导率•反映导磁介质导磁性能的物理量。•磁导率越大的物质，其导磁性能越好。•单位：H/m(亨利/米)·磁导率，决定于介质性质,变化范围很大。·真空磁导率mH/10470·非铁磁物质如空气、铜、铝和绝缘材料等，近似等于真空磁导率。常用物理量和定律0r0r•其他导磁介质的磁导率通常用μ0的倍数来表示，即：称为导磁介质的相对磁导率。铁磁材料的相对磁导率为2000～7000。·铁磁物质如铁、镍、铝及其合金，磁导率远大于真空磁导率达数千甚至上万倍。通常以相对磁导率表示铁磁物质的磁导率比真空磁导率增大的倍数.相对磁导率常用物理量和定律•磁场强度和磁感应强度均为表征磁场性质（即磁场强弱和方向）的两个物理量。•由于磁场是电流或者说运动电荷引起的，而磁介质（除超导体以外不存在磁绝缘的概念，故一切物质均为磁介质）在磁场中发生的磁化对源磁场也有影响（场的迭加原理）。•因此，磁场的强弱可以有两种表示方法。补充B和H的区别:常用物理量和定律•在充满均匀磁介质的情况下，若包括介质因磁化而产生的磁场在内时，用磁感应强度B表示，其单位为特斯拉T，是一个基本物理量；•单独由电流或者运动电荷所引起的磁场（不包括介质磁化而产生的磁场时）则用磁场强度H表示，其单位为A/m2，是一个辅助物理量。HB在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的磁通比空心线圈的磁通哪个大？常用物理量和定律磁路：磁通所通过的路径.•是以高导磁性材料构成的使磁通被限制在结构所确定的路径之中的一种结构(和电流在电路中被导体所限制是极为相似).二.磁路的概念常用物理量和定律•铁心导磁率远大于空气•磁力线几乎被限定在铁心规定的路径中•铁心外部的磁力线很少主磁通漏磁通变压器的磁路漏磁通漏磁通漏磁通主磁路：主磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。励磁线圈：用以激励磁路中磁通的载流线圈。励磁电流：励磁线圈中的电流。直流:直流磁路，例如:直流电机交流:交流磁路，例如:变压器常用物理量和定律三、磁路的基本定律1、安培环路定律定律内容:沿任何一条闭合磁回路L，磁场强度H的线积分等于该闭合回线所包围的电流的代数和。公式:LilHd注：若i与l符合右手螺旋关系，取正号，否则取负号。其中大拇指所指为i的方向，四指为l方向。常用物理量和定律NiHL螺管线圈设有向回路l与圆环的中心圆重合，则沿着回线l磁场强度H处处相等且其方向处处与回线切线方向相同（称为均匀磁场），同时闭合回线所包围的总电流由通有电流i的N匝线圈提供，则：Ni：作用在磁路上的安匝数（磁路磁动势F),单位安匝。常用物理量和定律[例1-1]有一闭合铁心磁路，铁心的截面积A=9×10-4m2,磁路的平均长度l=0.3m，铁心的磁导率μFe=5000μ0，套装在铁心上的励磁绕组为500匝。试求在铁心中产生1T的磁通密度时，需要多少励磁磁动势和励磁电流？？？？解:用安培环路定律求解如下A/m159A/m10π450001/7FeBHA7.47A3.0159HlFA1054.9A5007.47/2NFi常用物理量和定律2、磁路的基尔霍夫定律（1）磁路的基尔霍夫第一定律（电流定律）03210或定律内容:穿出(或进入)任一闭和面的总磁通量恒等于零(或者说,进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量),这就是磁通连续性定律。令进入闭合面A的磁通为负，穿出闭合面的磁通为正公式:常用物理量和定律（2）磁路的基尔霍夫第二定律（电压定律）定律背景:磁路计算时，总是把整个磁路分成若干段，每段为同一材料、相同截面积，且段内磁通密度处处相等，从而磁场强度亦处处相等。定律内容:沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和。公式:HlHlHlHNi221131kkk总磁动势磁位差常用物理量和定律3、均匀磁路的欧姆定律磁通量Φ等于磁通密度乘以面积:BA磁场强度等于磁通密度除以磁导率:BH于是mRAlAlBllHNiFNiHl可写为：常用物理量和定律定律内容:作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量Φ乘以磁阻Rm。mRFNiF——磁动势，单位为A；AlRm——磁阻，单位为A/Wb（或H-1），它取决于磁路的尺寸和磁路所用材料的磁导率；lARm1——磁导，磁阻的倒数，单位为Wb/A（或H）。公式:常用物理量和定律mRAlNiF4、载流导体在磁场中的安培力（安培定律）常用物理量和定律载流导体在磁场中受到的力BilfB—磁场的磁感应强度(Wb/m2)i—导体中的电流(A)l—导体的有效长度(m)左手定则5、电磁感应定律常用物理量和定律电磁感应：变化的磁场会产生电场，使导体中产生感应电动势。电流的磁效应磁的电效应电生磁感应电动势若磁场不变，而导体回路运动（切割磁场线）—动生电动势若导体回路静止，磁场随时间变化—感生电动势电机中切割电动势变压器电动势（1）切割电动势常用物理量和定律Blve右手定则原理：导体切割磁力线产生感应电动势。（2）变压器电动势常用物理量和定律原理：和线圈交链的磁通随时间的变化而产生感应电动势。