第2章-电磁现象及应用课件

电电工工电电子子技技术术第第2章章 电磁现象及应用电磁现象及应用2.1 磁磁场与磁路欧姆定律与磁路欧姆定律2.2 磁磁场对电流的作用流的作用2.3 电磁感磁感应1电电工工电电子子技技术术本章要求:了解磁铁及性能，磁场的磁力线表示法，理解电流的磁场、掌掌握握左左手手定定则和和右右手手螺螺旋旋定定则，了解磁通、磁感应强度及其关系，了解磁路欧姆定律。掌握磁掌握磁场对导体、半体、半导体的作用体的作用。理解电磁感应现象，掌掌握握感感应电动势的的计算算公公式式及方向判及方向判别，理解自感现象、互感现象。第第2章章 电磁现象及应用电磁现象及应用2电电工工电电子子技技术术2.1 磁场与磁路欧姆定律磁场与磁路欧姆定律 2.1.1 2.1.1 磁磁磁磁铁铁与磁与磁与磁与磁场场 1.磁磁铁：具有磁性的物质，分为 永久磁铁、暂时磁铁、天然磁铁、人造磁铁 磁磁铁的主要性的主要性质：（1）磁磁铁的两端磁性最的两端磁性最强强，为磁极磁极。指向南端的磁极叫南极南极(S)；指向北端的磁极叫北极北极(N)。（2）同性磁极互相排斥，异性磁极相互吸引同性磁极互相排斥，异性磁极相互吸引。磁极之间的这种相互作用力相互作用力，叫磁力磁力。（3）磁磁铁的的N、S两极相互两极相互依存依存，不能单独存在。3电电工工电电子子技技术术（4）原来没有磁性的物原来没有磁性的物质，放在磁，放在磁铁旁旁边会会获得磁得磁性性，这一现象叫磁化磁化。被磁化的物磁化的物质远离磁离磁铁后仍后仍保留一定的磁性保留一定的磁性，叫剩磁剩磁。2.磁场磁场 磁场磁场：磁力作用的空间，具有力和能的性质。磁场还具有强弱和方向，而且不同位置上的强弱 和方向也是不同的。磁力线磁力线：带有方向的闭合曲线。外部由N S,内部S N。磁力线在某点切线方向表示 该点磁场方向，而且磁力线 的疏密表示磁场强弱。4电电工工电电子子技技术术2.1.2 2.1.2 电电流的磁流的磁流的磁流的磁场场1、通、通电直直导体的磁体的磁场 通通电直直导体的磁体的磁场是以是以导体体 为中心的同心中心的同心圆，分布在垂 直于导体的平面上，且越靠 近导体的地方数量越多。例：用右手螺旋定则判断图中的电流或磁场方向。磁场的方向与电流的方向满足右手螺旋关系磁场的方向与电流的方向满足右手螺旋关系解:图a)电流向左 图b)垂直向 图c)磁场顺时针 图d)磁场逆时针5电电工工电电子子技技术术2、通、通电螺螺线管的磁管的磁场通电螺线管的磁场类似条形磁铁。实验证明，通电螺线管磁场的强弱与电流、通电螺线管磁场的强弱与电流、通电螺线管磁场的强弱与电流、通电螺线管磁场的强弱与电流、匝数成正比匝数成正比匝数成正比匝数成正比。实验还证明，磁场的方向与电流也满足右手螺磁场的方向与电流也满足右手螺磁场的方向与电流也满足右手螺磁场的方向与电流也满足右手螺旋关系。旋关系。旋关系。旋关系。6电电工工电电子子技技术术例：用右手螺旋定则判断图 a)中通电螺线管两端的极性及图 b)中电流方向。电流的周围存在磁场这一现象叫电流的磁效应电流的周围存在磁场这一现象叫电流的磁效应。电流的磁效应在汽车电器中有着广泛的应用。解：解：SN7电电工工电电子子技技术术3.电流磁效流磁效应的的应用用 电喇叭喇叭 组成：铁心心线圈圈产生电磁力 衔铁 带动膜片上下移动 控制触点状态 膜片膜片使空气产生震动 动断触点断触点控制线圈通断 工作原理工作原理:按下喇叭按钮线圈通电产生电磁力和膜片下移触点顶开，线圈电路被切断，磁力消失衔铁及膜片复位触点又闭合，线圈又通电产生磁力吸下衔铁和膜片。