电磁学的基本知识与基本定律

第1章磁路1.1磁场的基本知识磁通密度或磁感应强度B单位：特斯拉（T）(magneticfluxdensity)(magneticinduction)用于表征磁场的强弱和方向。SBdS磁通量Φ单位：韦伯（Wb）(magneticflux)穿过某一截面积S的磁力线总数若对于均匀磁场，若B与S垂直，则BS磁场强度H单位：安培/米（A/m）(magneticfieldstrength)为了分析磁场与电流的依存关系引入的辅助量磁动势MMF单位：安培（A）（magnetomotiveforce）NiFN磁链ψ（fluxlinkage）磁导率μ单位：亨利/米（H/m）(permeability)真空的磁导率μ0、相对磁导率μr反应导磁介质导磁性能的物理量HB•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。B和H的联系与区别:•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/m，是一个辅助物理量。。•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，是一个基本物理量。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？为什么？此公式的深刻含义1.2基本电磁（electromagnetic）定律电生磁的基本定律——安培环路定律磁生电的基本定律——法拉第电磁感应定律电磁力定律磁路的欧姆定律1.2.1电生磁的基本定律——安培环路定律kLdiＨｌ沿着任何一条闭合回线L，磁场强度H的线积分等于该闭合回线所包围的总电流值（代数和）I2I3l4I1I23()iHdlIIIH计算电流代数和时，与绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。NiHL若闭合磁力线是由N匝线圈电流产生，而且沿闭合磁力线上H处处相等,则上式变为:1.2.2磁生电的基本定律—法拉第电磁感应定律dtddtdNe当磁通按正弦规律变化时，即:tmsin则上式变为:)90sin(2)90sin(2)(00tEtfNtem磁通与其感应电势的参考方向0mm为参考相量，则：mfNjE44.44.44mEfN感应电势磁通与感应电势的相量图Blve感应电势与磁场、导体运动速度之间的右手定则Bilfem通电导体产生的电磁力与电流、磁场之间的左手定则1.2.3电磁力定律磁路：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。1.2.4磁路的欧姆定律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:变压器主磁通漏磁通漏磁通漏磁通漏磁通对于均匀磁路mmRSlBlHlNiFSlRm定义为磁路的磁阻（reluctance）lSRmm1称为磁导（permeance）由于与电路的欧姆定律相似,故又称为磁路的欧姆定律。磁阻的倒数iL根据以及磁路的欧姆定律NlSNNLm22电感与结构参数以及磁性材料之间的关系式1.2.5线圈电感通过任意闭合曲面S的净磁通量必定恒为零。自然界不存在独立的磁场源。磁场中，磁力线通过任意闭合面后必然会从相反方向再次通过。磁力线是闭合的！0SBdS磁路的基尔霍夫第一定律（磁通连续性原理）03210磁路由不同材料或不同长度和截面积的n段组成，则nn2211lHlHlHNIniiilHNI1,lH,lH2211称为磁路各段的磁压降磁路的基尔霍夫第二定律作用在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。HlHlHlHNi221131kkk1.3常用磁性材料及其特性1.3.1铁磁材料的磁化及磁滞回线铁磁材料的磁化（magnetization）磁性材料的磁滞回线(hysteresisloop)Br剩磁residualmagnetismHc矫顽力coerciveforce1.3.2磁化曲线与饱和现象铁磁材料与非铁磁材料的磁化曲线基本磁化曲线normalmagnitizationcurve初始磁化曲线initialmagnitizationcurve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/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2abac1.3.3软磁材料与硬磁材料铁磁材料（ferromagneticmaterial）的磁滞回线软磁材料：磁滞回线窄、剩磁、矫顽力都小硬磁材料：磁滞回线宽、剩磁、矫顽力都大1.3.4铁磁材料中的铁耗铁耗磁滞损耗涡流损耗：由磁畴相互摩擦发热造成：由铁心中感应的涡流产生hysteresislosseddy-currentlossironloss为什么电机中经常使用的铁磁材料是硅钢片（siliconsteelsheet）？铁磁材料的涡流现象磁滞损耗VBfCHdBVfpnmhh222eempCfBV涡流损耗2221.32()nFehehmemFempppCfBCfBVCfBG铁耗注意频率f例题:有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为15cm，铁心材料为铸钢。要得到0.9T的磁感应强度，求：（1）所需励磁磁动势。（2）如果磁路中含有一个长度等于0.2cm空气隙，所需励磁磁动势。（1）铸钢铁心的磁场强度，查铸钢的磁化曲线，B=0.9T时，磁场强度H1=770A/m解:磁路的平均总长度为cm23921510.l励磁磁动势Al84.301102.39770H21（2）空气隙的磁场强度A/m102.71049.057000BHcm390.2-2391.ll铁心的平均长度对各段有A144010201027250..HA3001039770lH211A17403001440lHHNI110总磁通势为通过上述例题，可以得出如下结论：(1)如果要得到相等的磁感应强度，采用高磁导率的铁心材料，可使线圈的用铜量大大降低。(2)如果线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大大降低。(3)当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（线圈匝数一定时）。磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁动势几乎都降在空气隙上面。遗憾的是，气隙的存在往往避免不了。