电工电子技术与技能（非电类少学时）电工电子技术与技能（非电类少学时）程周主编程周主编中等职业教育课程改革国家规划新教材配套多媒体资源1 2 磁场及电磁感应2.1磁磁场2.2电磁感磁感应2.3磁路的基本磁路的基本概概念念2.4铁磁性物磁性物质123422.1 磁场u观察与思考观察与思考32.1 磁场u2.1.1磁场磁场1磁场是看不见的，但可以观察到磁场的效应。磁场是看不见的，但可以观察到磁场的效应。2在磁铁或电流（运动电荷）周围的空间里存在着磁场，磁场的性在磁铁或电流（运动电荷）周围的空间里存在着磁场，磁场的性质之一是它对任何置于其中的其它磁体或电流施加作用力。质之一是它对任何置于其中的其它磁体或电流施加作用力。 3磁场是电机工作原理的基础。作用在载流导线上的力是电动机工磁场是电机工作原理的基础。作用在载流导线上的力是电动机工作的基本原理；而当磁场变化时，线圈中感应的电动势是发电机工作的基本原理；而当磁场变化时，线圈中感应的电动势是发电机工作的基本原理。作的基本原理。 42.1 磁场u2.1.2磁场的方向及磁感线磁场的方向及磁感线1磁场是有方向的，规定：在磁场中的任一点，小磁针静止时磁场是有方向的，规定：在磁场中的任一点，小磁针静止时N极所指的方极所指的方向，就是该点的磁场方向。向，就是该点的磁场方向。2磁感线：为了形象地描绘磁场在空间的分布，在磁场中画出一些有方向磁感线：为了形象地描绘磁场在空间的分布，在磁场中画出一些有方向的、假想的系列曲线，曲线上任一点的切线方向与该点的磁场方向一致，这的、假想的系列曲线，曲线上任一点的切线方向与该点的磁场方向一致，这些曲线称为磁感线。些曲线称为磁感线。图图2.3 磁感线磁感线3磁感线不但可以描述磁场的方向，还可以描述磁场强弱的分布情况：磁磁感线不但可以描述磁场的方向，还可以描述磁场强弱的分布情况：磁场越强的地方，磁感线越密；反之越稀。场越强的地方，磁感线越密；反之越稀。 52.1 磁场u2.1.3磁感应强度磁感应强度1磁感应强度定义：在磁场中，设垂直于磁场方向的通电直导线受到的磁磁感应强度定义：在磁场中，设垂直于磁场方向的通电直导线受到的磁场力为场力为F，通过导线的电流为，通过导线的电流为I，导线的长度为，导线的长度为l，则，则F和的比值称为通电导线和的比值称为通电导线所在处的磁感应强度，用所在处的磁感应强度，用B表示。表示。2B的单位：特斯拉，用的单位：特斯拉，用T表示，或表示，或Wb/m2。3B是矢量，磁场中某处磁感应强度的方向就是该处磁场的方向。是矢量，磁场中某处磁感应强度的方向就是该处磁场的方向。4均匀磁场：若磁场中各点的磁感应强度大小相等，方向相同，称为均匀均匀磁场：若磁场中各点的磁感应强度大小相等，方向相同，称为均匀磁场。磁场。62.1 磁场u2.1.4安培定则安培定则1安培定则（右手螺旋定则）：通电长直导体在其周围产生磁场，它的磁安培定则（右手螺旋定则）：通电长直导体在其周围产生磁场，它的磁感线方向与电流方向之间的关系，可以用安培定则判断。感线方向与电流方向之间的关系，可以用安培定则判断。2安培定则的内容：右手握住导体，伸直拇指，拇指所指的方向表示电流安培定则的内容：右手握住导体，伸直拇指，拇指所指的方向表示电流的方向，弯曲的四指的方向表示磁感线方向。的方向，弯曲的四指的方向表示磁感线方向。 图图2.4 直流电流的磁场直流电流的磁场图图2.5 螺线管电流的磁场螺线管电流的磁场72.1 磁场u2.1.5磁通量磁通量1磁通量：穿过磁场中的某一截面的磁感线的数量，称为穿过这个磁通量：穿过磁场中的某一截面的磁感线的数量，称为穿过这个截面的磁通量，简称磁通，用截面的磁通量，简称磁通，用表示，单位是表示，单位是Wb（韦（韦伯伯）。）