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第五章电磁感应劳动(职业培训预备教材).ppt

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第五章电磁感应,§5-1电磁感应定律,§5-2自感电动势与自感系数,§5-3互感,§5-4涡流,§5-5RL电路的暂态过程,§5-1电磁感应定律,一、直导体中的感应电动势,1、电磁感应现象产生的条件 :一根直导线AB在均匀磁场中,用连接导线与检流计构成闭合回路如图5-1所示,当AB垂直向后运动时,指针偏转的情况,当AB平上下运动时指针的情况,是不动的。,2、感应电动势的大小,产生感应电动势的大小,与磁感应强度、导体的有效长度和运动速度成正比。即:,当导体运动方向与磁力线垂直时感应电动势为:,3、感应电动势方向,导体作切割磁力线运动所示所产生的感应电动势的方向,可用右手定则判定,如图5-2所示,例题1 在如图5-3所示的均匀磁场中,若导体在磁场中的长度为0.8m,电阻为0.5Ω,c磁场的磁感应强度为1.2 导体以2m/s的速度与磁力线成30°角的方向作匀速运动,并且导体与负载连接成闭合回路,已知电路中的电流为320mA,求导体两端的电压。,,,,,,,,,,,α,图5-3,例2、如图5-4所示所示,当直导线AB在金属方框上左右滑动时,试用右手定则判断标出导体中感应电动势的极性及方向、感应电流的方向以及检流计的偏转方向。 解:导体中感应电动势的极性及方向、感应电流的方向以及检流计的偏转方向如图所示。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,B,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,v,v,c,D,C,D,A,B,图5-4,二、线圈中的感应电动势,1、产生电磁感应的条件图5-5所示是一个空心螺线管,在它的两端接入检流计P,(1)用一条形磁铁迅速插入线圈(即通过线圈的磁通增加)时,检流计指针偏转。当将 磁铁迅速从线圈中抽出(即通过线圈的磁通减小)时,检流计指针偏转和速度指针偏转的情况。,(2)磁铁进入线圈后静止不动(即通过线圈的磁通不变),检流计指针不动。,,,,,,,,,,,,,,A,B,,,,,P,S,N,,图5-5电磁感应,总结,当导体相对于磁场运动而切割磁力线或者线圈中的磁通量发生变化时,在导体或线圈中都会产生感应电动势。若导体或线圈构成闭合回路,则导体或线圈中将有电流流过。,2、楞次定律,楞次定律的内容是:感应电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。也就是说,当线圈中的原磁通增加时,感应电流就要产生与它方向相反的磁通去阻碍它的增加(增反);当线圈中的原磁通减少时,感应电流就要产生与它方向相同的磁通去阻碍它的减少(减同)。,用楞次定律判断线圈中感应电动势或感应电流方向步骤如下:,(1)首先判断线圈中元磁通的方向及其变化趋势(即增加还是减少); (2)根据楞次定律确定感生磁通(即感应电流产生的磁通)的方向; (3)根据感生磁通方向,应用安培定则判断出线圈中感应电动势或高于电流的方向。,下面结合例题加以说明如图5-6所示,如图所示,试应用楞次定律判断条形磁铁插入或拔出线圈时,在线圈中产生的感应电动势和感应电流的方向。,解:(1)在图中,当磁铁插入线圈时,原磁通方向向下,并且增加(由φ=BS知,s虽不变,但B增大导致φ增加);,(2)根据楞次定律可知感生磁通方向应与原磁通方向相反,即向上;,,(3)根据感生磁通方向,应用安培定则可判断出感应电流和感应电动势方向如图所示。,感应电流从右端流入检流计,故检流计指针右偏。,由于线圈相当于一个电源,所以感应电流从线圈流出端应为感应电动势的正极,流入端应为感应电动势的负极,即e的机型是上负下正,方向向下。,用上述同样的方法可判断当条形磁铁拔出线圈时,产生的感应电流和感应电动势的方向如图b所示。