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    电磁场基本概念介绍

    科技绿洲 ? 来源:电工知库 ? 作者:电工知库 ? 2023-09-22 16:52 ? 次阅读

    一、基本概念

    1、磁铁

    具有吸引铁、钴、镍等金属的能力,俗称吸铁石。

    2、磁场

    磁铁的周围有磁力作用的空间叫做磁场。

    3、磁极

    磁体两端磁性最强的地方叫做磁极。任何一块磁铁都有两个极,S极和N极。磁极间同性相斥,异性相吸。

    4、磁力线

    磁力线又叫做磁感线,是用以形象地描绘磁场分布的一些曲线。

    1)磁力线是互不交叉的闭合曲线,在磁体外部由N极指向S极,在磁体内部由S极指向N极;

    2)磁力线上任意一点的切线方向就是该点的磁场方向,即N极的指向;

    3)磁力线越密磁场越强,磁力线越疏磁场越弱。

    5、均强磁场

    磁力线均匀分布而又相互平行的区域,称为均强磁场。均强磁场是一个理想化概念,完全均匀的磁场是不存在的。匀强磁场内部的磁场强弱和方向处处相同。

    6、电流磁效应

    电流磁效应是指任何通有电流的导线,都可以在其周围产生磁场的现象。

    1)直线电流产生的磁场

    如下图所示,以右手拇指的指向表示电流方向,弯曲四指的指向即为磁场方向。

    图片2)环形电流产生的磁场

    如下图所示,以右手弯曲的四指表示电流的方向,拇指所指的方向即为磁场方向。

    图片7、磁感应强度

    磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量,常用符号B表示,单位为特斯拉,用符号T表示。磁感应强度又称为磁通量密度或磁通密度,简称磁密。

    1)磁场中某点磁感应强度的方向就是该点磁力线的切线方向,即放在该点的小磁针N极的指向。

    2)磁感应强度大小用公式表示为B=F/IL,式中

    B为均匀磁场的磁感应强度,T;

    F为通电导体受到的电磁力,N;

    I为导体中的电流强度,A;

    L为导体在磁场中的有效长度,即与磁力线垂直的长度,m。

    工程上磁感应强度的单位是高斯,用字母GS表示。

    8、磁通

    垂直通过某一面积S的磁力线数叫做磁通。Φ=BS,式中

    B为磁感应强度,T;

    S为垂直于磁场方向的面积,m2;

    Φ为磁通,Wb。

    工程上磁通单位是麦克斯韦,用字母Mx表示。

    9、磁导率

    磁导率是一种材料对一个外加磁场线性反应的磁化程度。磁导率通常用希腊字母μ表示。

    10、真空磁导率

    是指真空中的磁导率,又称磁场常数、自由空间磁导率或磁常数。常用符号μ?表示。

    11、相对磁导率

    是指特殊介质的磁导率和真空磁导率μ?的比值。相对磁导率常用符号μr表示。

    根据相对磁导率的大小,可以把物质分为三类。

    1)反磁物质

    相对磁导率略小于1,如铜和炭等物质,仅受到磁场非常微弱的排斥。

    2)顺磁物质

    相对磁导率略大于1,如锡和铝等。

    3)铁磁物质

    相对磁导率远大于1,甚至大到几千、几万倍。

    12、磁场强度

    磁场中某点磁感应强度B与介质磁导率μ的比值叫作该点的磁场强度。磁场强度取决于励磁电流、导体的形状和布置情况,而与磁介质的性质无关。H=B/μ,H单位为A/m,方向与B相同。

    二、铁磁材料的性能及分类

    铁磁性材料主要是指铁、钴、镍及其合金或某些含铁的氧化物。

    1、铁磁性材料的磁性能

    1)高导磁性

    (1)所谓铁磁性材料具有高导磁性,是指在外磁场作用下能够被强烈磁化而呈现很大磁性。铁磁性物质能够被强烈磁化,是由其特殊的微观结构决定的。

    (2)磁畴是指磁性材料内部的一个个小区域,每个区域内部包含大量原子,这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同,如下图所示:

    图片各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般具有很多磁畴,这些磁畴任意取向,排列混乱,磁性相互抵消,对外不显示磁性。但在外磁场的作用下,磁畴大致按外磁场的方向排列,这样就产生一个很强的与外磁场同方向的磁化磁场,使铁磁物质内的磁感应强度大大增加,从而使铁磁物质对外呈现很强的磁性。或者说铁磁物质被外磁场强烈磁化了。

