磁场中的主要物理量课件.ppt

1、一、一、磁场中的主要物理量磁场中的主要物理量1.磁感应强度和磁通磁感应强度和磁通磁感应强度磁感应强度(magnetic induction)是是磁场的基本物理量，它是根据洛仑兹力磁场的基本物理量，它是根据洛仑兹力来定义的，是一个矢量，用符号来定义的，是一个矢量，用符号B来表来表示。其方向与磁场的方向一致，可以用示。其方向与磁场的方向一致，可以用能够自由转动的小磁针来测定。能够自由转动的小磁针来测定。绪论绪论放在磁场中某处的小磁针放在磁场中某处的小磁针N极极所指的方向就是该点磁感应强度所指的方向就是该点磁感应强度的方向；其大小是运动电荷在磁的方向；其大小是运动电荷在磁场中受到磁场力的作用，当运动

2、场中受到磁场力的作用，当运动电荷与磁场的方向垂直时，它电荷与磁场的方向垂直时，它所所受到的磁力最大，记为受到的磁力最大，记为Fmax。通常用磁感应强度线来描绘磁场中各点通常用磁感应强度线来描绘磁场中各点的情况。其方向代表该点磁感应强度的的情况。其方向代表该点磁感应强度的方向，其大小用该点附近磁感应强度线方向，其大小用该点附近磁感应强度线的疏密程度来表示。的疏密程度来表示。磁感应强度线是连续的闭合曲线，且任磁感应强度线是连续的闭合曲线，且任意两根磁感应强度线不可能相交。如果意两根磁感应强度线不可能相交。如果磁场是由电流产生的，电流也是闭合流磁场是由电流产生的，电流也是闭合流动的，即磁感应强度线总

3、是与电流线相动的，即磁感应强度线总是与电流线相互交链的。互交链的。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磁感应线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手右手螺旋法则螺旋法则(2)磁场中的磁感应线不相交，每点的磁感应强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度的方向确定唯一(3)载流导线周围的磁感应线都是围绕载流导线周围的磁感应线都是围绕电流的闭合曲线电流的闭合曲线 磁通量磁通量 通过磁场中某一面积的磁感应线数称为通过通过磁场中某一面积的磁感应线数称为通过该面积的磁通量该面积的磁通量(磁通磁通)，符号，符号、单位、单位Wb =BScos 2.磁场强度和磁导率磁场强度和

4、磁导率 磁场强度是描述磁场的另一个重要的物磁场强度是描述磁场的另一个重要的物理量。理量。磁场中某点的磁场强度只取决于产生这磁场中某点的磁场强度只取决于产生这个磁场的运动电荷个磁场的运动电荷(或电流或电流)的分布，而与的分布，而与介质无关。也就是说，在确定的运动电介质无关。也就是说，在确定的运动电荷荷(或电流或电流)分布所产生的磁场中，如果分分布所产生的磁场中，如果分别充满不同的介质，则磁场中同一点的别充满不同的介质，则磁场中同一点的磁场强度磁场强度H是相同的。而磁感应强度随着是相同的。而磁感应强度随着介质的不同而不同，不同的程度取决于介质的不同而不同，不同的程度取决于介质的磁导率介质的磁导率。

5、在国际单位制在国际单位制(SI)中，由后面介绍的中，由后面介绍的安培环路定律可知，磁场强度的单位是安培环路定律可知，磁场强度的单位是安安/米，符号为米，符号为A/m。磁导率磁导率(permeability)是反映物质导磁能是反映物质导磁能力或物质被磁化能力的物理量。力或物质被磁化能力的物理量。磁场强度磁场强度H、磁导率、磁导率 B=H 磁导率，决定于介质性质，磁导率，决定于介质性质，Hm。变化。变化范围很大。范围很大。真空磁导率真空磁导率 0=4 10-7Hm 非铁磁物质如空气、铜、铝和绝缘材料等，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近似等于真空磁导率 铁磁物质如铁、镍、铝

