KA_IX

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电学基础:磁与电磁学

2021-5-7 15:56:44 显示全部楼层
来源:电子资料库
永磁体

几个世纪前,人们发现某些类型的矿物岩石对金属铁具有不寻常的吸引力。一种叫矿物磁石,或磁铁矿,被发现在非常古老的历史记录中(大约2500年前在欧洲,更早在远东)作为一个好奇的主题。后来,它被用于助航,因为人们发现,如果让这块不寻常的岩石自由旋转(悬挂在绳子上或漂浮在水中),它会倾向于南北方向。1269年,彼得·佩雷格里纳斯(Peter Peregrinus)进行的一项科学研究表明,钢与一块磁石的一根“磁极”摩擦后,也可能以这种不寻常的性质“充电”。
不同于电荷(例如当琥珀在布上摩擦时所观察到的电荷),磁性物体具有两个相反效果的两极,在它们自定向到地球后表示为“北”和“南”。正如佩雷格里努斯所发现的那样,将一块磁石切成两半是不可能单独分离出其中一个磁极的:每一个磁极都有自己的一对磁极:
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和电荷一样,只有两种类型的两极可供发现:南北极(以此类推,正负极)。就像电荷一样,相同的两极互相排斥,相反的两极相互吸引。这种力和静电产生的力一样,在空间中无形地扩展,甚至可以穿过纸张和木材等物体,对强度几乎没有影响。
哲学家、科学家雷内·笛卡尔指出,这个看不见的“场”可以通过在一块平整的布或木头下面放置磁铁,并在上面撒上铁屑来绘制。这些锉屑将与磁场对齐,“映射”其形状。结果显示磁场如何从一个磁极持续到另一个磁极:
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与任何类型的场(电场、磁场、重力场)一样,场的总量或效应称为通量,而导致磁通在空间中形成的“推力”被称为. 迈克尔法拉第创造了一个术语“管”是指在空间中的一系列磁通量(术语“线”现在更常用)。事实上,磁场磁通量的测量通常是根据磁通线的数量来定义的,尽管这样的磁场是否存在于单个的、离散的定值线中是值得怀疑的。
现代磁学理论认为,磁场是由运动中的电荷产生的,因此理论上认为,所谓的“永久”磁铁(如磁石)的磁场是铁原子内电子沿同一方向均匀旋转的结果。材料原子中的电子是否受到这种均匀旋转的影响取决于材料的原子结构(与材料原子中的电子结合决定导电性的方式不同)。因此,只有某些类型的物质能与磁场发生反应,而具有永久维持磁场能力的物质就更少了。
铁是一种容易磁化的物质。如果一块铁被带到永磁体附近,铁中原子内的电子旋转方向与永磁体产生的磁场力相匹配,铁就会“被磁化”。铁的磁化方式将使磁通量线与其形状相结合,这会将其吸引到永久磁铁上,无论永久磁铁的哪个极提供给铁:
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先前未被磁化的铁在靠近永磁体时被磁化。无论永磁体的哪个磁极向铁心延伸,铁都会以吸引磁铁的方式磁化:
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Referencing the natural magnetic properties of iron (Latin = "ferrum"), a铁磁性的材料是一种容易磁化的材料(它的组成原子很容易使它们的电子自旋定向以适应外部磁场力)。所有的材料都有一定的磁性,而那些不被认为是铁磁性的(易磁化的)被分为两种顺磁性(轻微磁性)或抗磁的(倾向于排除磁场)。在这两种物质中,抗磁性物质是最奇怪的。在外磁场的作用下,它们实际上会朝相反方向轻微磁化,从而排斥外部磁场!
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如果一种铁磁性材料在外场被移除后倾向于保持它的磁化强度,它被称为具有良好的磁性固位性. 当然,这是永久磁铁的必备品质。
  • 回顾:
  • 磁石(也称为磁铁矿)是一种天然的“永久”磁性矿物。所谓“永久”,是指材料在没有外部帮助的情况下保持磁场。任何磁性材料的这种特性称为固位性 .
  • 铁磁性的材料容易磁化
  • 顺磁性材料更难磁化
  • 抗磁的材料实际上倾向于通过反向磁化来排斥外部磁场。