盆形喇叭结构图盆形喇叭结构图8电电工工电电子子技技术术2.1.3 2.1.3 磁磁磁磁场场的基本物理量的基本物理量的基本物理量的基本物理量1.磁通磁通 表示磁场内某一面积上磁场强弱的物理量。定定义：垂直穿过某一面积S中的磁力线总数。单位位:韦伯(Wb)1Wb=1Vs2.磁感磁感应强强度度 B 定义：垂直通过单位面积上的磁力线数。在均匀磁场中 方向方向:与电流的方向之间符合右手螺旋定则。单位单位:特斯拉(T)1T=1Wb/m29电电工工电电子子技技术术3.磁磁导率率 定定义：表示磁介质的磁性能的物理量，衡量物 质的导磁能力。单位位：亨/米（H/m）由实验测定，真空的磁真空的磁导率率为常数,用0表示，有 因为0是一个常数，故将其他物质的磁导率和它比较是很方便的。任一种物质的磁导率真空的磁导率0的比值，称为该物质的相对磁导率相对磁导率r，即“非铁磁物质非铁磁物质”，如空气等，r 1；“铁磁物质铁磁物质”，如铁、钴等，r 110电电工工电电子子技技术术2.1.4 磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律1.磁路的概念磁路的概念 在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的磁通的绝大部分大部分经过铁心形成心形成闭合通路，磁通的合通路，磁通的闭合路径称合路径称为磁路。磁路。直流电机的磁路直流电机的磁路电磁继电器的磁路电磁继电器的磁路11电电工工电电子子技技术术2.磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 式中:磁通势 F=NI，用于产生磁通；磁阻Rm=l/S，表示磁路对磁通的阻碍作用；l 为磁路的平均长度；S为磁路的截面积。注意：注意：由于不是常数，它随励磁电流而变，所以不能直接应用于磁路的计算，它只能用于定性分析。在磁路中，磁通与产生磁通的磁通势F(磁源)成正比正比，与磁路的磁阻Rm成反比反比，这就是磁路欧姆磁路欧姆定律定律，即 NISl12电电工工电电子子技技术术2.2.1 磁磁场对通通电导体的作用体的作用1.磁磁场对通通电直直导体的作用体的作用 电磁力磁力：通电直导体在磁场中所受的力。电磁力定律磁力定律：F=BILsin 牛顿（N）导体与磁体与磁场方向的方向的夹角角不同不同时，导体的受力情况也不同。体的受力情况也不同。如：如：导体与磁场平行，因=0，故不受力，F=0。导体与磁场垂直，因=90,故受力最大，F=BIL2.2 磁场对电流的作用磁场对电流的作用13电电工工电电子子技技术术左手定左手定则：伸平左手，使拇指与四指垂直，让磁力线垂直穿过掌心，若四指指向为电流方向，则拇指的指向就是受力方向。例：例：试判断图中直导体的电流方向或受力方向（图中 表示电流垂直纸面向里，表示电流方向垂直纸面向外）。解：解：a)直导体受力方向为向下直导体受力方向为向下 b)直导体电流方向为垂直纸面向外直导体电流方向为垂直纸面向外14电电工工电电子子技技术术2.磁磁场对通通电线圈的作用圈的作用 通电线圈在磁场中会受到转矩的作用，称为电磁磁转矩矩。