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电工技术基础与技能
电工技术基础与技能 第五章
电 磁 应 用 技 术
第五章
5-3 磁路
电工技术基础与技能 第五章
图5-18所示为几种电器设备的磁路。图5-18a为单相变压器的磁路，它由同一种铁磁材料构成；图5-18b为直流电动机的磁路，图5-18c为继电器的磁路。后两种磁路常由几种不同的材料构成，而且磁路中还有很短的空气隙。
电工技术基础与技能 第五章
5.3.1 磁路物理量
1．磁通势Em
绕组的安匝数（匝数和电流的乘积）是产生磁通的源泉（类似于电路中的电动势），我们将其定义为磁通势，用Em表示，即
Em＝IN
式中，Em的单位为A（或安匝）。
2．磁通势与磁场强度的关系
H的单位为A/m（安/米）
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由上式可知，在一个闭合磁路中，当磁通势一定时，磁路越短，磁场强度越大，反之越小。因此，为了得到较强的磁场强度，磁路要尽量短。
3．磁阻Rm
磁阻的大小与磁路的长度成正比，与磁路材料的磁导率及截面积成反比，磁阻的单位为1/H（1/亨），其表达式为
要减小磁路的磁阻，就要减少磁路的长度，增加磁路的截面积和增加磁路材料的磁导率。
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4．磁路物理量应用总结
通过以上介绍的磁路物理量，给我们指明了磁路应用的方向。
（1）为了在较小的励磁电流下能获得较强的磁场，我们要采用磁导率高的铁磁材料，铁磁材料的磁导率越高，磁路的体积越小。现在，导磁材料在不断的发展，磁导率也在不断的提高。要选用新材料，新技术，以减小设备的体积，降低消耗。
（2）根据磁通势和磁阻的概念，磁路越短，磁阻越小，在相同的磁动势作用下，产生的磁通越大。
（3）根据磁阻的表达式，磁路越短、磁路材料的磁导率越高、磁路的截面积越大，磁阻越小。
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如果磁路是由几种不同的导磁材料组成，由于它们的磁导率不同，所产生的磁阻也就不同。图5-20是带有空气隙的闭合磁路，磁路中空气隙虽然很小，但磁阻很大。如图中空气隙只有1mm，但磁阻却可占到总磁阻的绝大部分，可见空气隙对磁路的影响之大。因此在需要低磁阻的磁路中（如变压器的铁心）应尽量减小空气隙。
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5.3.2 磁屏蔽
在第4章介绍了电场屏蔽，电气设备在工作时，同时也会产生磁场。如电动机、变压器、输电线路等，都会产生磁场。为了防止磁场对其它设备的干扰，可以采用磁屏蔽的方法将易受干扰的部分屏蔽起来。屏蔽原理是采用空腔铁壳（见图5-21），将被屏蔽的电路置于空腔中。由于铁磁材料的磁导率μ很大，铁心具有使磁感应线集中到自己内部的作用，空气中的磁力线沿着铁壳流动，使空腔内的磁力线为零，这就是磁屏蔽的基本原理。
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根据这一原理，有的电源变压器在外层包上一层铁皮，屏蔽变压器的磁场外漏；有的易感设备装在用铁皮制作的箱子中，有的设备装在铁制的控制柜中；铠装电缆在外层包上一层铁皮金属带，一是增加电缆的强度，二是防止电磁泄漏。
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5.4 电磁感应
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5.4.1 磁通变化率的概念
在上述试验中，我们看到了一个现象：磁通变化产生感应电动势（电流）。
线圈中有没有磁通和磁通有没有变化是完全不同的两个概念。线圈中磁通的变化和线圈中原来有没有磁通没有关系。分析磁通的变化率，就是分析磁通变化的快慢。如果磁通是线性变化，如图5-23a中直线2和3，磁通的变化率可以用磁通的变化量Φ除以磁通的变化时间t来表示
磁通线性变化率=
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当磁通不是线性变化（图5-23b），如上述实验中磁铁上下移动的速度不均匀，使磁通的变化不均匀。在磁通不均匀的变化过程中，为了能反映出磁通在短时间内某点变化量的大小，时间取得较短，并在时间前面加符号“”，称为瞬时，相应的在这个瞬时磁通的变化量前面也加“”，磁通非线性变化某点的瞬时变化率计算公式为
