磁场与磁路知识及电气技术教育培训课件.ppt

1、磁场磁场与与磁路知识磁路知识及及电气技术电气技术教育培训课件教育培训课件第一讲第一讲1-1 引言1-2 电磁场一、目的一、目的1.理解电流和磁场的相互依存关系2.掌握磁感应强度、磁通、磁导率、磁通势及磁阻的基本概念。二、教学重点二、教学重点电磁现象的电本质，铁磁材料的磁化特性三、教学难点三、教学难点电流的磁效应，磁场的基本物理量主要教学内容主要教学内容 1.1 引言 电磁现象：当电流在导体中流动时，导体的周围要产生磁场。电和磁是两个互相联系、互相依存、不可分割的基本现象。因此，我们将电和磁统称为电磁现象。电磁现象包括电流的磁场电流的磁场（电变磁）和电磁感应电磁感应（磁变电），本章先来学习电流的

2、磁场电流的磁场及其应用。1.2 电磁场 1.2.1 磁场和磁力线 1磁体和磁极 磁体：我们把物体吸引铁、钴、镍等物质的性质称为磁性。具有磁性的物体称为磁体。磁体分类：天然磁体（磁铁矿石）和人造磁体（一般用铁的合金制成）。人造磁体根据需要可制成各种形状。实验中常用的磁体有条形、蹄形和针形等几种，如下图所示。磁体两端磁性最强的区域称为磁极磁极。任何磁体都具有两个磁极任何磁体都具有两个磁极。小磁针由于受到地磁的作用，在静止时总是停止在南北方向上，指北的一端叫北极，用指北的一端叫北极，用N N表示；表示；指南的一端叫南极，用指南的一端叫南极，用S S表示表示。2.磁场 把一个磁体放在另一个磁体附近，两

3、个磁体的磁极之间会产生相互作用力：同性磁极之间互相排斥，异性磁极之间互相同性磁极之间互相排斥，异性磁极之间互相吸引吸引。我们称传递磁场力的空间为磁场传递磁场力的空间为磁场。互不接触的磁体之间具有的相互作用力，就是通过它周围的磁场来传递的。磁场是由磁体产生的磁场是由磁体产生的，有磁体才有磁场。有磁体才有磁场。3.磁场的方向和磁力线 规定：在磁场中任一点，小磁针静止时在磁场中任一点，小磁针静止时N N极所指的方向，就是该极所指的方向，就是该点的磁场方向。点的磁场方向。为了形象的描述磁场的大小和方向，引出了磁力线的概念。磁力线是按磁场的方向及大小画出来的有向线条。磁力线具有以下特征：磁力线是互不交叉

4、的闭合曲线；磁体外部由N极指向S极，磁体内部由S极指向N极；磁力线上任意一点的切线方向，就是该点的磁场方向；磁力线的疏密程度反映了磁场的强弱；磁体的两极磁场最强。1.2.2 电流的磁场 引言：通电导线产生了磁场，并且电流和磁场同生同灭。1通电直导线周围的磁场 安培右手螺旋定则：用右手握住通电直导线，让拇指指向电流方向，四指弯曲，那么四指所指的方向就是磁场的绕行方向。2通电螺线管的磁场 3磁场的能量 磁场除了具有大小和方向，还有能量。磁场的建立过程是磁场的储能过程；磁场的消失过程是磁场能量的释放过程。因为磁场具有能量，磁场之间才会有力的作用。关于磁场的能量下一章还要分析。五、课后小结五、课后小结

5、 1.电和磁是两个互相联系、互相依存、不可分割的基本现象。2.磁力线是按磁场的方向及大小画出来的有向线条。3.通电导线可以产生磁场。1.磁场除了具有大小和方向，还有能量。第二讲第二讲1-3 磁场的基本物理量一、教学目的一、教学目的1.进一步理解电流和磁场的相互依存关系2.掌握磁感应强度、磁通的基本概念3.掌握磁导率、磁场强度的基本概念二、教学重点二、教学重点1.电流的磁场及其应用，电路中的方向判断和计算2.磁场强度的基本概念、方向判断和计算三、教学难点三、教学难点1.磁通的概念与计算方法2.磁导率的基本概念、磁场强度磁通的方向判断和计算四、主要教学内容四、主要教学内容 1.3 磁场的基本物理量

6、 1.3.1 磁感应强度和磁通 1.磁感应强度B 磁场既有大小，又有方向。处于磁场中某点的一小段与磁场与磁场方向垂直方向垂直的通电导体l，如果通过它的电流为I，则它所受到的电磁力F与I l之积的比值是一个恒量。对磁场中确定的点，不论I和l如何变化，比值FI l始终保持不变。我们将这个比值定义为该点的磁感应强度，用B来表示，即l IFB 式中 B 磁感应强度，单位为T（特）；F 通电导体所受磁场力，单位为N（牛）；I 导体中的电流，单位为A（安）；l 导体的长度，单位为m（米）。磁感应强度是定量描述磁场中各点磁场强弱的物理量。磁感磁感应强度是定量描述磁场中各点磁场强弱的物理量。磁感应强度是矢量，

