磁的基本知识:磁场、磁路、磁性材料

线圈通入电流时,在其周围会产生磁场。把线圈套在铁心上,磁场会加强而且集中,并能吸引铁磁物质,使之运动。电磁吸盘、电磁阀、接触器、继电器等许多电气设备就是利用这种原理制成的。磁场被认为是一种能量,能吸引铁磁物质运动做功,把线圈通入的电能转化为铁质运动的机械能。借助于磁场,很容易实现电能和机械能的相互转换,导线切割磁场运动,导线会产生感应电动势,基于这种原理制成的发电机,就是把机械能转换为电能的一个实例。通电的导体在磁场中会受力运动,基于这种原理制成的电动机,就是借助于磁场实现电能转换成机械能的实例。变压器是借助磁场的变化,使一种电压等级的交流电能转化为另一种电压等级的电能。

以上事实说明了,一个电工仅掌握电路方面的知识,而不掌握磁路、磁场方面的知识,那么,他的知识是残缺不全的。从本节课开始将分四篇来学习有关知识,内容不是具体介绍每个电气设备的电磁原理,而是介绍它们共有的最基本的磁知识。这样,在学习各个电气设备时,才有扎实的基础。(有些部分在初级电工基础知识里面也是接触过的,这里再加深一次)。

磁场和磁路

如图下图a所示,线圈通入电流I时,在其周围产生磁场。在图中,磁场用虚线形象化地表示,称为磁力线。磁力线箭头方向表示磁场方向,磁力线是无始无终的闭合回线。产生磁场的电流称为励磁电流或激磁电流,电流值与线圈匝数N的乘积IN称为磁动势F,记作F=IN,单位为安匝。所产生的磁场方向与励磁电流方向之间符合右螺旋定则。磁场方向常用南(S)、北(N )极来描述,图a中,线圈上方为S极,下方为N极,把线圈包含的一段磁路称为内磁路,未包含的磁路(即空气中的磁路)称为外磁路,外磁路的磁场方向由N极指向S极,内磁路磁场方向则由S极指向N极。

线圈的磁场

为使较小的励磁电流能产生较大的磁场,并把磁场集中在一定范围内加以利用,常把线圈套在由铁磁材料制成的一定形状的铁心中。图b是电磁铁未吸合时的磁路。由于铁磁材料容易导磁,故大部分磁力线在铁心中形成闭合回路,这部分磁通称为主磁通Φ,另外一小部分磁力线则不经过铁心而经过空气形成闭合回路,这部分磁通称为漏磁通,记作Φs。

磁场的基本物理量

一、磁感应强度

磁感应强度(B)它是表示磁场中某一点磁场强弱和方向的物理量,是一个矢量。磁场中某一点的磁感应强度是用它对放在该点且垂直于磁场方向并通有1A电流、长度为1m的导体所产生的作用力来衡量的。其大小为:$B=F/Il$

$$B=F/Il$$

上式中参数含义分别是:

  • F:磁力(N);
  • B:磁感应强度(T);
  • I:电流(A);
  • l:长度(m)。

磁感应强度B的方向与磁场(磁力线)方向相同,即按励磁电流方向也符合右螺旋定则。

二、磁通

磁通(Φ)表示某一截面积A通过与之垂直方向的磁感应强度B的乘积,称为磁通Φ。

$$Φ=BA$$

Φ的单位是Wb(韦伯)。按Φ=BA,B=Φ/A的含义,B又可称为磁通密度,其单位可用$Wb/m^2$表示。

三、导磁率

导磁率(μ)是描述物质对磁场所呈现的导磁能力的物理量,单位为H/m(亨利/米)。真空的导磁率μ0最小,μ0=4π×107H/m。

某种物质的导磁率μ和真空导磁率的比值,称为相对导磁率,用μr表示。

$$\mu _{r}=\frac{\mu}{\mu_{0}}$$

自然界中,铁、钴、镍及其合金,导磁率很高(μr>>1),称为磁性材料或铁磁物质,常被利用做电气设备的元件材料。

四、磁场强度

磁场强度(H)由于通电线圈缠绕不同物质时,所产生的磁场强弱不同(B不同),为回避物质导磁率μ对磁路计算带来的麻烦,使计算简化,因而引入一个也是反映磁场大小和方向的物理量,称为磁场强度H,它也是矢量。

磁场强度定义为:

$$H=\frac{B}{\mu},B=\mu H$$

H的单位是A/m(安/米),方向与B相同。

由于H的定义式比值(B/μ),因此线圈缠绕不同物质时所产生的磁场强度H(不是B)与物质的导磁率μ无关。

磁性材料

电工设备中主要使用的磁性材料包括铁、钴、镍及其合金。他们具有的特性如下:

一、高导磁性:铁磁材料的导磁率很高,一般有几百至极板。

二、磁饱和非线性:磁性材料中,随着磁场强度H的增加,磁感应强度B亦随之增加,B=μ/H。B与H的关系曲线称为磁化曲线,或称B—H曲线,如下图所示。

磁化曲线

按定义,磁化曲线的斜率(U/B)便是导磁率μ。由B—H曲线可见,μ不是常数,即B—H线不是直线。随着磁场强度H增大到一定程度后,磁感应强度B便不再显著增大,而是缓慢地增加,最终甚至不再增加了。这种现象称磁饱和,该段B—H曲线称饱和段。

例如上图硅钢片B—H曲线,选B=1.1T时,H=4.5A/cm;若选B=1.3T,则H=9.5A/cm。两点比较,H增加1倍,而B仅增加18%。

磁滞曲线三、磁滞性:当铁心线圈通入交变电流(方向和大小均变化)时,铁心受到交变磁化,所得的磁化曲线不再是上图所示那样B值和H值是一一对应的一条曲线,而是如右图所示的由两条磁化曲线组成的回线状磁化曲线。在线圈反向电流逐渐减至零再逐渐增大为正向电流时(相应H值由b至0再到a),

磁感应强度B沿由4→5→6→1点组成的曲线变化;在线圈正向电流逐渐减至零再反向电流逐渐增加时(相应H值由a至0再到b),B沿由1→2→3→4点组成的曲线变化。当H已减到零值时,B值并未回到零值(相当于图中的2点和5点),即励磁电流已经不存在了,铁心仍有剩磁场Br,这种现象称为剩磁。永久磁铁就是利用Br剩磁制成的。欲使Br值回零,必须加一定值的反向电流(对应为反向H值,相当于图的2点变到3点),此时相应的值称为矫顽力,记作Hc。在交变磁化过程中,由于B值滞后于值回零的性质,故称磁材料具有磁滞性,相应的磁化曲线称为磁滞回线。

磁材料不同,其磁滞回线也不同,用途也不同,大体分为三类:

  1. 软磁材料。Br值和Hc值均较小,磁滞回线较窄。一般用作变压器、电动机、电磁铁等电气设备的铁心。硅钢片、坡莫合金属此类。
  2. 硬磁材料。Br值和Hc值均较大,磁滞回线较宽。一般用作永久磁铁,制造扬声器及仪表表头。碳钢、钴钢、铝镍钴,金等属此类。
  3. 矩磁材料。它是指磁滞回线呈窄矩形的磁性材料,在很弱的外磁场作用下也能磁化饱和,去掉外磁场后,磁性仍保持饱和状态。主要用作记忆元件及开关元件。镁锰、铁淦氧属此类。

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