模塊三?磁場及電磁器件68課題1磁場及電磁感應課題2自感與互感課題3電磁鐵在汽車電氣元件中的應用課題1磁場及電磁感應69學習目標1．了解磁場及其基本物理量。2．了解電流的磁效應、磁場對通電直導體的作用和電磁感應現象。3．掌握安培定則、左手定則、右手定則和楞次定律。4．了解磁路相關知識。70一、磁場及其基本物理量1．磁體與磁極人們把物體能夠吸引鐵、鎳、鈷等金屬及其合金的性質稱為磁性，具有磁性的物體稱為磁體。磁體兩端磁性最強的部分稱為磁極。一個可以在水平面內自由轉動的條形磁鐵或小磁針，靜止后總是一個磁極指南，一個磁極指北，如圖所示。指南的磁極稱為指南極，簡稱南極（S）；指北的磁極稱為指北極，簡稱北極（N）。71與電荷之間的作用力相似，磁極之間也有相互作用力：同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。72小磁針2．磁場與磁感線兩個互不接觸的磁體之間為什么會存在相互的作用力呢？這是因為磁體周圍的空間存在著一種特殊的物質——磁場。判斷某空間是否存在磁場，一般可用一個小磁針來檢驗，能使小磁針轉動并總是停留在一個固定方向的空間中存在磁場。條形磁鐵的磁感線如圖所示。為了形象地描繪磁場的大小和方向，人們引入磁感線的概念。73條形磁鐵的磁感線對磁感線有以下規定：（1）磁感線是互不交叉的閉合曲線。在磁體外部磁感線由N極指向S極，在磁體內部由S極指向N極。（2）磁感線上任意一點的切線方向就是該點的磁場方向，即放在該點的小磁針N極所指的方向。（3）磁感線的疏密程度表示磁場的強弱，磁感線越密的地方磁場越強，反之越弱。磁感線方向相同、分布均勻而又相互平行的區域稱為均勻磁場，反之則稱為非均勻磁場。74通常，平行于紙面的磁感線用帶箭頭的線表示。垂直于紙面向內的磁感線用符號“×”表示，垂直于紙面向外的磁感線用符號“·”表示。磁感線是人們為方便研究磁場而引入的物理概念，它不是客觀存在的。但是我們可以用實驗的方法把磁感線顯示出來。在條形磁鐵的上面放一塊玻璃板或紙板，撒上一些鐵屑并輕敲，鐵屑就會規則地排列成如圖所示的形狀，與磁感線相似。75用鐵屑模擬磁感線3．磁場的基本物理量（1）磁感應強度磁感應強度（B）是表示磁場內某點的磁場強弱和方向的物理量。磁感應強度的單位是特斯拉（T）。均勻磁場中各點的磁感應強度大小相等、方向相同。（2）磁通磁感應強度（如果不是均勻磁場，則取B的平均值）與垂直于磁場方向的平面面積的乘積，稱為通過該面積的磁通（Ф），即Ф=BS。磁通的單位是韋伯（Wb），簡稱韋。76（3）磁導率磁導率（μ）是一個用來表示磁場媒質磁性的物理量，也就是用來衡量物質導磁能力的物理量。磁導率的單位是亨利/米（H/m）。（4）磁場強度磁場強度（H）是描述磁場性質的物理量，通過它來確定磁場與電流之間的關系。磁場內某點的磁場強度的大小等于該點磁感應強度除以該點的磁導率，即

。磁場強度的單位是安培/米（A/m）。77二、電流的磁效應與安培定則1．電流的磁效應任何通有電流的導線周圍都存在磁場，電流產生磁場的現象稱為電流的磁效應。可以通過如圖所示的實驗來驗證電流的磁效應，將開關閉合，會發現小磁針偏轉，這說明導線周圍有磁場存在。78電流磁效應的驗證2．安培定則通電長直導線及通電螺線管周圍的磁場方向可用安培定則來確定，安培定則也稱為右手螺旋定則。（1）通電長直導線周圍磁場方向的確定。如圖所示，用右手握住通電導線，讓拇指指向電流的方向，則彎曲的四指所環繞的方向就是磁感線的環繞方向。79通電長直導線周圍磁場方向的確定（2）通電螺線管周圍磁場方向的確定。如圖所示，用右手握住通電螺線管，讓彎曲的四指環繞的方向與電流方向一致，則拇指所指的方向就是螺線管內部磁感線的方向，也就是通電螺線管的磁場N極的方向。80通電螺線管周圍磁場方向的確定三、磁場對通電直導體的作用與左手定則通常把通電導體在磁場中受到的力稱為安培力。如圖所示，在蹄形磁體兩極所形成的勻強磁場中，懸掛一段直導線，讓導線方向與磁場方向保持垂直，導線通電后，可以看到導線因受力而發生運動。81通電直導體在磁場中受到安培力先保持導線通電部分的長度不變，改變電流的大小，然后保持電流不變，改變導線通電部分的長度。