。2. 磁通量的表达式：磁通量的表达式： （2.2）图图2.6 磁通量磁通量82.1 磁场u2.1.6磁场对通电直导线的作用磁场对通电直导线的作用1安培定律安培定律安培力：通电直导线在磁场中受力，如图安培力：通电直导线在磁场中受力，如图2.7所示。所示。 图图2.7 通电直导线在磁场中受力通电直导线在磁场中受力安培定律的表达式：安培定律的表达式： 92.1 磁场u2.1.6磁场对通电直导线的作用磁场对通电直导线的作用2左手定则左手定则用左手定则判断安培力的方向。用左手定则判断安培力的方向。如图如图2.8所示为用左手定则判断安培力的示意图。所示为用左手定则判断安培力的示意图。 图图2.8 左手定则左手定则左手定则使用说明：伸开左手，使拇指与其余四指垂直，并且和手掌在一左手定则使用说明：伸开左手，使拇指与其余四指垂直，并且和手掌在一个平面上，把手放入磁场里，让磁感线垂直穿入手心，并使四指指向电流个平面上，把手放入磁场里，让磁感线垂直穿入手心，并使四指指向电流方向，则拇指所指的方向就是安培力的方向。方向，则拇指所指的方向就是安培力的方向。 102.1 磁场u2.1.6磁场对通电直导线的作用磁场对通电直导线的作用图图2.7 通电直导线在磁场中受力通电直导线在磁场中受力112.2 电磁感应u观察与思考观察与思考图图2.10 利用磁场产生电流利用磁场产生电流122.2 电磁感应u2.2.1 电磁感应及电磁感应定律电磁感应及电磁感应定律1电磁感应电磁感应 当穿过某一闭合导体回路所围面积的磁通量发生变化时，该回路中就会当穿过某一闭合导体回路所围面积的磁通量发生变化时，该回路中就会产生电流，这种现象称为电磁感应现象。产生电流，这种现象称为电磁感应现象。 在电磁感应现象中产生的电流称为感应电流，产生的电动势称为感应电在电磁感应现象中产生的电流称为感应电流，产生的电动势称为感应电动势。动势。2电磁感应定律电磁感应定律电磁感应定律的内容：导线中的感应电动势电磁感应定律的内容：导线中的感应电动势E的大小和导线交链的磁通的变的大小和导线交链的磁通的变化率化率 成正比。成正比。式中，式中，N为线圈的匝数为线圈的匝数 上式中，只有当与导线交链的磁通变化时，上式中，只有当与导线交链的磁通变化时，E才有意义。才有意义。 132.2 电磁感应u2.2.1 电磁感应及电磁感应定律电磁感应及电磁感应定律142.2 电磁感应u2.2.2 楞次定律和右手定则楞次定律和右手定则1楞次定律楞次定律 内容：闭合电路中产生的感应电流，它所产生的磁场总是阻碍原电路中磁内容：闭合电路中产生的感应电流，它所产生的磁场总是阻碍原电路中磁通的变化。应用楞次定律可以确定感应电动势的方向。通的变化。应用楞次定律可以确定感应电动势的方向。 图图2.11 楞次定律楞次定律 152.2 电磁感应u2.2.2 楞次定律和右手定则楞次定律和右手定则2右手定则右手定则右手定则是确定导线切割磁感线所产生的感应电动势方向的简便方法，其实质右手定则是确定导线切割磁感线所产生的感应电动势方向的简便方法，其实质是楞次定律的特殊情况。是楞次定律的特殊情况。判断方法：伸出右手，使拇指跟其余四指垂直，并且和手掌在一个平面内，把判断方法：伸出右手，使拇指跟其余四指垂直，并且和手掌在一个平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，拇指指向导体运动方向，四指所指方手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，拇指指向导体运动方向，四指所指方向就是感应电流的方向。