,3、法拉第电磁感应定律,线圈中的感应电动势的大小由法拉第电磁感应定律计算。线圈中的感应电动势的大小与穿越同一线圈的磁通变化率(即变化快慢)成正比,这一规律叫做法拉第电磁感应定律。用公式表示为:,由上式可知,线圈中感应电动势的大小,取决于线圈中磁通变化的快慢,而与穿过线圈中的大小无关。,例题2 在一个B=0.01T的均匀磁场里,放一个面积为0.001 的线圈,其匝数为500匝。在0.1s内,把线圈平面从平行于磁力线的方向转过90°,变成与磁力线的方向垂直,求感应电动势的平均值。,解:在线圈转动过程中,穿过线圈的磁通量变化率是不均匀的,所以,不同时刻,感应电动势的大小也不相同,我们可以根据穿过线圈的磁通的平均变化率来求得感应电动势的平均值。,在时间0.1s内,线圈转过90°,穿过它的磁通从0变成,§5-2自感电动势与自感系数,一、自感现象,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,i1,i2,H1,H2,E,图5-5电感线圈接通电源,,,,,,,,,,,,,,L,L,,,,H,,S,S,,E,iL,图5-6电感线圈断开电源,R,如图5-5所示中,H1和H2为两个相同灯泡,R为电阻,L为铁心线圈。,,,,,,,,,,,,,,L,,,,H,,S,,E,iL,图5-6电感线圈断开电源,合上开关S时,H2立即亮,H1慢慢的亮起来。这是因为H1支路里串有线圈L,合上开关瞬时流过线圈的电流由突然增加的趋势,根据电磁感应原理线圈中要产生感应电动势和感应电流。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,i1,i2,H1,H2,E,图5-5电感线圈接通电源,L,S,R,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,i1,i2,H1,H2,E,图5-5电感线圈接通电源,L,S,R,由楞次定律可知,感应电流的方向和原电流的方向相反,阻碍线圈L和灯泡H1支路中的电流增加,故 H1不能立即亮起来。,,在如图5-6所示电路中,线圈的电阻比灯泡的电阻小得多,先合上开关S,使灯泡H正常发光后,再突然断开开关,在断开开关的瞬间,可看到灯泡H先亮一下,然后才熄灭,是因为线圈的存在。,线圈中的电流因开关断开而要急剧减少,流过线圈的磁通也相应要急剧减少,根据电磁感应原理,线圈两端便会产生较高的感应电动势,感应电动势通过灯泡H形成感应电流,而使灯泡闪亮。,,,,,,,,,,,,,,L,,,,H,,S,,E,iL,图5-6电感线圈断开电源,,,,,,,,,,,,,,L,,,,H,,S,,E,iL,图5-6电感线圈断开电源,从上述两个实验可以看出,当导体中的电流发生变化时,导体本身就产生感应电动势,这种电动势总是阻碍导体中原来电流的变化。这种由于导体本身的电流发生变化而引起的电磁感应叫自感,简称自感。在自感现象中产生的感应电动势叫做自感电动势。,二、自感系数,本线圈电流在本线圈每匝中产生的磁通叫做自感磁通,用φL表示。本线圈匝数N与自感磁通ΦL 的乘积叫做自感磁链,用ΨL表示,即ΨL=N φL,为了衡量线圈产生自感磁链 本领的大小,引入自感这一物理量。其定义是:线圈中通过单位电流所产生的自感磁链叫做自感(电感)用符号L表示。 即:,电感的单位是亨利,简称亨,用符号H表示。当线圈中通入1A的电流,产生的自感磁链是1wb时,则线圈的自感就是1H。除亨外,常用的单位有Mh(毫亨)和uH(微亨),注意:电感是一个物体的名称,自感是现象,电感是线圈的固有参数,它的大小取决于线圈的匝数、几何形状、线圈中的媒介质磁导率有关,而与线圈中电流的大小无关。如均匀密绕环形线圈的自感为:,当线圈结构一定时,如果线圈中媒介质的磁导率u是一个常数,那么线圈的电感就是一个常量,即ΨL与i是线性关系,这样的自感称为线性自感,如空心线圈就是线性自感。,如果线圈中媒介质的磁导率不是常数,线圈的自感就不是常数,即ΨL与i是非线性关系,这样的自感称为非线性自感,如铁心线圈的自感就是非线性自感。