比較兩次實驗結果可以發現，當通電導線長度一定時，電流越大，電流所受安培力越大；當電流一定時，通電導線越長，安培力也越大。若交換磁極位置改變磁場方向，或改接電源極性改變導線中的電流方向，則導體的受力方向都隨之改變。通電直導體在磁場內的受力方向可用左手定則來判斷。如圖所示，平伸左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內，讓磁感線垂直穿入掌心，并使四指指向電流的方向，則拇指所指的方向就是通電導體所受安培力的方向。8283左手定則把一段通電導線放入磁場中，當電流方向與磁場方向垂直時，電流所受的安培力最大。此時安培力的計算式為：

F=BIl如果電流方向與磁場方向不垂直，而是有一個夾角α，這時通電導線的有效長度為lsinα（即l在與磁場方向相垂直方向上的投影）。安培力的計算式變為：F=BIlsinα84電流方向與磁場方向有一夾角α四、電磁感應現象、楞次定律與右手定則1．電磁感應現象利用磁場產生電流的現象稱為電磁感應現象。閉合電路中由電磁感應現象產生的電流稱為感應電流，產生感應電流的電動勢稱為感應電動勢。85電磁感應的驗證a）金屬棒水平運動?b）磁鐵靠近或遠離線圈2．楞次定律楞次定律適用于感應電流方向的判定：感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。86楞次定律判定感應電流方向a）磁鐵靠近線圈?b）磁鐵遠離線圈3．右手定則右手定則用于磁場中運動導體產生的感應電動勢方向的判定：平伸右手，拇指與其余四指垂直，讓磁感線穿入掌心，拇指指向導體運動方向，則其余四指所指的方向就是感應電動勢的方向，如圖所示。87右手定則五、磁路磁通（主磁通和漏磁通）經過的閉合路徑稱為磁路。永久磁鐵、鐵磁性材料、電磁鐵中都存在磁路。磁路是一種模型，用以研究含有用來導磁的鐵芯的電磁器件，這些器件利用磁路獲得所需的磁場。變壓器、電磁鐵等很多電氣設備都用鐵磁性材料做成各種形狀的閉合鐵芯。如圖所示是兩種常見的磁路，如圖a所示是變壓器的磁路，如圖b所示是兩極直流電動機的磁路。在下圖中，絕大部分磁通在磁路內部閉合，這部分磁通稱為主磁通；少數穿出鐵芯、經過磁路周圍弱磁性物質而閉合的磁通，稱為漏磁通。由于漏磁通只占總磁通的很小一部分，所以在磁路分析和計算中一般忽略不計。8889兩種常見的磁路a）變壓器的磁路?b）兩極直流電動機的磁路課題2自感與互感90學習目標1．了解自感和互感現象及其應用。2．掌握自感和互感現象中感應電動勢方向的判定方法。3．能正確完成點火線圈的檢測任務。91一、自感1．自感現象如圖所示為自感現象的實驗電路，EL1、EL2、EL3是完全相同的三只燈泡，L為鐵芯線圈，R1、R2、R3為電位器。當合上開關S時，如圖a中的EL1燈立即正常發光，而EL2燈卻是逐漸變亮。這是因為合上開關S時，因EL2燈與鐵芯線圈L串聯，通過鐵芯線圈L的電流由零開始增大，穿過鐵芯線圈L的磁通也隨之增加。根據楞次定律可知，這個增大的磁通會在線圈中引起感應電動勢，而感應電動勢又會產生一個磁通來阻礙原磁通的變化，根據安培定則可判斷出感應電流的方向與原流進線圈電流的方向相反，因此流進線圈的電流不能瞬間增大，EL2燈也只能慢慢變亮。所以，EL2燈必然要比EL1燈亮得慢些。9293自感現象的實驗電路a）開關閉合時的自感現象b）開關斷開時的自感現象在上圖b中，合上開關S，EL3燈正常發光后，鐵芯線圈L中也有電流流過，電流方向為從左到右。若將開關斷開，燈泡會突然地閃亮一下再熄滅。原因是斷開開關后，因失去外電源，線圈中的電流及磁通突然減小，于是線圈產生一個感應電動勢來阻礙原磁通的減小。由楞次定律可知，感應電流的方向與原電流的方向相同。由于感應電動勢通常較高，流過EL3燈的感應電流較大，因此燈泡會閃亮一下。由于導體本身電流發生變化而產生的電磁感應現象稱為自感現象，自感現象中產生的感應電動勢稱為自感電動勢（eL）。942．自感電動勢的方向自感電動勢的方向用楞次定律判斷。3．自感現象的應用自感現象在各種電氣設備和無線電技術中有廣泛的應用。95自感電動勢的方向a）線圈中電流增大?b）線圈中電流減小二、互感1．