单匝匝线圈圈：T=BIS cos N匝匝线圈圈：T=NBIS cos 式中 B 磁磁场的磁感的磁感应强强度度 I线圈通入的圈通入的电流流 S线圈的面圈的面积，矩形，矩形线圈圈 S=abad 线圈平面与磁圈平面与磁场的的夹角角(锐角角)15电电工工电电子子技技术术 N匝匝线圈圈 T=NBIS cos 线圈受到的圈受到的转矩大小与矩大小与线圈在磁圈在磁场中的位置相关中的位置相关 线圈平面平行磁力圈平面平行磁力线时，因=0,cos=1，故转矩最大T=NBIS 线圈平面垂直磁力圈平面垂直磁力线时，因=90,cos=0，故转矩最小T=0 可可见，通，通电线圈在磁圈在磁场中，磁中，磁场总要使要使线圈平面圈平面转到与磁力到与磁力线相垂直的位置。相垂直的位置。电磁磁转矩矩T 的的单位位：牛顿 米（Nm）电磁磁转矩矩T 的方向根据力偶确定的方向根据力偶确定。16电电工工电电子子技技术术例：例：图示为直流电动机结构示意图。设B=2T，I=40A线圈宽度d=20cm，长度L=30cm。试判断线圈的转向并计算转矩。解：解：原理：原理：当线圈通入电流时，磁场中受力产生转矩，使线圈转动并带动指针偏转。当转动力矩与弹簧产生的反作用力矩平衡时，指针停止转动，此时指针的指示值就是被测量的大小。线圈的转向为逆时针。转矩 T=BIScos =2400.06=4.8 Nm 通电线圈在磁场中受到转矩作用,从而转动的原理广泛用于直流电动机和测量仪表中。17电电工工电电子子技技术术2.2.2 磁磁场对通通电半半导体的作用体的作用1.霍霍尔尔效效应在磁极磁场中放入一个长方形的半导体薄片，使磁力线垂直于半导体表面，当在半导体的一个侧面上通入电流时，实验发现在另一个侧面上将出现一定的电压。霍霍尔尔效效应产生的生的电压叫叫霍霍霍霍尔尔尔尔电压电压U UH H。实验证明：RH 为霍尔系数 d 为半导体厚度18电电工工电电子子技技术术2.应用用举例例 美国美国美国美国GMGM公司霍公司霍公司霍公司霍 尔效应传感器尔效应传感器尔效应传感器尔效应传感器转速测量转速测量 在转子表面靠近边缘的地方固定一块小磁铁，将霍尔半导体(也称霍尔元件)设置在转子边缘靠近转子的地方，其正面对着磁铁。每当磁铁转到霍尔半导体正面时，半导体输出电压，磁铁转过后，输出电压为零。因此转子每旋转一周，霍尔半导体就输出一个脉冲。这些脉冲接入频率计或计数器即可测出转子转速。因为转子与曲轴连接在一起，因此这里测出的转速就是汽车发动机的转速。19电电工工电电子子技技术术2.3 电磁感应电磁感应当导体作切割磁力线运动或线圈中的磁通量发生变化时，在它们之中就会产生电动势。若导体或线圈被接成闭合回路，回路中还会有电流产生。这种磁生磁生电的的现象象，称为电磁感磁感应。2.3.1 2.3.1 直直直直导导体的感体的感体的感体的感应电动势应电动势 感感应电动势的大小的大小：e=BLvsin 式中：B 磁感磁感应强强度；度；v切割速度；切割速度；L有效有效长度；度；运运动方向与磁方向与磁场方向的方向的夹角；角；感感应电动势方向方向：用右手定则确定。20电电工工电电子子技技术术例：例：图示电路中直导体AB，受外力作用以v=20m/s的速度切割磁场。设磁场B=1T，导体L=0.5m、R=1，负载R=9。试计算AB中的感应电动势e和感应电流I及外力F外。解：解：感应电动势e方向方向如图所示感应电流I I方向方向如图所示由于导体作匀速直线运动导体作匀速直线运动，有：21电电工工电电子子技技术术2.3.2 2.3.2 线线圈的感圈的感圈的感圈的感应电动势应电动势 法拉第定律：法拉第定律：线圈产生的感应电动势的大小与穿过线圈的磁通量的变化率成正比。