    2)磁饱和性

    (1)磁饱和是磁性材料的一种物理特性,指的是导磁材料由于物理结构的限制,所通过的磁通量无法无限增大,从而保持在一定数量的状态。出现磁饱和的原因是当外磁场磁场强度H增大到一定数值时,铁磁物质内磁畴基本上已全部按外磁场方向排列,再增大H,附加磁场的增加也很有限。

    图片(2)上图是研究铁磁性材料磁化过程的实验装置和磁化曲线B-H曲线。图中环形铁圈内放的是待研究的铁磁性材料。利用双刀双掷开关可改变线圈中电流方向,利用调节电阻器来改变线圈中的电流大小,从而改变磁场强度H,线圈内部的磁感应强度B可用测量仪器测出。利用描点法可画出磁化线B-H曲线。

    (3)铁磁性材料饱和时的磁感强度Bm又称为饱和磁通密度Bs,它是铁磁性材料的一个重要磁性指标。由B=Φ/S可知,要得到一定的磁通Φ,容许磁通密度越大,所需铁芯的截面积就越小,而容许磁通密度则取决于铁磁性材料的Bs。

    3)磁滞性

    (1)铁磁性材料在反复磁化的过程中,它的磁感应强度总是滞后于它的磁场强度的变化,这种现象叫做磁滞。磁滞是由于掺杂和内应力等的作用,当撤掉外磁场时,磁畴的畴壁很难恢复到原状而表现出来的现象。

    (2)上图中当线圈电流减小到零时,由励磁电流产生的磁场强度H也为零,但铁芯在磁化时所获得的磁性还没完全消失,这时铁芯中所保留的磁感应强度称为剩磁。为去掉剩磁,要在线圈中通以反向电流,以便产生一个反向的磁场强度H来进行反向磁化,使剩磁为零的反向磁场强度叫矫顽力。

    (3)在铁磁性材料被反复交变磁化的情况下,表示B与H关系的闭合曲线称为磁滞回线。

    图片(4)磁滞损耗是铁磁性材料在反复磁化过程中,因磁滞现象外磁场要克服磁畴间阻碍使磁矩转向而消耗的能量。这部分能量转化为热能,使设备升温,效率降低,它是电气设备中铁损的组成部分。磁滞回线包围的面积越大,磁滞损耗越大。此外,磁滞损耗还和反复磁化的频率有关,频率越高,磁滞损耗就越大。

    2、铁磁性材料分类

    1)软磁材料

    软磁材料具有很高的导磁系数,剩磁和矫顽力都很小,磁滞回线窄,磁滞损耗小。一般用来制作电机、变压器及电器铁芯。常用的有硅钢、铸铁、坡莫合金和铁氧体等。

    2)硬磁材料

    具有较大的剩磁和矫顽力,磁滞回线较宽,一般用来制作永久磁铁。常用材料有碳钢、钴钢、钨钢等。

    3)矩磁材料

    矩磁材料的磁滞回线呈矩形,其特点是在很小的外磁场作用下,就能磁化并达到饱和。去掉外磁场后磁性基本饱和。矩磁材料可用来制作记忆元件。

    三、电磁感应现象

    1、电磁感应

    当导体相对磁场运动而切割磁力线或通过线圈的磁通发生变化时,导体或线圈中就会有感生电动势产生,如果导体或线圈是闭合回路的一部分,导体或线圈中就将有电流产生,这种现象叫做电磁感应。通过电磁感应产生的电流叫做感应电流。

    1)产生感应电流的条件

    通过闭合电路的磁通量发生变化。

    2)产生感应电动势的条件

    无论回路是否闭合,只要通过线圈平面的磁通量发生变化,线路中就有感应电动势。

    3)电磁感应现象的实质是产生感应电动势,如果回路闭合,则有感应电流,回路不闭合,则只有感应电动势而无感应电流。

    2、导体切割磁力线时的感生电动势

    1)导体切割磁力线产生的感生电动势或电流方向可用右手定则确定。

    2)导体切割磁力线产生感应电动势的计算公式为E=BLVsinα。式中

    B为均匀磁场的磁感强度,T;

    L为导体在磁场中的有效长度,m;

    V为导体切割磁力线运动的速度,m/s;

    α为导体切割磁力线运动的方向与磁力线的夹角;

    E为感生电动势。

    3)导体切割磁力线运动方向与磁力线平行时,α=0°,sinα=0,导体中产生的感生电动势e=0;