,三、线圈自感的计算,在实际工作中,常常需要估算线圈的电感,下面介绍环形螺旋线圈电感的计算,设螺旋线圈均匀地绕在某种材料做成的圆环上,线圈匝数为N,圆环的平均周长为L,对于这样的线圈,可以近似认为磁通都集中在线圈的内部,而且磁通在截面面积S上的分布是均匀的,当线圈通过电流i时,线圈内的磁感应强度为,且NΦ=Li可得,四、自感电动势,由于自感也是电磁感应,根据法拉第电磁感应定律,对于匝数为N的线圈,线性电感的感应电动势为:,该式表明线圈自感电动势与线圈自感和线圈中电流的时间变化率成正比。,例3 有一个电感为0.12H的线圈,在0.5S内电流由2A均匀地降到0.5A,求此线圈所产生的自感电动势是多大?,解:,自感电动势的方向仍可以根据楞次定律来判断。 自感电动势中的负号就是楞次定律的反映,它表示自感电动势的方向总是与原电流变化的趋势相反。下面根据如图5-7所示,通常都是根据原电流i的变化趋势来判断自感电流iL的方向,即:当线圈中原电流i增大时,iL与i的方向相反(增反);当线圈中原电流i减小时,iL与i的方向相同(减同)。由自感电流iL的方向可确定自感电动势eL的方向:iL流出线圈的一端为eL的“+”端,流进线圈的一端为eL的“-”端,如图,,,,,,,eL,,,+,_,增大 i,iL,eL,,,减小 i,iL,_,+,a),b),图5-7 自感电动势的方向,五、电感线圈中的磁场能量,通电线圈在切断电流的瞬间,能使与之并联的灯泡猛然一亮,然后逐渐熄灭。,这部分能量是以磁场能量的形式存储在线圈中,电感线圈和电容器一样也是储能元件。在电源切断的瞬间,磁场把它储存的能量释放出来,转换成灯泡的热能和光能的缘故。电感线圈中通过的电流越大、磁场越强,磁场能量就越大。这说明利用线圈可以将电能转换成磁能。,理论分析和实验都可证明,磁场能量WL与通过线圈的电流平方 及线圈自感L成正比 即:,磁场能量和其他能量一样,只能逐渐积累,或逐渐释放,不能突变。因此,由上式得出一个很重要的概念:线圈中的电流不能突变。,例4 有一个电磁铁线圈的自感L=100H,电阻R=11Ω,接通E=220V的直流电源,并达到稳定状态,问电磁铁中储存的磁能有多少?,解:电路中的电流为:I=E/R=220/11=20A 线圈中储存的磁能为:,六、自感的应用,1、日光灯 他是利用在镇流器中产生的自感电动势来点燃灯管的。日光灯的工作电路只要包括灯管、镇流器和启辉器,如图5-6所示,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,启辉器,灯管,,镇流器,,,S,,,~220V,电源,图5-6日光灯电路,其工作原理如下:日光灯的工作过程分启辉和工作两个阶段。当电源开关S合上后,由于加在灯管两端的220V电压太低,不能是灯管内的惰性气体氩电离导通,所以这是电源电压经开关、镇流器、灯丝直接加在启辉器两端,使启辉器发生放电,其触头受热闭合接通启辉电路,使镇流器线圈和灯丝中通过电流。启辉器发生辉光放电后其触头会因温度降低而突然断开,引起镇流器线圈中电流减小,由于自感作用,镇流器两端产生产生很高的自感电动势,并和电源电压一起加在灯管两端,使管内惰性气体氩电离导通,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,启辉器,灯管,,镇流器,,,S,,,~220V,电源,图5-6日光灯电路,产生的紫外线激励灯管发光。这时电流经镇流器、灯管形成回路,启辉器不再起作用。,2、滤波器,如图5-7所示是常见的整流设备中的滤波电路,它是利用铁心线圈的自感作用完成滤波的。它的作用是将整流后得到的脉动直流电中的交流成分滤除掉,得到更稳定的直流电压。,,,,,,,,,,,,,,,,整流,,,,,,,,,,,,C1,C2,输出电压,+,-,图5-7滤波电路,交流电压,当交流成分的电流流过铁心线圈时,会在线圈中产生自感现象,从而阻碍它通过,且频率越高,受到的阻碍作用越大。