设线圈有N 匝，磁通的变化率为d/dt，则：楞次定律：楞次定律：在线圈回路中,感应电流的方向总是使其产生的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化。具体地说，若线圈回路由于磁通量增加而产生电磁感应，则感应电流的磁场与原来的磁场反向；若线圈回路由于磁通量减少而产生电磁感应，则感应电流的磁场与原来的磁场同向。22电电工工电电子子技技术术用楞次定律判断感用楞次定律判断感应电流流(电动势)方向的步方向的步骤：（1）确定线圈中磁通量的变化趋势(增加或减小)；（2）由楞次定律确定感应电流的磁场方向；（3）根据感应磁场方向，用右手螺旋定则确定感应电流方向；（4）根据一致原则由感应电流方向，定出感应电动势方向。23电电工工电电子子技技术术例：例：请判断磁铁插入和拔出线圈两种情况下线圈回路中感应电流和感应电动势的方向。24电电工工电电子子技技术术 设定感定感应电动势的参考方向与磁通的参考方的参考方向与磁通的参考方向符合右手螺旋关系，向符合右手螺旋关系，则线圈的感应电动势可用下式表达：例：例：在上图中，设N=1，d/dt=0.08Wb/s，试确定e的大小和方向。解：解：分析：分析：|e|=0.08V e的实际方向与图示相反e 利用上式分析计算电动势的大小、方向十分方便。利用上式分析计算电动势的大小、方向十分方便。25电电工工电电子子技技术术 由通入由通入线圈的圈的电流流发生生变化化而而产生感生感应电动势的的现象就称象就称为自感自感现象，象，由自感产生的感应电动势称为自感自感电动势，用符号eL表示。自感实验电路自感实验电路电感是表示线圈中单位电流产生的自感磁链的物理量电感是表示线圈中单位电流产生的自感磁链的物理量（H，mH）2.3.3 2.3.3 自感现象自感现象自感现象自感现象1.自感现象自感现象 2.自感电动势自感电动势设电流通过一匝线圈产生 (磁通)则电流通过N匝线圈产生=N(磁链)电感(自感):26电电工工电电子子技技术术线圈的电感与线圈的尺寸、匝数以及附近的介质的磁导率等有关。L空心线圈空心线圈 铁心线铁心线圈圈L S 线圈横截面积（m2）l 线圈长度（m）N 线圈匝数 介质的磁导率（H/m）空心线圈空心线圈:线性电感元件线性电感元件;铁心线圈铁心线圈:非线性电感元件非线性电感元件对线性电感元件，N=Li，有：自感电动势：自感电动势：27电电工工电电子子技技术术 上式表明，自感自感电动势与与电流的流的变化率（化率（变化化快慢）成正比。快慢）成正比。变化率越大，线圈的自感电动势越大，相反，越小。在直流电路中，电流变化率为零，自感电动势也为零，因此，线圈在直流圈在直流电路中路中为短短路状路状态。自感电动势：自感电动势：负号表示负号表示自感电动势具有阻碍电流变化的性质自感电动势具有阻碍电流变化的性质自感电动势具有阻碍电流变化的性质自感电动势具有阻碍电流变化的性质。28电电工工电电子子技技术术例例：已知线圈中电流的实际方向及变化趋势，试判定线圈自感电动势的实际方向?注：注：eL=-Ldi/dt是在是在L为常数时导出的，是计算空心为常数时导出的，是计算空心线圈线圈eL的专用式。如果是铁心线圈，则应根据一般的专用式。如果是铁心线圈，则应根据一般公式当公式当eL=-d/dt计算。计算。