互感現象當一個線圈中的電流發生變化時，它產生的磁場就會發生變化，變化的磁場在另一個線圈中產生感應電動勢的現象，稱為互感現象。互感現象產生的感應電動勢，稱為互感電動勢。96互感電動勢的原理2．互感現象的應用（1）變壓器如圖所示為變壓器的原理圖，與電源相連的稱為一次繞組（或初級繞組）N1，與負載相連的稱為二次繞組（或次級繞組）N2。當一次繞組接入交流電壓時，一次繞組中便有電流通過，一次繞組產生的磁通絕大部分通過鐵芯而閉合，從而在二次繞組中感應出電動勢。一次、二次繞組的電壓之比為K，稱為變壓器的變比，也即一次、二次繞組的匝數比。當電源電壓u1一定時，只要改變匝數比K，就可得到不同的輸出電壓u2。變比會在變壓器的銘牌上注明，它表示一次、二次繞組的額定電壓之比。9798變壓器的原理（2）點火線圈汽車上由微機控制的點火系是利用點火線圈的互感原理工作的，其工作過程如圖所示。99微機控制點火系的工作過程課題3電磁鐵在汽車電氣元件中的應用100學習目標1．了解電磁鐵的概念和結構。2．熟悉電磁鐵在汽車上的應用。3．能正確完成汽車繼電器的檢測。4．能正確完成汽車起動電磁開關的檢測與吸合試驗。101一、電磁鐵的概念和結構1．電磁鐵的概念電磁鐵是利用通電的鐵芯線圈吸引銜鐵或保持某種機械零件、工件于固定位置的一種裝置。銜鐵的動作可使其他機械裝置發生聯動。當電源斷開時，電磁鐵的磁性消失，銜鐵或其他零件即被釋放。2．電磁鐵的結構電磁鐵由線圈、鐵芯及銜鐵三部分組成，其結構如圖所示。銜鐵的運動方式有直動式和轉動式兩種。102103電磁鐵的結構a）直動式?b）轉動式1—銜鐵2—鐵芯3—線圈二、電磁鐵在汽車上的應用1．繼電器（1）繼電器的定義繼電器是自動控制電路中常用的一種元件，它是用較小的電流來控制較大電流的一種自動開關，在電路中起著自動操作、自動調節、安全保護等作用。工業控制中使用的中間繼電器、熱繼電器等體積較大，線圈通過的電流和承受的電壓較大，觸點允許通過的電流較大。汽車電氣系統中使用的繼電器體積較小，觸點控制的電流也較小，屬于小型繼電器。104（2）繼電器的類型和結構1）繼電器的類型。繼電器的種類很多，常用的有電磁式和干簧式兩種。電磁式繼電器成本較低，便于控制電路。干簧式繼電器反應靈敏，多用于信號采集。汽車控制電路大多采用電磁式繼電器作為控制執行部件，采用干簧式繼電器作為傳感器。2）繼電器的結構（以電磁式繼電器為例）。電磁式繼電器以電磁系統為主體，其內部結構和結構示意圖如圖所示。當繼電器線圈通以電流時，在鐵芯、軛鐵、銜鐵和工作氣隙中形成磁通回路，從而使銜鐵受到吸引力的作用而吸向鐵芯，此時銜鐵帶動支桿將板簧推開，使一組或幾組動斷觸點斷開（也可以使動合觸點接通）。105106電磁式繼電器的內部結構和結構示意圖a）內部結構b）結構示意圖1—線圈焊片2—軛鐵3—鐵芯4—線圈5—銜鐵?6—觸點?7—板簧8—支桿9—觸點焊片2．喇叭根據外形的不同，汽車喇叭可分為螺旋形、筒形、盆形等，目前國產汽車使用的多為螺旋形喇叭和盆形喇叭，兩種喇叭的結構和工作原理基本相同，不同之處是揚聲筒的形狀。各種汽車喇叭如圖所示。107各種汽車喇叭3．起動機電磁開關起動機主要由驅動機構外殼、拔叉、電磁開關、勵磁線圈、電刷等組成，其結構如圖所示。108起動機的結構示意圖1—驅動機構外殼2—撥叉3—電磁開關4—勵磁線圈5—電刷6—電刷彈簧7—外殼8—電樞9—起動機離合器10—驅動齒輪（1）接通啟動開關如圖所示，當點火開關接通后，保持線圈的電流經起動機端子50進入，經線圈后直接搭鐵，吸引線圈的電流也經起動機端子50進入，但通過線圈后未接搭鐵，而是進入電動機的勵磁線圈和電樞后再搭鐵。兩線圈通電后產生較強的電磁力，克服復位彈簧彈力而使活動鐵芯移動，一方面通過撥叉帶動驅動齒輪移向飛輪齒圈并與之嚙合，另一方面推動接觸片移向端子50和端子C的觸點，在驅動齒輪與飛輪齒圈進入嚙合后，接觸片將兩個主觸點接通，使電動機通電運轉。在驅動齒輪進入嚙合之前，由于經過吸引線圈的電流流經了電動機，因此電動機會在電流的作用下緩慢旋轉，以便驅動齒輪與飛輪齒圈進入嚙合。109110無起動繼電器的起動機控制電路示意圖1—螺紋