3.1 认知磁场的基本物理量（课件）《汽车电工电子技术》（清华大学出版社）

任务3.1 认知磁场的基本物理量 3.1.1 磁场的基本物理量 1.磁感应强度B 磁感应强度表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量，它是一个矢量。磁感应强度的方向与电流的方向之间符合右手螺旋定则。磁感应强度B的大小定义为：将长度为l的直导线垂直放入磁场中通过的电流为I，受到的电磁力为F，则磁感应强度为： 磁感应强度B的单位：特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2 。在工程 计算中，采用高斯（G），1G=10-4T 若在磁场各点磁感应强度大小相等，方向相同的，这样的磁 场称均匀磁场。 2.磁通 穿过垂直于磁感应强度B方向的面积S中的磁力线总数叫磁通。它是一个标量。 在均匀磁场中：  = B S （3-2） 或 B=  /S 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。 由公式（3-3）得出：磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通，故又称磁通密度。 磁通 的单位是韦[伯](Wb) 。 3.磁通链ψ 磁通链就是磁通量乘以线圈的匝数。磁通链代表了单位导体截面通过磁通量的多少，就是磁通的强度。 ψ=N 磁通链的单位：韦[伯](Wb) 4.磁导率 磁导率是表示磁场介质磁性的物理量，它衡量物质的导磁能力。磁导率 的单位为亨/米（H/m）。 真空的磁导率为常数，用 0表示，有： 0=4π×10-7H/m。 相对磁导率 r是任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。 自然界绝大多数物质比如空气、木材、铝对磁场强弱影响甚微， 其磁导率= 0 ，只有铁、钴、镍及其合金磁导率很大，能使 磁场大为增强，称为铁磁材料。铁磁材料是 0 几百倍，这样 通电线圈绕在铁磁材料制成的铁芯外，就可以以较小电流产生 较强的磁场，使线圈圈数、体积、重量减少。 5.磁场强度H 磁场中某点的磁感应强度在实际中很难求得，因为它不仅和电流导体的几何形状以及位置等有关，而且还与物质的磁导率有关。为了便于计算，引入一个计算磁场的辅助物理量，称为磁场强度。它与磁感应强度的关系是 磁场强度H的单位是安培/米（A/m)。 3.1.2 物质的磁性 1.非磁性物质 非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。 非磁性材料的磁导率都是常数，有：   0 ； r  1。 当磁场介质是非磁性材料时，有：B =  0 H ，即 B与 H 成正比，呈线性关系。如图3-1所示。 图3-1 非磁性物质线性关系 O H B 2. 磁性物质 磁性物质内部形成许多小区域，其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性，称这些小区域为磁畴。 (a) 磁化前 (b) 磁化后 图3-2 铁磁材料磁畴分布示意图 3.磁饱和性 磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。这一现象叫磁饱和。 图3-3 磁化曲线 3.磁滞性 实际工作时，如果铁磁材料在交变的磁场中反复磁化，则磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度H的变化，这种现象称为铁磁材料的磁滞现象，磁滞回线如图3-4所示。由图可见，当H减小时，B也随之减小，但当H=0时，B并未回到零值，而是B=Br，Br称为剩磁感应强度，简称剩磁。若要使B=0，则应使铁磁材料反向磁化，即使磁场强度为-Hc。 Hc称为矫顽磁力，它表示铁磁材料反抗退磁的能力。 图3-4 磁滞回线 3.1.3 磁性材料及磁路 1.磁性材料 按磁性物质的磁性能，磁性材料分为以下三种类型。 （1）软磁材料。软磁材料的特点是磁导率很大，而剩磁很小，易磁化，易退磁，反复磁化时磁滞损耗小，适用于反复磁化的场合。典型的软磁材料有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等，一般用来制造电机、电器及变压器等的铁芯。如汽车上的定子、起动机的转子及各种继电器的铁铁芯等。 3.1.3 磁性材料及磁路 1.磁性材料 按磁性物质的磁性能，磁性材料分为以下三种类型。 （2）永（硬）磁材料。永（硬）磁材料的特点是需要较强的外磁场的作用，才能磁化，而且不易退磁，剩磁较强。其典型材料有钴钢、碳钢等。因为剩磁强，不易退磁，故常用来制造永久磁铁。如汽车上使用的机油压力表、燃油表中均采用永磁式转子。汽车上也有永磁式的电动机。 3.1.3 磁性材料及磁路 1.磁性材料 按磁性物质的磁性能，磁性材料分为以下三种类型。 （3）矩磁材料。矩磁材料的特点是在很弱的外磁场作用下就能磁化，并达到磁饱和。当撤掉外磁场后，磁场仍然保持与磁饱和状态时相同。常用的有镁锰铁氧体等，在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。 2.磁路 跟导体对电流相似，一些物质（铁磁物质）对磁场具有良好的传导性，磁场在这些物质内遇到较少的阻碍，能够形成像电路一样的磁路。 （a）直流电机的磁路 （b）直流电磁铁的磁路 （c）变压器的磁路 图3-5 常见电气设备的磁路 磁通势为 Fm=NI 式中：Fm—磁动势，单位是安培（A）； N—线圈匝数； I—通过线圈的电流，单位是安培（A）。 通过线圈产生的磁通势与线圈的匝数N和通过的电流I的乘积成正比。 电路中有电阻，磁路中有磁阻，它是磁通通过磁路时受磁阻Rm的阻碍作用，Rm的大小与磁路的长度L成正比，与磁路的横截面积S成反比，并且与组成磁路材料的磁导率有关，其表达式为： Rm= 磁路的欧姆定律 = 在直流电流励磁的磁路中，磁通的方向不变，这样的磁路称为直流磁路，又称为恒定磁通的磁路。 在由交流电流励磁的磁路中，磁通随时间不断交变，这样的磁路称为交流磁路。交流磁路的励磁线圈称为交流铁芯线圈。交流铁芯线圈会产生磁滞损耗和涡流损耗。当磁路中的磁通交变时，会在铁芯中感应出旋涡状的电流叫涡流，如图3-6所示。为了减小涡流损耗将硅钢片绝缘叠成交流磁路铁芯，例如交流电机、变压器、交流接触器的铁芯等。 图3-6 涡流现象 $$