7、它的方向与该点磁场的方向相同；定义式成应强度是矢量，它的方向与该点磁场的方向相同；定义式成立的条件是式中各量的方向符合下立的条件是式中各量的方向符合下 图所示：图所示：若磁场中各点的磁感应强度的大小相等、方向相同，则称为匀强磁场。【例】已知一处于均匀磁场中、并与磁场方向垂直的载流导体，导体的有效长度为0.1m，通入的电流为5A，导体所受的电磁力为0.1N，求电磁感应强度B。解：根据电磁感应强度B的定义式，有 根据通电导体在磁场中要受到电磁力的作用，定义了磁感应强度B。把磁感应强度B的公式变形，就得到磁场对通电导体的作用力公式 F=B I l （1-2）2.01.051.0IlFB 导体在磁场中

8、的受力大小，与磁感应强度、导体中电流的大小及导体的长度成正比。通电导体在磁场中要受到电磁力的作用，此理论是电动机通电导体在磁场中要受到电磁力的作用，此理论是电动机及电动设备的理论基础，在工程中有着广泛的应用及电动设备的理论基础，在工程中有着广泛的应用。处于磁场中的载流导体，当导体l垂直于磁场方向，导体受到的电磁力最大；当导体平行于磁场方向，则导体不受力；当导体与磁场方向成夹角,导体所受电磁力为 F=B I l sin【例】有一大型空心电磁线圈，如下图所示。由于通入的电流太大，可能使线圈产生变形，请分析线圈的受力方向。感应强度方向如图所示，然后用左手定则判定线圈的受力方向。根据左手定则判断，线圈

9、受到的电磁力是沿着半径方向向外的，此力企图使线圈膨胀。1.3.2 磁导率1.一个现象：在一个空心线圈中通入电流I，在线圈的下部放一薄铁片，线圈对薄铁片的吸力很小，薄铁不动；当通电电流不变，在线圈中插入一铁棒，线圈的吸力大增，将薄铁片吸起。表明：同一线圈通过同一电流，如磁场中的导磁物质不同一线圈通过同一电流，如磁场中的导磁物质不同（空气和铁），其磁场强度不同。同（空气和铁），其磁场强度不同。磁导率的概念：线圈中磁场的强弱与磁场中物质的导磁性能有关，用磁导率来表征各种物质的导磁性能。磁导率用磁导率用表示，单位为表示，单位为H/m(H/m(亨亨/米米)。导磁物质的越大，其导磁性能越好，产生的附加磁场

10、越强；越小，导磁性能越差，产生的附加磁场越弱。实验表明，真空中的磁导率真空中的磁导率 H/m H/m，为一常数，为一常数。将其他物质的磁导率和真空的磁导率进行比较：某物质的磁导率与真空磁导率0的比值，定义为该物质的相对磁导率，用r 表示，即 0r r r是一个无名数，它表示的意义是该物质的磁导率是真空是一个无名数，它表示的意义是该物质的磁导率是真空磁导率的多少倍。磁导率的多少倍。例如，硅钢片的相对磁导率 r为8000，则它的磁导率是真空的8000倍，即 自然界中大多数物质的导磁性能较差，如空气、塑料、木材、铜、铝等，其 r 1，称为非导磁物质；只有铁、钴、镍及其合金等，其r1，称为导磁物质。表

11、2-1为常用材料的相对磁导率。因为铁磁材料的r很高，因此利用铁磁物质来制造电磁器件（如变压器、电动机等），将会使其体积大大缩小，重量大为减轻。771032001048000 表:常用材料的相对磁导率材 料相对磁导率r空气、木材、塑料、橡胶、铝、铜1铸铁200 400铸钢500 2000硅钢片6000 8000铁氧体几千坡莫合金几万 几十万 1.3.3 磁场强度H H 1、磁场强度的概念：当通电线圈的匝数和电流不变时，线圈中的磁场强弱与线圈中的导磁物质有关。由其铁磁材料，不同类型其磁导率不同，同一材料其磁导率值还不是常数，使磁场的计算比较复杂，因此引入了一个与物质的磁导率无关的辅助量来表示磁场的