,当直流成分的电流通过铁心线圈时,由于电流恒定不变,故不会在线圈中产生自感现象,使直流电流不受阻碍作用而能够顺利通过。,§5-3互感,一、互感现象,如图5-8所示,线圈1和线圈2靠的很近。当第一个线圈1中有电流i1通过时,它所产生的穿过本身线圈的磁通叫做自感磁通,用φ1表示,其中一部分要穿过第二个线圈2,这部分磁通叫互感磁通,φ12表示。,Ψ12=φ12N2即为互感链。当电i发生变化时,则Ψ12也随时间变化,因此在第二个线圈中将产生感应电动势。同理,当电流i2发生变化时,则Ψ21也随时间变化,因此在第一个线圈中将产生感应电动势。这种由一个线圈中电流发生变化,而使另一个线圈中产生感应电动势的现象,叫互感现象,简称互感。产生的感应电动势,成为互感电动势。,二、互感系数,当线圈1通过变化的电流i1时,就在线圈2中产生了互感磁通Φ12,这样线圈1和线圈2之间就有了磁的联系,这种联系称做磁耦合。,为了定量表征这种互感耦合的情况而引入了互感系数这一物理量。在两个耦合线圈中,互感磁链与产生该磁连的电流之比叫做这两个线圈的互感系数,简称互感,用字母 M 表示,即:,互感只与两个线圈的结构、相互位置及介质的磁导率有关,而与线圈中的电流无关,三、互感电动势,据法拉第电磁感应定律可得,第一个线圈的电流i1发生变化时,在第二个线圈中产生的感应电动势为:,上式表明,当两个线圈的几何尺寸等参数决定后,一个线圈中互感电动势的大小正比于另一线圈电流的变化率。同理,第二个线圈的电流发生变化时,在第一个线圈中产生的感应电动势为:,互感电动势的方向可由楞次定律来确定,即:互感电动势的方向应以互感磁通的方向为准,并用安培定则确定。当电流增大,电流变化率△i/△t大于0,互感电动势为负,表明实际方向与参考方向相反;当电流减少时,电流变化率△i/△t小于0,互感电动势为正,表明实际方向与参考方向相同。,四、互感线圈的同名端,定义:我们把由于线圈绕向一致而产生感应电动势的极性始终保持一致的端子称线圈同名端。,我们有时候已经绕好的成品线圈如变压器、互感器从外观上是无法辨别其方向,而且在电路原理图中也不可能按照结构方向绘制成图作为线圈符号。因此常用来特殊标记“·”来表示线圈的绕向,有时也有“+”或“-”来表示。,有了同名端的标记之后,每个线圈的具体绕法及线圈之间的相对位置都不必在图中画出来。如图5-10所示可画成如图5-11a和5-11B的形式。,图中所标的M及双箭头,表示A、B两个线圈具有磁耦合 ,其互感为M。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1,2,3,4,A,B,,,,,,eL,eM,+,+,_,_,图5-12,设电流i1由A线圈1端流进并在增大,那么楞次定律可判断出A线圈中的自感电流与i1相反,则确定A线圈的自感电动势的极性如图(即eL是1端为正、2端为负);然后根据同名端的定义,可立即确定出B线圈的互感电动势eM是3端为正、4端为负。,M,§5-4涡流,涡流也是一种电磁感应现象,不过它是一种特殊形式 。,,如图5-13所示 是在整块铁芯上绕有一组线圈,当线圈中通有交变的电流时铁芯内就会产生交变磁通,这种交变磁通穿越铁芯而在铁芯中产生感应电动势。,由于铁芯看作一个闭合回路,因而在感应电动势作用下产生感应电流。如图虚线箭头所示。 定义:这种由于电磁感应而在铁芯内部产生的闭合的、旋涡状的感应电流成为涡流 涡流的产生对电气设备是有害的。它在铁心中流动时使铁心发热,引起不必要的能量损耗。铁心过热还会影响绕在铁心上的线圈的绝缘寿命。此外,涡流还具有削弱原来磁场的作用,即去磁作用。以上对电气设备都是不利的。,上述涡流造成的热能损耗与去磁作用都是电工设备运行中所不希望的,应该设法减小。通常是用增大涡流回路电阻的方法,来达到减小涡流的目的。,一般不采用整块铁心而是采用互相绝缘的0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠装制成铁心如图5-13b所示。,这样,一则可将涡流的区域分割划小,二则硅钢片材料的电阻率比较大,同时每片又经绝缘处理,从而大大增加了涡流回路的电阻,达到了减小涡流的目的。