解：解：-eL+eL29电电工工电电子子技技术术 型型滤波波电路路滤波原理波原理：当脉动电流中的交流成分通过铁心线圈时，线圈会产生自感电动势，这个自感电动势对交流成分起阻碍作用，使交流成分受到很大的衰减；而直流成分通过线圈时不产生自感电动势，因此直流成分会不受阻碍地通过线圈送到输出端。3.自感现象的应用自感现象的应用 （1）有利方面）有利方面 30电电工工电电子子技技术术（2）不利方面）不利方面表现在含有大电感的电器设备接通或断开的瞬间会出现过电压、过电流，使电器设备受到危害。传统汽车点火电路的原理图传统汽车点火电路的原理图 它由点火线圈(一次和二次线圈组成)、蓄电池、凸轮及触点等组成，其中蓄电池正极一次线圈触点蓄电池负极组成电流通路。31电电工工电电子子技技术术在电流通路中，触点起接通或断开电路的作用。当凸轮转动时，触点依次接通和断开，使通过一次线圈的电流急剧变化，将产生一个很高的自感电动势，其方向与蓄电池的电动势方向相同。两个电压叠加作用到触点上，在触点之间产生火花，使触点烧坏。为了保护触点，通常在触点两端并联一个电容器C，以吸收贮藏在线圈中的磁场能，达到保护触点的目的。传统汽车点火电路的原理图传统汽车点火电路的原理图32电电工工电电子子技技术术 把由于一个把由于一个线圈的圈的电流流变化而引起另一个化而引起另一个线圈圈产生感生感应电动势的的现象就象就称称为互感互感现象象，由互感产生的感应电动势称为互感互感电动势，用eM表示。2.互感互感电动势 设线圈2一匝通过的互感磁通 12 则N2匝通过的互感磁链 12=N212互感实验电路互感实验电路 2.3.4 2.3.4 互感现象互感现象互感现象互感现象1.互感现象互感现象33电电工工电电子子技技术术互感互感互感互感电动势电动势与施感与施感与施感与施感电电流的流的流的流的变变化率（化率（化率（化率（变变化快慢）成正比化快慢）成正比化快慢）成正比化快慢）成正比互感电动势的方向用愣次定律和右手螺旋定则判断：(1)根据线圈1中电流的方向，确定线圈2中互感磁通的方向；(2)根据线圈1中电流变化的趋势，确定线圈2中互感磁通的变化趋势；(3)由楞次定律确定线圈2中感应磁通的方向；(4)由右手螺旋定则确定互感电流、电动势的方向。互感:互感电动势：互感电动势：34电电工工电电子子技技术术例：例：当线圈1的中的开关S闭合时，确定线圈2中互感电动势的方向S闭合时，线圈1的电流方向及其互感磁通方向如图S闭合时,i 12 2与12反向 i2、eM的方向解：解：2+eL35电电工工电电子子技技术术3.互感互感现象的象的应用用 （1）有利方面）有利方面 点火的过程如下：在触点断开瞬间，由于一次线圈的电流发生变化，会在二次线圈中产生高达10kV以上的互感电压。高电压加在火花塞电极两端，将引起火花塞极间跳火，从而点燃汽缸中的可燃混和气，使发动机工作。点火线圈点火线圈火花塞火花塞36电电工工电电子子技技术术（2）不利方面）不利方面 互感互感现象也会象也会带来危害。来危害。比如在电子设备中，若线圈之间的位置安排不当，则线圈之间会因为互感耦合而产生不必要的干扰，影响各自的工作，为此常把线圈的距离加大或垂直安放，以避免相互影响。又比如,对电磁干扰比较敏感的电子设备，常常制作屏蔽罩，以屏蔽外磁场的影响。屏蔽原理是由铁磁材料制作的屏蔽罩其磁阻很小，因而外磁场的绝大部分磁通沿罩壁通过，进入罩内的磁通极少，起到了屏蔽作用。37电电工工电电子子技技术术本章结束！38