6、及其合金，磁导率铁磁物质如铁、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。通远大于真空磁导率达数千甚至上万倍。通常以相对磁导率常以相对磁导率 表示铁磁物质的磁导率表示铁磁物质的磁导率比真空磁导率增大的倍数比真空磁导率增大的倍数在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的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大得多磁通比空心线圈的磁通大得多电磁感应定律电磁感应定律 磁链：一个线圈放在磁场中，线圈所环绕的磁链：一个线圈放在磁场中，线圈所环绕的总磁通叫做磁链。总磁通叫做磁链。如果线圈只有一匝，则线圈的磁链就等于磁如果线圈只有一匝，则线圈的磁链就等于磁通；如果线圈有多匝，则线圈的磁链

7、就等于通；如果线圈有多匝，则线圈的磁链就等于各匝磁通之和各匝磁通之和。感应电动势：一个线圈放在磁场中，当磁场感应电动势：一个线圈放在磁场中，当磁场发生变化时，线圈中会产生电动势，这种电发生变化时，线圈中会产生电动势，这种电动势称为感应电动势。动势称为感应电动势。当线圈闭合时，就会当线圈闭合时，就会产生感应电流。产生感应电流。电磁感应定律：当线圈环绕的磁链发生变电磁感应定律：当线圈环绕的磁链发生变化时，线圈中产生感应电动势。感应电动化时，线圈中产生感应电动势。感应电动势的大小等于磁链随时间的变化率。感应势的大小等于磁链随时间的变化率。感应电动势的方向可由楞次定律给出。电动势的方向可由楞次定律给出

8、。假定感应电动势的参考方向与磁通的参考假定感应电动势的参考方向与磁通的参考方向成右手螺旋关系，感应电动势的表达方向成右手螺旋关系，感应电动势的表达式式et dd两种感应电势线圈中磁链的变化线圈中磁链的变化(1)磁通本身就是由交流电流所产生，也就是磁通本身就是由交流电流所产生，也就是说磁通本身随时间在变化着，这样产生的说磁通本身随时间在变化着，这样产生的电势称为电势称为变压器电势变压器电势。（线圈与磁场相对。（线圈与磁场相对静止）静止）(2)磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁场间有相对运动而引起线圈中磁链的变化，场间有相对运动而引起线圈中磁链的变化，这样产生

9、的电势称为这样产生的电势称为运动电势运动电势或速度电势或速度电势 e=Blv dtdeBlve 楞次定律：楞次定律：当闭合线圈环绕的磁链发生变当闭合线圈环绕的磁链发生变化时，线圈中感应电流所产生的磁场总是化时，线圈中感应电流所产生的磁场总是企图抵消原磁场的变化。企图抵消原磁场的变化。闭合线圈中产生感应电流的原因是感应电闭合线圈中产生感应电流的原因是感应电动势，因此动势，因此感应电动势的方向与感应电流感应电动势的方向与感应电流方向相同。方向相同。当线圈不闭合时，感应电流为当线圈不闭合时，感应电流为零，但感应电动势依然存在。零，但感应电动势依然存在。电磁力电磁力 载流导体位于磁场中时，导体上受到力

10、载流导体位于磁场中时，导体上受到力Fe 单相变压器单相变压器一、电机中的典型磁路（主、漏磁通）一、电机中的典型磁路（主、漏磁通）N1N2电能电能i1输入电能输入电能磁磁 场场电能电能i2输出电能输出电能磁路基本定律磁路基本定律旋转电机旋转电机机械端口机械端口转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电端口电端口ABC磁磁 场场电能电能机械能机械能磁路磁路:磁通所走的路径。磁通所走的路径。旋转电机横截示意图面旋转电机横截示意图面 1.1.安培环路定律安培环路定律 沿空间任意条闭合回路，磁场强度沿空间任意条闭合回路，磁场强度H H的线积分等的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。于该闭合回路所包

11、围的电流的代数和。i3l H dl i2 i1 注：注：若若i i与与l l符合右手螺旋关系，取正号，否则取符合右手螺旋关系，取正号，否则取负号负号 。其中大拇指所指为。其中大拇指所指为i i的的方向，四指为方向，四指为l l方向。方向。lHd li H H：磁场强度，安：磁场强度，安/米米(A/mA/m)Fe FeFNiH lH 其中：其中：F=NiF=Ni：磁路的磁动势：磁路的磁动势 H HFeFel lFeFe：铁心上的磁压降：铁心上的磁压降 H H：气隙上的磁压降：气隙上的磁压降注：注：i i与与l l符合右手螺旋关系符合右手螺旋关系,电机学中习惯大拇指所指为电机学中习惯大拇指所指为l