,在许多情况下,涡流是有害的,它对电气设备起着不良影响。但在另一种情况下,可利用涡流为人类造福,如图5-14所示,是电度表中阻尼装置原理图,当正常工作的铝盘在永久磁铁的两级间转动时,由于切割磁力线而在铝盘中产生感应电流,实际上就是涡流,,根据楞次定律可知涡流与永久磁铁磁场相作用,将使铝盘受到一个与转动方向相反的反抗力矩,以阻止铝盘的,加速转动从而起到阻尼作用,是铝盘很平稳的转动。正是利用涡流的这种作用做成阻尼装置。,涡流产生的热能也被用来加热金属,如高频感应炉就是一例。如图5-15 所示为高频感应炉的原理图。,把一个高频大电流的交流电源施加到绕制在坩埚外面的线圈上,在坩埚内放入需要熔化有色金属块。由于线圈中通入的高频大电流,它将产生一个强大的交变磁场,置于坩埚内的金属块因有交变磁通穿越而产生 很大的涡流,此涡流导致金属自身高温加热而熔化。,§5-5 RL电路的暂态过程,线圈是一切电机‘变压器、接触器及其他各种电磁器件的重要组成部分之一。由于线圈是用导线按照一定的尺寸绕制成的,因此线圈除具有电感外还具有一定大小的电阻。所以,一个线圈可以用R和L两个参数来表示,,因此线圈除具有电感外还具有一定大小的电阻。所以,一个线圈可以用R和L两个参数来表示,如图所示。,在稳态状态下(开关S闭合以后)流过线圈的电流 不发生变化,电路中的电流只决定电源电压和线圈本身的电阻,即I=U/R,但是,在电路接通或断开瞬间,情况就不同了,出现了和RC电路相似的暂态过程。下面分析RL电路在接通和断开瞬间电路中的电流、电压的变化规律。,一、RL电路接通直流电源,如上图5-16所示,当开关S合上瞬间,电路接通直流电源,流过电路的电流由无到有,线圈L中的磁通也随之变化,因而电感线圈中要产生自感电压以阻碍电流的变化,,使电路中的电流不能突变。故t=0时,i=0。电阻因没有电流流过,其电压UR=Ir=0;电感上的电压UL=U,这就是RL电路的初始状态。随着电流上升,电阻两端电压UR也随着上升,自感电压UL就下降,当电流继续上升,达到稳定状态时,即I=U/R,这时自感电压UL=0。,上述变化过程经数学计算和实验证明,通过电路的电流i是按指数规律上升的;,电阻两端的电压UR始终与电流i成正比(UR=iR);电感上的电压UL则按指数规律下降它们的变化规律如图5-17所示,5-17a电流变化规律,5-17b是电阻上的电压UR和电感上的电压UL的变化 规律。,RL电路中电流的增长速度或暂态过程的长短取决于电路的时间常数τ,则:,τ=L/R,式中τ---RL电路的时间常数,s; L---线圈的电感量,H; R---线圈中的电阻Ω。,综上所述可知:,1、RL电路刚接通直流电源时,通过电路的电流等于零,电感两端的电压即为电源电压。,2、RL电路接通直流电源后,通过电感的 电流按指数规律上升到稳定值,而电感两端的电压则按指数规律下降到零,并且电感两端电压最大时,电流却最小(等于零);而电感电压为零时,电流却最大。,3、电感只在电流有变化时才起作用。电感线圈两端的电压在电路进入稳态后,对决定电路的电流不起作用。此时通过线圈的电流由线圈的电阻决定。,二、RL电路的短接,在图5-18所示,开关s先置于1端,当电路进入稳态后再将开关S置于2端,这时RL电路通过开关s和连接导线被短接。,刚短接时(t=0)电感内的电流不能突变,故保持在i。短接后,t>0,电流又稳定值I=U/R按指数规律减小到零。随着i的减小,uR和uL同时按指数规律衰减,如图5-19所示,其下降速度与放电(短接)回路的时间常数τ有关。,三、通有电流的RL电路的断开,通有电流的RL电路的断开是电感电路工作状态发生变化的另一种情况。如图5-20所示当电路突然切断时,这在只有纯电阻的电路中,电流会立即减小到零。,但在RL电路中,由于电感具有阻碍电流变化的作用,使电流不能立即减小到零。,本章结束 下面是本章小结,
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