磁路及变压器教学教案.doc

磁路及变压器 变化的电流能产生磁场，磁场在一定条件下又能产生电流，二者密不可分，许多电气设备的工作原理是基于电磁的相互作用，如变压器、电机、电磁铁、电工测量仪表以及其他各种铁磁元件，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问题。只有同时掌握了电路和磁路的基本理论，才能对各种电工设备的工作原理作全面的分析。 与流经电路中的电流同理，流经磁路的磁通也遵循一定的规律，如磁路的欧姆定律等。磁路问题是局限于一定路径内的磁场问题，因此磁场的各个基本物理量也适用于磁路。磁路主要是由具有良好导磁能力的材料构成的，因此本章我们将对这种导磁材料的磁性能加以讨论。 磁路和电路是相关联的，因此本章我们还将研究磁路和电路的关系以及磁和电的关系。 通过以上的基本概念学习后，我们会对分析与计算磁路的基本方法加以讨论，最后，会讨论变压器及电磁铁等应用实例。 4.1．磁路的基本概念 为了更好地理解磁场的基本性质，掌握磁场的特性，我们可用下列几个在物理学中学过的基本物理量来表示，对此我们做一复习。 4.1.1．磁场的基本物理量 1．磁感应强度B 磁感应强度是用来描述磁场内某点磁场强弱和方向的物理量，是一个矢量。它与电流（电流产生磁场）之间的方向关系满足右手螺旋定则，其大小可用通电导体在磁场中某点受到的电磁力与导体中的电流和导体的有效长度的乘积的比值，来表示该点磁场的性质，并称作该点磁感应强度B。其数学式为： 在SI制中，B的单位是特斯拉，简称特（T）；以前也常用电磁制单位高斯（Gs）。两者的关系是 1T=104Gs 如果磁场内各点磁感应强度B的大小相等，方向相同，则称为均匀磁场。在均匀磁场中，B的大小可用通过垂直于磁场方向的单位截面上的磁力线来表示。 由上式可知，一载流导体在磁场中受电磁力气作用，如图3-1所示。电磁力的大小F与磁感应强度B、电流I、垂直于磁场的导体有效长度L成正比。其数学式为 （4-1） 式中，为磁场与导体的夹角；B、F、I，则 （4-2） 2．磁通 磁感应强度B（如果不是均匀磁场，则取B的平均值）与垂直于磁场方向的面积S乘积称为该面积的磁通，即 （4-3） 可见，磁感应强度在数值上可以看成为与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称为磁通密度。 在SI制中，的单位是韦伯，简称韦（Wb）；在工程上有时用电磁制单位麦克斯韦（Mx）。两者的关系是 1Wb=108Mx 3．磁导率μ 磁导率μ是表示磁场媒质磁性的物理量，也就是用来衡量物质导磁能力的物理量。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即 （4-4） 直导体通电后，在周围产生磁场，在导体附近点处的磁感应强度与导体中的电流、点所处的空间几何位置及磁介质的磁导率有关。其数学式为 由（3-4）可见，磁场内某一点的磁场强度H只与电流大小以及该点的几何位置有关，而与磁场媒质的磁性（(）无关，就是说在一定电流值下，同一点的磁场强度不因磁场媒质的不同而有异。但磁感应强度是与磁场媒质的磁性有关的。当线圈内的媒质不同时，则磁导率(不同，在同样电流下，同一点的磁感应强度的大小就不同，线圈内的磁通也就不同了。 自然界的物质，就导磁性能而言，可分为铁磁物质()和非铁磁物质()两大类。非铁磁物质和空气的磁导率与真空磁导率很接近，H/m。 任意一种物质磁导率和真空的磁导率的比值，称为该物质的相对磁导率，即 （4—5） 在SI制中，单位是亨/米（H/m） 上式表示相对磁导率就是当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度与在同样电流值下在真空中该点的磁感应强度之比所得的倍数。 4．磁场强度 磁场强度是计算磁场时所引用的一个物理量，也是矢量。磁场内某点的磁场强度的大小等于该点磁感应强度除以该点的磁导率，即 （4-6） 式中，的单位是安每米（A/m） 上式是安培环路定律（或称为全电流定律）的数学表示式。它是计算磁路的基本公式。 由图3-2可知，X点的磁场强度为 （4-7） 由式（3-7）可知，磁场强度的大小取决于电流的大小、载流导体的形状及几何位置，而与磁介质无关。 4.1.2．磁性材料的