    导体切割磁力线运动方向与磁力线垂直时,α=90°,sinα=1,导体中产生的感生电动势Em=BLV。

    3、线圈回路磁通变化时的感生电动势

    通常用楞次定律来判断感生电动势的方向,用法拉第电磁感应定律来计算感生电动势的大小。

    1)楞次定律

    当闭合线圈回路中磁通量发生变化时,回路中就有感生电流产生,感生电流的磁场总是阻碍原磁场的变化。

    (1)线圈回路磁通变化产生的感生电动势或电流的方向,可以用楞次定律来确定。

    a、首先判断原磁通的方向及其变化趋势:增加还是减少;

    b、根据感生电流的磁场方向和原磁通变化趋势相反的原则,确定感生电流的磁场方向;

    c、根据感生电流的磁场方向,用右手螺旋定则判断感生电动势或感生电流的方向。

    d、原磁通量增加时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相反;当原磁通量减少时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相同,即增反减同。

    (2)楞次定律的另一种表述

    感应电流表现形式有三种:

    a、阻碍原磁通量的变化;

    b、阻碍物体间的相对运动;

    c、阻碍原电流的变化(自感)。

    2)法拉第电磁感应定律

    线圈回路磁通变化产生电动势的大小与通过线圈回路的磁通量的变化率成正比。N匝线圈感生电动势大小表达式:E=N△Φ/△t,式中

    N为线圈匝数;

    △Φ/△t为磁通变化率,Wb/s;

    E为感生电动势,V。

    4、自感

    1)自感

    由于线圈本身的电流发生变化而产生感生电动势的电磁现象叫做自感现象,简称自感。

    2)磁链

    磁链是导电线圈或电流回路所链环的磁通量。磁链等于导电线圈匝数N与穿过该线圈各匝的平均磁通量Φ的乘积,故又称磁通匝。用Ψ表示,Ψ=NΦ。

    3)自感系数

    线圈的磁链和电流的比值叫做线圈的自感系数,又叫电感。电感是表示线圈产生自感磁链本领大小的物理量。用L表示,L= Ψ/i。

    4)自感电动势

    由自感产生的感生电动势叫自感电动势。自感电动势的大小取决于线圈自感系数和本身电流变化的快慢,自感电动势方向总是阻碍电流的变化,即电流增大时,自感电动势的方向与电流方向相反,电流减小时,自感电动势的方向与电流方向相同。

    5、互感

    1)互感

    一个线圈中的电流变化在另一个线圈中产生感生电动势的电磁现象叫做互感现象。

    2)互感系数

    互感系数是互感现象中在一个电路中所感生的磁通除以在另一个电路中产生该磁通的电流,简称互感。其大小与线圈的匝数、尺寸、相对位置及线圈中介质的磁导率有关。

    3)互感电动势

    由互感产生的电动势叫互感电动势。互感电动势的方向仍可用楞次定律来判断,不仅取决于磁通的增减还与线圈的绕向有关。

    6、涡流

    1)涡流现象

    在一根导体外面绕上线圈,并让线圈通入交变电流,线圈就产生交变磁场。由于线圈中间的导体在圆周方向是可以等效成一圈圈的闭合电路,闭合电路中的磁通量在不断发生改变,所以在导体的圆周方向会产生感应电动势和感应电流,电流的方向沿导体的圆周方向转圈,就像一圈圈的漩涡,所以这种在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象。

    2)涡流损耗

    因涡流而导致能量损耗称为涡流损耗。涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。

    3)涡流抑制

    大块的导体在磁场中运动或处在变化的磁场中,都要产生感应电动势,形成涡流,引起较大的涡流损耗。为减少涡流损耗,常将铁心用许多铁磁导体薄片例如硅钢片叠成,这些薄片被分开呈梯形状,表面涂有薄层绝缘漆或绝缘的氧化物。磁场穿过薄片的狭窄截面时,涡流被限制在沿各片中的一些狭小回路流过,这些回路中的净电动势较小,回路的长度较大,再由于这种薄片材料的电阻率大,这样就可以显著地减小涡流损耗。所以,交流电机、变压器中广泛采用叠片铁芯。

    四、磁场对通电导体的作用

    1、磁场对通电直导体的作用

    通电导体周围存在磁场,将通电导体放入磁场中,根据磁体间的相互作用,它会受到磁场的磁力作用。

    1)通电直导体受到均匀磁场作用力的方向,可用左手定则来判断。

    图片2)通电直导体在均匀磁场中受力大小的计算公式为F=BILsinα。式中

    B为均匀磁场的磁感应强度,T;