0dtd感应电动势的方向如何i)A高X低ii)0dtdA低X高依据：愣次定律常用物理量和定律如何写数学表达式dtdNe按左手螺旋关系规定正方向1)正方向的规定：磁通的参考方向朝上e的正方向从X指向A左手判定电流方向X→A＋－idtdNe常用物理量和定律如何写数学表达式dtdNe按右手螺旋关系规定正方向2)正方向的规定：磁通的参考方向朝上e的正方向从A指向X右手判定电流方向A→X-+idtdNe常用铁磁材料及其特性0BHFe又因＝铁心的增磁功能00FeFeBB故有结论：铁心具有增磁功能。思考：铁心环与塑料环中的磁场强度和磁通密度有何区别？常用铁磁材料及其特性为了在一定的励磁磁动势作用下能激励较强的磁场，以使电机和变压器等装置的尺寸缩小、重量减轻、性能改善，必须增加磁路的磁导率。当线圈的匝数和励磁电流相同时，铁心线圈激发的磁通量要比空心线圈大得多，所以电机的铁心常用磁导率较高的铁磁材料制成。本节主要对常用的铁磁材料及其特性作简要介绍。导言：常用铁磁材料及其特性一、铁磁物质的磁化铁磁材料：铁、镍、钴及其合金磁化：将铁磁材料放入磁场中，磁场会显著增强。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化。磁化的原因：铁磁物质内部存在着许多很小的被称为磁畴的天然磁化区。没有外磁场时，各个磁畴排列混乱，磁效应互相抵消，对外不显示磁性。在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列整齐，显示出磁性。(A)未磁化(B)磁化外加磁场H常用铁磁材料及其特性二、磁化曲线和磁滞回线1、起始磁化曲线定义:将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B将随之增大，曲线B=f(H)就称为起始磁化曲线.磁化曲线：磁通密度B与磁场强度H之间的关系。常用铁磁材料及其特性(1)开始磁化阶段oa段。外磁场较弱，磁通密度增加得不快。(2)磁通很快增加阶段ab段。随着外磁场的增强，大量磁畴开始转向，Ｂ增加很快。(3)达到饱和阶段bc段。可转向的磁畴越来越少，Ｂ值增加的越来越慢。这种现象称为饱和。b点称为膝点。(4)饱和后阶段cd段。饱和后磁化曲线基本成为与非铁磁材料的特性相平行的直线。分析:膝点跗点饱和点应用:设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势，通常把铁心内工作点的磁通密度选择在膝点附近。知识点:铁磁材料的磁阻随饱和度增加而增大。常用铁磁材料及其特性常用铁磁材料及其特性剩磁：当H从零增加到Hm时，B相应地从零增加到Bm；然后再逐渐减小H，B值将沿曲线ab下降。当H=0时，B值并不等于零，而是Br。这就是剩磁。磁滞回线：当H在Hm和－Hm之间反复变化时，呈现磁滞现象的B－H闭合曲线，称为磁滞回线。2、磁滞回线常用铁磁材料及其特性矫顽力：要使Ｂ值从Br减小到零，必须加上相应的反向外磁场。此反向外磁场强度称为矫顽力，用Hｃ表示。磁滞：铁磁材料所具有的磁通密度Ｂ的变化滞后于磁场强度Ｈ变化的现象，叫做磁滞。磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。Br和Hｃ是铁磁材料的两个重要参数。常用铁磁材料及其特性定义:对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线,再将各磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线。3、基本磁化曲线磁路计算时所用的磁化曲线都是基本磁化曲线。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/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2abac常用铁磁材料及其特性三、铁磁材料1、软磁材料定义:磁滞回线窄、剩磁和矫顽力都很小的材料。常用软磁材料:铸铁、铸钢和硅钢片等。2、硬磁材料定义:磁滞回线宽、剩磁和矫顽力都很大的铁磁材料称为硬磁材料，由于剩磁较大，可用以制成永久磁铁。故又称为永磁材料。软磁材料的磁导率较高,故用以制造电机和变压器的铁心。常见的有铝镍钴、铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。常用铁磁材料及其特性软磁材料硬磁材料常用铁磁材料及其特性四、铁心损耗1．磁滞损耗定义:铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。公式:应用:由于硅钢片磁滞回线的面积较小，故电机和变压器的铁心常用硅钢片叠成。VfBCpnmhh常用铁磁材料及其特性2．涡流损耗涡流:当通过铁心的磁通随时间变化时,根据电磁感应定律,铁心中将产生感应电动势,并引起环流,环流在铁心内部围绕磁通作旋涡状流动称为涡流。定义:涡流在铁心中引起的损耗。公式:应用:为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。VBfCpmee222常用铁磁材料及其特性3．铁心损耗定义:铁心中磁滞损耗和涡流损耗之和。表达式:ehFepppGBfCpmFeFe23.1铁心损耗与频率的1.3次方,磁通密度的平方和铁心重量成正比。小结:表1.1磁路和电路对比表序号电路磁路基本物理量或基本定律符号或定义单位基本物理量或基本定律符号或定义单位1电流IA磁通φWb2电压U=ElV磁动势F=HlA3电阻R=l/(γA)Ω磁阻Rm=l/(μA)1/H4电导G=1/RS磁导Λ=1/RmH5电流密度J=I/AA/m2磁通密度B=φ/AWb/m2（T）6电导率γS/m磁导率μH/m7电流定律∑I=0磁通连续