磁通非线性变化
某点的瞬时变化率=
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我们有了瞬时变化率的概念，就可以分析磁通变化的快慢了，例如，磁通Φ1在0.1s上升了0.1Wb和磁通Φ2在0.1s上升了0.5Wb，显然后者的变化率比前者大，或者说后者磁通变化的快。前后者的磁通变化率分别为1和5。
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【例】
已知线圈1中的磁通Φ1在0.02S内从1Wb上升到1.2Wb,线圈2中的磁通Φ2在0.02S内从0上升到0.4Wb,请计算两个线圈中的磁通变化率，并比较大小。
解：
线圈1的磁通Φ1变化率= =1
线圈2的磁通Φ2变化率= =2
线圈2的磁通变化率>线圈1的磁通变化率。
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5.4.2 电磁感应定律
以上实验中，闭合回路中产生感应电流，则回路中必然存在着电动势。由电磁感应产生的电动势称为感应电动势。
法拉第电磁感应定律：当闭合回路的磁通量发生变化时，回路中便有感应电动势产生，感应电动势的大小与导线交链的磁通变化率成正比。
1．线圈中磁通量变化产生感应电动势
在图5-22所示实验电路中，当将磁铁插入和抽出的过程中，与线圈交链的磁通发生了变化，当线圈有N匝，根据法拉第电磁感应定律，在线圈中的感应电动势表达式为
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式中，e——感应电动势，单位为V；
Φ——磁通，单位为Wb；
T——时间，单位为S；
N——线圈匝数。
2．切割磁力线产生感应电动势
如图5-24 a所示，当处在匀强磁场B中与磁场垂直的直导线l以速度υ垂直于磁场方向运动切割磁力线时，导线中便产生感应电动势。这是法拉第电磁感应定律的另一种应用形式，感应电动势的表达式为
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式中，e ——导体中的感应电动势，单位为V；
B——匀强磁场的磁感应强度， 单位为T；
l——磁场中导体的有效长度，单位为m；
υ——导体的运行速度，单位为m/s。
e的方向可由右手定则来判断（如图5-24b所示）。即将四指伸直，母指指向导体的运动方向，让磁力线从手心中穿过，四指所指的方向就是感应电动势的方向。
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【例】已知一匀强磁场，其磁感应强度B＝1T，在磁场中有一有效长度l＝0.1m的直导线，以υ＝10m/s的速度做垂直切割磁力线的运动，求导线中的感应电动势。
解： ＝1×0.1×10＝1V
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5.4.3 楞次定律
确定感应电流方向的楞次定律：如果回路中的感应电动势是由于穿过回路的磁通量变化产生的，则感应电动势在闭合回路中将产生一电流，由这一根据楞次定律，在图5-26a电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。
中，当磁体向下移动，穿过线圈的磁通增加，则线圈中感应电流产生的磁通应阻止原磁通的增加，其方向向上（图中虚线）；在图5-26b中，当磁体向上移动，穿过线圈的磁通减少，则线圈中感应电流产生的磁通阻止原磁通的增加，其方向向下。如果选择磁通Φ与感应电动势e的参考方向仍符合右手螺旋关系（如图5-26c所示），则根据楞次定律，感应电动势为
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式中：Φ的单位为Wb，t的单位为S，N的单位为匝，e的单位为V。
式中的“－”号根据楞次定律反应了感应电动势的方向。
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【例】 有一铁心线圈，线圈的匝数为1000，已知铁心中的磁通在1S内由0上升到0.1Wb，求线圈的感应电压。解：
式中负号表示电动势的实际方向与右手螺旋定则判断出的方向相反。
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活学活用—磁场中的导体受力作用
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