电工学基础（下册） 高等院校学习丛书.pdf

机电能量转换
磁学原理与磁路
因为电磁学是工业上以及家庭中所遇到的大部分电气装置运
用的关键,若要研究电工技术,必须了解电磁学从家用设备中的
分马力装置到某些工业上应用的马力大型设备的一切大
大小小电动机和发电机,都取决于电磁场作为电系统和机械系统
间进行能量转换的耦合装置,反之亦然同样地,静止的变压器通
过磁场的媒介将能量由一个电系统转换到另一个电系统如在收
音机、电视接收机和配电线路等各种各样的应用中都用到变压器
其它重要器件例如断路器、自动开关和继电器为了它们
能正常运行需要有个有限范围的磁场本章目的在于向读者提供
基础知识,好让读者能识别磁场及其显著的特征,并能更便于理解
磁场在电气设备中的作用
正如前面所指出的,电工学这门学科是以从基础实验导出的
几个基本定律为根据的在电磁学的领域里,安培定律实际上作
为我们论述①的出发点根据安培在年对两根载流导体间
存在的力所做的实验中得到的结果,就容易定义诸如磁通密度、磁
场强度、磁导率及磁通等的量值这个基础一经建立以后,便注意
着眼于某些实用的工程材料磁性能的讨论以及“磁路”的概念,以
①这里不应得出在研究磁路的定量分析中这是唯一的出发点的推论法拉第
感应定律作为出发点也同样正确,而且当目的在于研究电磁波理论而不是论述机电能
量转换的理论时,宁可采用法拉第感应定律
有助于简化与分析磁性设备有关的计算
安培定律磁学量的定义
图所示的是一个经过简化改进了的安培实验其结构是
由一根很长的载有数值恒定的电流的导体,和长度为载
图说明由安培定律所描述的在电流元与载有电流的
很长导体之间存在的力
有数值恒定,方向与;相反的电流的导体元所组成导体元与
电流一起组成了电流元实际上导体元是其中通过
的闭合电路的一部分,但为了简便起见,除了长度电路部分均被
忽略此外,假定导体和位于同一水平面且相互平行根据
安培定律,对于这种结构,在导体元上存在着朝右的力而且其大
小是和以及导体四周的介质成正比,和导体间的距离成
反比按照制,此力的大小可表示为
式中的单位为安培, 的单位为米, 是介质的特性这个
实验更为有意义的一个发现,就是如果导体元被用作一个测试
装置来找出大小恒定,方向沿径向朝外的力的空间各点,则其轨迹
是半径为,圆心位置沿导体轴线的圆换言之, 这就能够确
定具有恒定力线的磁场在这方面,这里需要将式( 重写成
如下形式:
其中
显而易见,由式( 定义量具有力/(电流长度)的单位在
有理化制中表示为
式中表示“正比于”更仔细地观察上面的关系式可以发现的
含义的一个重要而又十分有用的方式记得
代入式( 可将用另一种方式表示为
由法拉第定律( 进一步注意到(伏秒)的单位与
磁通单位等效所以便能正常地得出实际上是个磁通密度的
结论,因为它的单位是磁通/平方米当用韦伯表示磁通,则的
单位为韦伯/米或特斯拉式( 表明决定的大小的系数,
但它也作为确定电流在电流元附近影响力场的方式值得注
意的是只要不等于零,力场与磁场具有同样的特性二者都
具有圆周轨迹,都是具有大小和方向的矢量然而,由于所定义
的方式,不论值为何,只要不等于零总是有磁场存在的
在下面将要研究到的电机学中,导体将称为磁场绕组,因为
它建立工作磁场,而导体元为其中一部分的整个电路则称为电枢
绕组
磁场方向很容易由右手定则来确定,它指出,若用右手握住磁
场绕组导体(在此情况下为导体大拇指所指为电流流动的方向,
则磁力线(或磁通密度)将位于包围导体的四指所指的方向
磁导率看一下式( 就知道此公式中除了比例因数以
外,所有其他因数均为已知, 是周围介质的一个特性当在铁中
而不是在空气中重复图的实验时,在和为同样数
值的情况下,则发现力要大上许多倍所以,对于不同的介质可
由式( )来确定,因为其中是唯一的未知量此外,由于磁
通密度的定义,式( 指出在特定的电流下使磁通密度增加
或减少的程度能用来描述周围介质的效应于是,当介质是铁而
不是自由空间时,可以说在给定的区域内,铁提供更大的磁场穿
透率,也就是说有更大的磁通密度其中嵌有导体的周围介质的
这种性质称为磁导率
假设图的导体是放置在真空(自由空间)中,并且力是在
特定的和值下测定的,对由式( )得出的用
单位表示的自由空间磁导率的结果是
磁导率的单位亦可从式( 得出于是
但是
牛米焦伏安秒
或
然而,伏秒/安就是用亨利表示的电感单位因此,磁导率的单
位是以亨/米表示的
在周围介质非自由空间的情况中,绝对磁导率仍然容易由式
)求出与从自由空间所获得的结果相比较而得出的量