12、 l的的方向，四指为多匝线圈中方向，四指为多匝线圈中i i方向。方向。当气隙长度当气隙长度远远小于两远远小于两侧的铁心截面的边长时，侧的铁心截面的边长时，铁铁心和气隙中为均匀磁场，则心和气隙中为均匀磁场，则 带气隙的铁心磁路带气隙的铁心磁路 2.2.磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律BA 在线性或可以近似地认为是线性的介质中在线性或可以近似地认为是线性的介质中有有 B=HH 其中其中是磁导率，是磁导率，H/mH/mBlNilA 将将=BA和和B=HH 代入代入Ni Hl，得，得mFRmF mlRAmR1mmARlm 磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律流入磁路节点的磁通的代数和应等于零流入磁

13、路节点的磁通的代数和应等于零 021yyc磁压磁压（磁位差）：（磁位差）：H H沿路径的线积分称该路径沿路径的线积分称该路径上的磁压。上的磁压。Um=Hdl磁势磁势：磁场回路所匝链的电流：磁场回路所匝链的电流 F=I*磁势、磁压的单位均为：磁势、磁压的单位均为：A 磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律 沿着任一闭合回路，其总磁压等于总磁势沿着任一闭合回路，其总磁压等于总磁势第二节 铁磁材料及其磁化特性 不同的磁性材不同的磁性材料有不同的磁料有不同的磁导率导率 同一材料当其同一材料当其磁通密度不同磁通密度不同时，亦有不同时，亦有不同的磁导率的磁导率 起始段，磁导率较小起始段，磁导率较小线

14、性区，磁导线性区，磁导率大且不变率大且不变饱和区饱和区三三 磁滞回线磁滞回线矫顽力矫顽力cH 由于磁滞，由于磁滞，当磁场强当磁场强度减小到零（即度减小到零（即 ）时，时，磁感强度磁感强度 ，而，而是仍有一定的数值是仍有一定的数值 ，叫做剩余磁感强度叫做剩余磁感强度(剩磁剩磁).rB0H0BrB 当外磁场由当外磁场由 逐渐逐渐减小时，磁感强度减小时，磁感强度 B并不并不沿起始曲线沿起始曲线 0P 减小减小，而，而是沿是沿 PQ比较缓慢的减小，比较缓慢的减小，这种这种 B的变化落后于的变化落后于H的的变化的现象，叫做变化的现象，叫做磁滞现磁滞现象象，简称，简称磁滞磁滞.mHmBmHPrBcHmHP

15、mBHBO磁滞回线磁滞回线Q四四 铁磁性材料铁磁性材料HBO软软磁材料磁材料HBO硬硬磁材料磁材料HBO矩矩磁铁氧体材料磁铁氧体材料 实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大差很大.i011i2i均匀磁路均匀磁路 B-H曲线曲线-i曲线曲线 BA及及Ni=HL 11 1）铁磁材料的磁化曲线）铁磁材料的磁化曲线22 2）空气的磁化曲线）空气的磁化曲线思考题：画带气隙的铁心磁思考题：画带气隙的铁心磁路的磁化曲线路的磁化曲线。气隙长度不。气隙长度不同，曲线之间有何不同？同，曲线之间有何不同？433 3、4 4）带气隙的铁心磁路）带气隙的铁心磁路的磁化曲线

16、的磁化曲线 (3 4)(3 4)四、铁心损耗四、铁心损耗(磁滞损耗和涡流损耗磁滞损耗和涡流损耗)磁滞损耗磁滞损耗 铁磁材料置于交变磁场中时，材铁磁材料置于交变磁场中时，材料被反复交变磁化与此同时，磁畴相互料被反复交变磁化与此同时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。种损耗称为磁滞损耗。磁带损耗磁带损耗PFe与磁场交变的频率与磁场交变的频率f、铁心的体、铁心的体积积V和磁滞回线的面积成正比和磁滞回线的面积成正比。涡流损耗涡流损耗 因为铁心是导电的故当通过铁因为铁心是导电的故当通过铁心的磁通随时间变化时，根据电磁感应定心的磁通随时间变