如图向就是感应电流的方向。如图2.12所示。所示。 图图2.12 右手定则右手定则 162.2 电磁感应u2.2.2 楞次定律和右手定则楞次定律和右手定则2右手定则右手定则图图2.13 切割磁感线产生感应电流切割磁感线产生感应电流 172.3 磁路的基本概念1磁路：通常由铁心制成，而使磁通集中通过的回路，如图磁路：通常由铁心制成，而使磁通集中通过的回路，如图2.17所示。所示。 图图2.17 主磁通和漏磁通主磁通和漏磁通 2主磁通：铁心中的磁通主磁通：铁心中的磁通 。3漏磁通：少量磁通通过周围空气构成的回路（可忽略不计）。漏磁通：少量磁通通过周围空气构成的回路（可忽略不计）。4磁通磁通 ：线圈中电流有效值：线圈中电流有效值I与线圈匝数与线圈匝数N的乘积称为磁通势，的乘积称为磁通势，RM称为磁阻。称为磁阻。磁路欧姆定律磁路欧姆定律 = I N / RM。注意：注意：（1）磁阻）磁阻 RM表示物质对磁通具有的阻碍作用。不同物质的磁阻不同。若铁心中表示物质对磁通具有的阻碍作用。不同物质的磁阻不同。若铁心中存在空气隙，磁阻存在空气隙，磁阻RM会增大许多。会增大许多。（2）磁路的欧姆定律只适用于铁心非饱和状态。）磁路的欧姆定律只适用于铁心非饱和状态。 182.3 磁路的基本概念5磁路举例：磁路举例：图图2.18 几种磁路实例几种磁路实例 192.4 铁磁性物质u2.4.1 铁磁性物质磁化现象铁磁性物质磁化现象1磁畴：铁心自身有的自然磁性小区域。磁畴：铁心自身有的自然磁性小区域。2磁化：铁心中的磁畴沿外磁场作定向排列，产生附加磁场的现象，如图磁化：铁心中的磁畴沿外磁场作定向排列，产生附加磁场的现象，如图2.19（b）所示。）所示。图图2.19 磁畴和铁心的磁化磁畴和铁心的磁化 202.4 铁磁性物质u2.4.1 铁磁性物质磁化现象铁磁性物质磁化现象 图图2.20 磁化曲线磁化曲线 3铁磁材料：能被磁化的材料（例如：铁、钴、镍以及它们的合金和氧铁磁材料：能被磁化的材料（例如：铁、钴、镍以及它们的合金和氧化物）。化物）。4铁心的磁化过程可以用图铁心的磁化过程可以用图2.20描述。描述。OA段：大部分磁畴的磁场沿外磁场方向排列，段：大部分磁畴的磁场沿外磁场方向排列， 与与I成正比且增加率较大。成正比且增加率较大。AB段：所有磁畴的磁场最终都沿外磁场方向排列，铁心磁场从未饱和状态过渡段：所有磁畴的磁场最终都沿外磁场方向排列，铁心磁场从未饱和状态过渡 到饱和状态。到饱和状态。B点以后：称饱和状态，铁心的增磁作用已达到极限，同直线点以后：称饱和状态，铁心的增磁作用已达到极限，同直线1。 212.4 铁磁性物质u2.4.2 磁滞现象磁滞现象图图2.21磁滞回线磁滞回线 1磁滞：当铁心线圈通入交流电时，铁心会随交流电的变化而被反复磁化。在磁滞：当铁心线圈通入交流电时，铁心会随交流电的变化而被反复磁化。在磁化过程中，由于磁畴本身存在磁化过程中，由于磁畴本身存在“惯性惯性”，使得磁通的变化滞后于电流的变化。，使得磁通的变化滞后于电流的变化。2磁滞回线：反复磁化形成的封闭曲线，如图磁滞回线：反复磁化形成的封闭曲线，如图2.21所示。所示。 3磁滞损耗：铁磁材料在磁化时，外磁场克服磁畴的磁滞损耗：铁磁材料在磁化时，外磁场克服磁畴的“惯性惯性”消耗的能量。磁消耗的能量。磁滞损耗是引起铁心发热的原因之一。滞损耗是引起铁心发热的原因之一。 