12、强弱，称为磁场强度。其定义为：磁场中某点的磁感应强度B与介质的磁导率之比，称为该点的磁场强度，用H表示，即 或 BH HB 式中，H的单位为A/m（安/米）。磁场强度是矢量，其方向与该点磁感应强度的方向相同。【例】已知:图中线圈的磁场强度H为1A/m，铁棒的相对磁导率为2000，求空心线圈和有铁棒的线圈的磁感应强度各为多少；有铁棒的线圈的磁感应强度是空心线圈的多少倍？解：B空H0=1410-7=410-7 T B铁H=Hr0=12000410-7=800010-7 T B铁/B空800010-7/410-72000 由计算可知，线圈的磁场强度一定，有铁棒线圈的磁感应强度是空心线圈的2000倍。

13、1.3.4 应用举例 1.动圈式扬声器 2.磁电系仪表五、课后小结五、课后小结 1.磁感应强度是定量描述磁场中各点磁场强弱的物理量。2.通电导体在磁场中要受到电磁力的作用。3.用磁导率来表征各种物质的导磁性能。1.用右手定则判定磁感应强度方向 5.与物质的磁导率无关的辅助量来表示磁场强弱的物理量，称为磁场强度。磁场强度是矢量，其方向与该点磁感应强度的方向相同。第三讲第三讲1-4 铁磁材料的磁化 及磁性材料分类一、教学目的一、教学目的1.理解电磁现象的电本质2.掌握铁磁材料的磁化特性。二、教学重点二、教学重点电磁现象的电本质，铁磁材料的磁化特性及由此组成的磁路三、教学难点三、教学难点理解电磁现象

14、的电本质四、主要教学内容四、主要教学内容 1.1.1 铁磁材料的磁化特性、磁化曲线及磁滞回线 1.电磁现象的电本质 无论是磁体产生的磁场还是导线中电流产生的磁场，其本质是无论是磁体产生的磁场还是导线中电流产生的磁场，其本质是一样的，即磁场都是由电流产生的。一样的，即磁场都是由电流产生的。2铁磁材料的磁化特性 a)a)磁化前磁化前 b)b)磁化后磁化后 给铁磁材料外加磁场强度H，通过电磁测量仪表测得磁感应强度B，可得到H与B的关系曲线，即磁化曲线。通过对磁化曲线的分析，可得出铁磁材料的磁化特性为：（1）高导磁性B 与H基本上呈线性关系。此段曲线是电动机、变压器、电磁铁等电器的应用曲线。（2）磁饱

15、和性 当过了曲线的b点，由于小磁畴已基本全部转向，H再增加时B已基本不再增加，这时B值达到饱和值Bm。可见，铁磁材料的B与H不成正比，所以铁磁材料的值不是常数，随H而变化。由于磁通与B成正比，产生磁通的励磁电流I与H成正比，因此铁磁材料的与I也不成正比。图示为几种铁磁材料的磁化曲线（3）磁滞特性 磁滞：铁磁材料在磁化过程中B的变化落后于H的变化现象。当继续增加反向H值，铁磁材料被反方向磁化，当反向H值达到最大值Hm 时，B值也随之增加到反方向的饱和值Bm。当H完成一个循环，铁磁材料的B值即沿闭合曲线abcdefa变化，这个闭合曲线称为磁滞回线。磁滞损耗：铁磁材料在交变磁化过程中，由于磁畴在不断

16、地改变方向，使铁磁材料内部分子振动加剧，温度升高，造成能量消耗。这种由于磁滞而引起的能量损耗。磁滞损耗的程度与铁磁材料的性质有关，不同的铁磁材料其磁滞损耗不同，硅钢片的磁滞损耗比铸钢或铸铁的小。磁滞损耗对电机和变压器等电器设备的运行不利，是引起铁心发热的原因之一。1.1.2 铁磁材料的分类和用途 根据矫顽力的大小把铁磁材料分成三大类。1、软磁材料 这类材料的剩磁、矫顽力、磁滞损耗都较小，磁滞回线狭长，称为软磁材料。常用的软磁材料有铸钢、铸铁、硅钢片、玻莫合金、铁氧体等。2硬磁材料 这类磁性材料，它的剩磁、矫顽力、磁滞损耗都较大，磁滞回线较宽，这类材料称为硬磁材料。这类材料适用于制造永久磁永久磁

17、铁铁。常用的硬磁材料有钨钢、铝镍合金、钕铁硼合金等 a a）软磁材料）软磁材料 b b）硬磁材料）硬磁材料 *1.1.3 硬磁材料的应用 1利用永久磁体形成永久磁场 2.利用永久磁体的同极性相斥和异极性相吸 3利用永久磁体区分铁磁物质和非铁磁物质 1.利用永磁材料的温度特性 5利用磁体区分铁磁物质和非铁磁物质五、课后小结五、课后小结 1.磁体的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的。2.铁磁材料的磁化特性为:高导磁性、磁饱和性和磁滞特性。3.根据矫顽力的大小把铁磁材料分成三大类：软磁材料、硬磁材料和矩磁性材料。第四讲第四讲1-磁路及磁路欧姆定律1-电磁铁一、教学目的一、教学目的掌握磁路的