    I为导体中的电流强度,A;

    L为导体在磁场中的长度,m;

    α为导体与磁力线的夹角;

    F为导体受到的磁力,N。

    3)导体与磁力线平行时,α=0°,sinα=0。F=0,说明导体不受磁场的作用。

    导体与磁力线垂直时,α=90°,sinα=1。Fm=BIL,是导体与磁力线垂直时受到的最大磁力。

    2、磁场对通电线圈的作用

    磁场对通电导体有作用力,因此对通电线圈也有作用力。

    1)如下图所示:

    图片在磁感应强度为B的均匀磁场中,放一矩形通电线圈abcd,ab和dc与磁力线平行不受力;ad和bc与磁力线垂直,根据左手定则可知ad和bc受力方向构成一对力偶。线圈在力矩的作用下将绕轴线作顺时针方向旋转。

    2)线圈的转动力距为M=BIS,式中

    B为磁感应强度,T;

    I为流过线圈的电流,A;

    S为线圈的面积,m2;

    M为电磁转矩,N.m。

    3)如上图b,当线圈平面与磁力线夹角为α时,线圈受到的转矩M=BⅠScosα。线圈平面与磁力线平行时,α=0°,cosα=1。线圈受到的转矩最大。

    线圈与磁力线垂直时,α=90°,cosα=0。线圈受到的转矩为零。

    3、通电导体之间的相互作用

    通电导体周围存在磁场,因此两根平行直导体通过电流时,它们之间也有电磁力。

    1)如下图所示:

    两根平行导体中电流方向相同时是吸引力,电流方向相反时是排斥力。

    图片2)两根平行直导体之间的作用力大小计算公式为F=μ?I?I?/2πd*L。式中μ?为真空磁导率;

    I?、I?为通过导体的电流,A;

    d为导体间的距离,m;

    L为平行直导体的长度,m;

    F为两平行直导体间的电磁力,N。

    3)当电路中发生短路故障时,导体中通过的短路电流极大,导体间的相互作用力极大,以致造成配电装置和电气设备的绝缘破坏和机械损伤。由两根平行直导体间相互作用力的计算公式可知,恰当选择支点距离和母线间隔距离可以防止平行母线间过大的电磁力。

    五、磁路与磁路定律

    1、磁路

    磁力线通过的路径称为磁路。

    1)为了使较小的激磁电流产生足够大的磁通,常用磁导率很高的铁磁材料做成各种形状的铁芯,把绝大部分磁通约束在一定的闭合磁路上。

    2)由于漏磁,一部分磁力线不通过铁磁材料,而是经过空气或其他材料闭合,通过铁芯的磁通叫做主磁通,铁芯外的磁通叫做漏磁通,一般情况下,漏磁通较小,常忽略不计。

    2、磁路定律

    1)磁路的欧姆定律

    (1)下图是一个简单的无分支磁路,设绕在铁芯上的线圈匝数为N,通过的电流为I,铁芯的平均长度为L,横截面积处处相同为S。

    图片(2)由Φ=BS=μHS=NI/L*μS可得Φ=F/Rm

    式中Φ为磁通,Wb,相当于电路电流;

    F为磁动势,A,相当于电动势;

    Rm为磁阻,相当于电阻。

    (3)磁路中的磁通与磁动势成正比,与磁阻成反比。磁路越长,磁阻越大,磁路横截面积越大,磁阻越小。磁阻还与磁路媒介质的磁导率μ成反比。

    2)磁路的基尔霍夫第一定律

    根据磁通连续性原理,取封闭回路,如下图所示:

    图片Φ?+Φ?-Φ?=0,即汇于封闭面处的磁通的代数和为零,这就是磁路的基尔霍夫第一定律。

    3)磁路的基尔霍夫第二定律

    图片(1)上图为一个环形螺线管,管内的磁场强度H=NI/L,NI=HL说明磁动势等于磁路的磁场强度和磁路平均长度的乘积。这个关系式通常叫做安培环路定律,HL常称为磁压降。

    (2)下图磁路分成三段,若第一段是铁磁物质,截面S?,平均长度L?;第二段是同一铁磁物质,截面S?,平均长度L?;第三段是空气隙,截面S?,平均长度L?。三段磁场强度分别为H?、H?、H?。

    图片对这样三段闭合磁路,安倍环路定律应写成NI=H?L?+H?L?+H?L?。即磁路的任意闭合回路中,所有的磁动势的代数和等于各段磁压降的代数和,这就是磁路的基尔霍夫第二定律。

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