222.4 铁磁性物质u2.4.3 铁磁材料的分类及应用铁磁材料的分类及应用 铁磁材料根据磁滞回线的形状及其在工程上的应用，可分为软磁材料、硬铁磁材料根据磁滞回线的形状及其在工程上的应用，可分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料三类。磁材料和矩磁材料三类。 1不同材料的磁滞回线：如图不同材料的磁滞回线：如图2.22所示。所示。 图图2.22不同材料的磁滞回线不同材料的磁滞回线 232.4 铁磁性物质u2.4.3 铁磁材料的分类及应用铁磁材料的分类及应用图图2.22不同材料的磁滞回线不同材料的磁滞回线 2软磁材料：磁滞损耗小的铁磁材料，特点是磁滞回线狭长，面积小。软磁材料：磁滞损耗小的铁磁材料，特点是磁滞回线狭长，面积小。3硬磁材料：磁滞损耗大的铁磁材料，特点是磁滞回线宽大，面积大。硬磁材料：磁滞损耗大的铁磁材料，特点是磁滞回线宽大，面积大。4矩磁材料：磁滞回线接近矩形的铁磁材料，特点是受较小的磁场的磁化就可矩磁材料：磁滞回线接近矩形的铁磁材料，特点是受较小的磁场的磁化就可 以达到饱和，而去掉磁场后仍能保持饱和状态。以达到饱和，而去掉磁场后仍能保持饱和状态。 242.4 铁磁性物质u2.4.4 涡流涡流1涡流：交变的磁通穿过铁心产生感应电动势，因而会产生感应电流，它围绕涡流：交变的磁通穿过铁心产生感应电动势，因而会产生感应电流，它围绕磁感场线成旋涡状流动，如图磁感场线成旋涡状流动，如图2.23（a）所示。）所示。 2涡流损耗：涡流在铁心的电阻上引起的功率损耗。涡流损耗：涡流在铁心的电阻上引起的功率损耗。3减少涡流损耗：常将铁心分成许多彼此绝缘的薄片（硅钢片），使铁心中的减少涡流损耗：常将铁心分成许多彼此绝缘的薄片（硅钢片），使铁心中的电阻增大而涡流减少，这样可以有效地减少涡流损耗，如图电阻增大而涡流减少，这样可以有效地减少涡流损耗，如图2.23（b）所示。）所示。4涡流的应用：电磁炉涡流的应用：电磁炉图图2.23涡流涡流 25天然磁石天然磁石 Fe3O4u吸铁性吸铁性u指南性指南性人类认识和使用最早的磁性材料26司南指南车指南鱼27各种指南针挂件28 永磁材料 软磁材料 磁记录材料 特殊功能的磁性材料 磁弹性材料 磁电阻材料 磁制冷材料 磁流体 新型磁性材料的分类：29永磁材料在特定的空间内提供一个磁场利用永磁材料的吸铁性及指南性30由 于 成 本 低 廉 ， 铁 氧 体 磁 材 有 广 阔 的 应 用 领 域 ， 从 电 机 、 扬 声 器 到 玩 具 、 工 艺 品 ， 因 而 是 目 前 应 用 最 广 的 永 磁 材 料 。31铝 镍 钴 的 主 要 应 用 领 域 ： 电 子 点 火 系 统 、 电 度 表 、 伏 安 表 、 医 疗 仪 器 、 工 业 电 机 、 磁 力 簧 片 开 关 、 发 电 机 、 手 动 工 具 、 自 动 售 货 机 。 32铁铬钴变形永磁合金是由天津市天材科技发展有限公司 33金坛市磁性材料有限公司生产永磁铁氧体材料系列产品34烧结NdFeB永磁材料表面处理分电镀（Zn、Ni）、喷涂、电泳、磷酸钝化等，产品具有强的耐腐蚀性。 35用于手机、BB机振动器的烧结NdFeB永磁材料 36用于各种电机的烧结NdFeB磁瓦 37用于核磁共振成像仪及磁选机等的烧结NdFeB永磁材料 38各种规格的环形烧结NdFeB永磁材料 外径3mm160mm；内径：1mm140mm 39各种规格的圆片形烧结NdFeB永磁材料 尺寸范围：外径2mm160mm； 厚度：0.3mm60mm 40各种未经表面保护处理的烧结NdFeB永磁材料 41喷涂处理的烧结NdFeB永磁体 42各种管状烧结NdFeB永磁材料尺寸范围：外径3mm160mm；内径：1mm140mm 43圆柱形的烧结NdFeB永磁体 44软磁材料例如对于变压器，在线圈中加入磁芯后，将磁通限制在低磁阻的磁芯内，用较小激励电流，产生比没有磁芯时大得多的磁通，这就大大减少了电磁元件的体积。