17、化时，根据电磁感应定律，铁心中将产生感应电动势，并引起环律，铁心中将产生感应电动势，并引起环流。这些环流在铁心内部围绕磁通作旋涡流。这些环流在铁心内部围绕磁通作旋涡状流动称为涡流，涡流在铁心中引起的状流动称为涡流，涡流在铁心中引起的损耗，称为涡流损耗。损耗，称为涡流损耗。23.1mfeBfp2mhfBp 磁场储能 磁场是一种特殊形式的物质磁场是一种特殊形式的物质，磁场中能够储存能量，在磁场建立过程中，能量由外部能源转换而来。电机电机通过磁场储能来实现机、电能量转换通过磁场储能来实现机、电能量转换 体积能量密度体积能量密度 磁场能量主要存储在气隙中 2212121BBHdvBHWmV电机的制造材

18、料电机的制造材料 导电、导磁、绝缘、散热和机械支撑导电、导磁、绝缘、散热和机械支撑 铜是最通用的导电材料铜是最通用的导电材料 钢铁是良好的导磁材料为了减小铁芯中钢铁是良好的导磁材料为了减小铁芯中的涡流损耗，导磁材料应当用薄片钢，的涡流损耗，导磁材料应当用薄片钢，称为电工钢片（硅钢片）。成分中称为电工钢片（硅钢片）。成分中含有含有少量的硅，使它有较高的电阻，同时又少量的硅，使它有较高的电阻，同时又有良好的磁性能有良好的磁性能。绝缘材料绝缘材料电路与磁路的类比U+-RIF+-Rm恒定磁通磁路就是产生磁通的励磁电恒定磁通磁路就是产生磁通的励磁电流是不随时间变化的直流电流，其产生流是不随时间变化的直流

19、电流，其产生的磁通势、磁通也都不随时间而变化，的磁通势、磁通也都不随时间而变化，有时也称为直流磁路。恒定磁通磁路的有时也称为直流磁路。恒定磁通磁路的线圈中不会产生感应电动势。从电路的线圈中不会产生感应电动势。从电路的角度来看，当线圈两端加直流电压时，角度来看，当线圈两端加直流电压时，其电流只取决于线圈的电阻，与磁路的其电流只取决于线圈的电阻，与磁路的性质无关。从磁路欧姆定律可知，磁路性质无关。从磁路欧姆定律可知，磁路的磁通势也是恒定的，但磁通的大小却的磁通势也是恒定的，但磁通的大小却与磁路的性质有关，它随磁阻的增加而与磁路的性质有关，它随磁阻的增加而减小，而铁磁材料的磁阻又与磁路的饱减小，而铁

20、磁材料的磁阻又与磁路的饱和程度有关。和程度有关。在具体介绍各种磁路的计算之前先说在具体介绍各种磁路的计算之前先说明以下几个共同的问题。明以下几个共同的问题。1.铁芯材料磁特性的选取铁芯材料磁特性的选取恒定磁通磁路的计算一般选取该磁路恒定磁通磁路的计算一般选取该磁路所用铁磁材料的基本磁化曲线作为其磁所用铁磁材料的基本磁化曲线作为其磁特性的表征。通常，基本磁化曲线也称特性的表征。通常，基本磁化曲线也称为直流磁化曲线。为直流磁化曲线。2.磁路的长度磁路的长度 在进行磁路计算时，一般都取其平均长在进行磁路计算时，一般都取其平均长度（中心线长度）作为磁路的长度。度（中心线长度）作为磁路的长度。3.磁路的面积磁路的面积 磁路中铁磁材料部分的截面积用磁路的磁路中铁磁材料部分的截面积用磁路的几何尺寸直接计算。但如果铁芯由涂有几何尺寸直接计算。但如果铁芯由涂有绝缘漆的薄钢片叠装而成时，这就使得绝缘漆的薄钢片叠装而成时，这就使得铁芯的有效截面积比其外表实际截面积铁芯的有效截面积比其外表实际截面积一小些，应考虑填充因数。一小些，应考虑填充因数。