18、概念掌握磁路的欧姆定律掌握电磁铁的工作原理1.了解电磁铁的分类二、教学重点二、教学重点磁路的欧姆定律电磁铁的工作原理三、教学难点三、教学难点空气隙的磁阻四、主要教学内容四、主要教学内容1.5 磁路及磁路欧姆定律1.5.1 磁路 1.电磁现象的电本质 磁通（磁力线）集中通过的闭合路径称为磁路。磁通（磁力线）集中通过的闭合路径称为磁路。在变压器、电动机等电器设备中，为了把磁通约束在一定的空间范围内，均采用高磁导率的硅钢片等铁磁材料制造铁心，使之形成闭合的磁路。下页图a为单相变压器的磁路，它由同一种铁磁材料构成；图b为直流电动机的磁路，图c为继电器的磁路。后两种磁路常由几种不同的材料构成，而且磁路中

19、还有很短的空气隙。a)变压器磁路 b)直流电动机磁路 c)继电器磁路*1.5.2 磁路欧姆定律 1磁通势Em 绕组的安匝数（匝数和电流的乘积）是产生磁通的源泉（类似于电路中的电动势），我们将其定义为磁通势，用Em表示，即 EmIN 式中，Em的单位为A（或安匝）。2磁通势与磁场强度的关系H的单位为A/m（安/米）lINH 由上式可知，在一个闭合磁路中，当磁通势一定时，磁路越短，磁场强度越大，反之越小。因此，为了得到较强的磁场强度，磁路要尽量短。3磁阻Rm 磁阻的大小与磁路的长度成正比，与磁路材料的磁导率及截面积成反比，磁阻的单位为1/H（1/亨），其表达式为 要减小磁路的磁阻，就要减少磁路的长

20、度，增加磁路的截要减小磁路的磁阻，就要减少磁路的长度，增加磁路的截面积和增加磁路材料的磁导率。面积和增加磁路材料的磁导率。SlRm 1.磁路欧姆定律 在磁通势Em的作用下，磁路 中产生磁通，磁通的大小 与磁通势成正比，与回路中的 磁阻Rm成反比，表达式为 此关系式称为磁路欧姆定律。此关系式称为磁路欧姆定律。mmRE 右图是带有空气隙的闭合磁路，磁路中空气隙虽然很小，但磁阻很大。空气隙对磁路的影响 很大。因此在需要低 磁阻的磁路中（如变 压器的铁心）应尽量 减小空气隙。1.6 电磁铁电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁而工作的电器。（a）起重电磁铁 (b)继电器 (c)电磁阀电磁铁由于用途不同其形

21、状各异，但都是由励磁线圈、静铁心和衔铁（动铁心）三个主要部分组成。电磁铁根据使用电源不同，分为直流电磁铁和交流电磁铁两种。1.6.1 直流电磁铁 图示为直流电磁铁的结构示意图。给电磁铁的励磁线圈中通入直流电流，铁心对衔铁产生吸力。作用在衔铁上的吸力为 F 电磁吸力B 空气隙中的磁感应强度S 铁心的横截面积（在图中，S=2S）。SBF27810 直流电磁铁的吸力F与空气隙的关系（F=f 1（）；电磁铁的励磁电流I与空气隙的关系（F=f 2（），称为电磁铁的工作特性电磁铁的工作特性，其特性曲线如图所示。从图中可见：当电磁铁起动时，衔铁与铁心之间的空气隙最大，磁阻最大；因磁通势不变，则 磁通最小，磁

22、感应强度亦最小，吸力最小。当衔铁吸合后，=0，磁阻最小，吸力最大。1.6.2交流电磁铁 交流电磁铁的平均吸力为 交流电磁铁的线圈电流在衔铁还没有吸合时要比吸合时大几到十几倍。由于吸合时间很短，吸合后电流立即降为正常值，因此对线圈没有大的影响。如果由于某种意外原因使电磁铁的衔铁被卡住，或因为工作电压低落不能吸合，则线圈会因长时间过流而烧毁。SBFm2701610五、课后小结五、课后小结 1.变压器、电动机等电器均采用高磁导率的硅钢片等铁磁材料制造铁心，使之形成闭合的磁路。2.磁路欧姆定律磁路欧姆定律为：磁路中产生磁通，磁通的大小与磁通势成正比，与回路中的磁阻Rm成反比。3.电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁而工作的电器。1.电磁铁的用途极为广泛，如工业生产中使用的起重电磁铁；电器设备中的接触器、继电器、制动器、液压电磁阀等中的电磁铁；磨床中的电磁吸盘等。5.电磁铁根据使用电源不同，分为直流电磁铁和交流电磁铁两种。谢谢观赏