因此，加磁芯的基本目的是为链合或耦合两个或多个磁单元的磁通，提供容易通过的路径，将磁源和磁“负载”连接起来，作为磁通“汇流条”，同时减少磁元件的体积。 4546共模电感铁芯 磁放大器铁芯 漏电保护开关互感器铁芯 大功率开关变压器铁芯 深圳市天为科技有限公司47纳米晶开气隙恒电感 电流电压互感器用铁芯 小型开关电源变压器用环形铁芯 非晶恒电感 48 磁带 磁盘 磁卡磁记录媒体的分类：4950 磁带结构图示 5152磁记录介质 磁头磁盘结构534.4 MbyteIBM RAMAC 19552 kbits/in250x24” dia disks 80 Gbyte Seagate U series 200132.6 Gbits/in22 x 3.5”glass disks5455特殊功能的磁性材料磁弹性材料磁电阻材料磁制冷材料磁流体56磁弹性材料磁性材料在磁场的作用下形状发生改变，具体表现可为长度上的伸长或缩短，体积上的膨胀和收缩磁弹性材料应用模型57GMRGMR磁头不仅在厚磁头不仅在厚磁头不仅在厚磁头不仅在厚度上，而且在长度上度上，而且在长度上度上，而且在长度上度上，而且在长度上都在都在都在都在100100纳米以内纳米以内纳米以内纳米以内磁电阻材料磁性材料的电阻在磁场的作用下发生改变的现象Magnetoresistance (MR)58磁制冷材料磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术 ，基本原理是借助磁制冷材料的磁热效应（magnetocaloric effect）即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，而等温退磁时从外界吸取热量，以达到制冷目的 环境友好：无环境污染和破坏高效节能: 卡诺循环效率可达到 6070稳定可靠59磁流体磁流体又称磁性液体或铁流体。是一种对磁场敏感可流动的液体磁性材料。它是将掺入到载液中的铁磁性微粒（10nm）用分散剂均匀地分散，使成为某种具有流动性的悬浮状的胶态液体。这种液体具有在通常离心力和磁场作用下即不沉降和凝集又能使其本身承受磁性可以被磁铁所吸引的特性。 60用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于密封减震、医疗器械、声音调节、光显示等领域。宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一-磁性液体61许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子，如磁性细菌，鸽子，海豚，石鳖，蜜蜂，人的大脑等这里有大量的课题需要研究，特别需要有物理和磁学背景的人员参与，有利于对问题的理解生物磁性621975年即发现在磁性细菌体内有一排磁性纳米粒子磁性纳米粒子导航作用的物理原理和生物过程？63蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，G代表磁性颗粒。对地磁场的准确定位，磁偏角和磁倾角？64石鳖齿舌中含有大量一维纳米磁性丝一维纳米丝的丝由许多磁性柱构成，柱内是单畴粒子的集合。其生物功能未必只是加强齿舌的耐磨性。6566