电磁学
磁电关系的发现,和其他许多科学发现一样,几乎是偶然的。1820年的一天,丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥尔斯特德在演讲可能性在这个过程中,当着全班同学的面通过实验证明了这一点!通过使电流通过悬挂在磁罗盘上方的金属丝,奥斯特能够产生指南针对电流的明确运动。课堂开始时的猜测在最后被证实为事实。不用说,奥斯特不得不为以后的课程修改讲稿!他的偶然发现为一个全新的科学分支:电磁学铺平了道路。
详细的实验表明,电流产生的磁场总是垂直于流动方向的。显示这种关系的一种简单方法称为左手定则. 简单地说,左手法则说,载流导线产生的磁通量线的方向与一个人左手卷曲的手指的方向相同(在“搭车”位置),拇指指向电子流的方向:
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磁场围绕着这条直的载流导线,磁通量线没有明确的“北极”或“南极”。
虽然载流导线周围的磁场确实很有趣,但对于一般的电流量来说,磁场相当弱,能够使罗盘指针偏转,而且不会更多。为了在相同电流量下产生更强的磁场力(从而产生更大的磁通量),我们可以将导线包裹成线圈形状,在线圈形状中,围绕导线的旋转磁场将连接起来,从而产生具有一定磁极性(南北极性)的更大磁场:
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一根盘绕的导线产生的磁场力的大小与通过导线的电流乘以线圈中导线的“圈数”或“圈数”成正比。这种力叫做磁动力与电路中的电动势(E)非常相似。
电磁铁是一根通过电流产生磁场的金属丝。尽管所有的载流导体都会产生磁场,但电磁铁的构造通常是为了使它产生的磁场强度最大化,以达到特殊目的。电磁铁广泛应用于研究、工业、医疗和消费品。
作为一种电可控磁铁,电磁铁在各种各样的“机电”装置中得到应用:通过电能产生机械力或运动的机器。也许这种机器最明显的例子是电动机 .
另一个例子是继电器一个电控开关。如果一个开关触点机构可以通过施加磁场来驱动(打开和关闭),并且在附近放置一个电磁线圈以产生所需的磁场,则可以通过通过线圈施加电流来打开和关闭开关。实际上,这为我们提供了一种使electricity能够控制电力的装置:
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继电器可以用来驱动多个开关触点,或以“反向”方式操作它们(使线圈通电打开开关触点和线圈断电将使其再次弹簧闭合)。
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  • 回顾:
  • 当电子流过导体时,导体周围会产生磁场。
  • 左手法则指出,载流导线产生的磁通量线的方向与一个人左手卷曲的手指方向相同(在“搭车”位置),拇指指向电子流的方向。
  • 通过将载流导线整形成线圈而不是直线,可以大大提高载流导线产生的磁场力。如果绕成线圈形状,磁场将沿线圈长度的轴线定向。
  • 由电磁铁(称为磁动力,或mmf),与通过电磁铁的电流和导线形成的完整线圈“匝数”的乘积(倍增)成正比。

磁性测量单位
如果普通量的两种测量系统(英制和公制)的负担让你陷入困惑,这不是适合你的地方!由于磁学早期缺乏标准化,我们一直困扰着不少于三套完整的磁量测量系统。
首先,我们需要熟悉与磁性有关的各种量。在磁性系统中要处理的量比在电气系统中要多得多。对于电,基本量是电压(E)、电流(I)、电阻(R)和功率(P)。前三者通过欧姆定律(E=IR;I=E/R;R=E/I)相互关联,而功率通过焦耳定律(P=IE;P=I2R;P=E2/R)一与电压、电流和电阻相关
对于磁性,我们需要处理以下量:
磁动力--磁场力或“推力”的量,类似于电压(电动势)。
磁场通量--场效应的总量,或场的“物质”。类似于电流。
场强--分布在电磁铁长度上的磁场力(mmf)。有时被称为磁化力 .
通量密度--集中在给定区域的磁场强度。
磁阻——通过一定体积的空间或材料的磁场通量的反作用力。类似于电阻。
磁导率——材料接受磁通量的具体测量值,类似于导电材料的比电阻(ρ),但相反(磁导率越大意味着磁通量越容易通过,而比电阻越大意味着电流越难通过)。
但是等等。乐趣才刚刚开始!我们不仅有更多的量要用磁性来跟踪,而不是用电,而且我们对每一个量都有几种不同的单位测量系统。与常见的长度、重量、体积和温度一样,我们有英制和公制。然而,实际上有不止一种公制单位,而且在磁场测量中使用多个公制单位!一个叫做 cgs公司,代表C 厘米-G随机存取存储器-S第二,表示整个系统所基于的根度量。另一个最初被称为 mks公司系统,代表 彼得-K 伊洛图-S第二个,后来被修改成另一个系统,叫做 rmks公司,代表Rationalized 彼得-K 伊洛图-S第二次。这最终被采纳为国际标准并改名 (S 系统 国际)
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是的,µ符号实际上和公制前缀“micro”是一样的。我发现这一点特别令人困惑,它使用完全相同的字母字符来表示特定数量和通用公制前缀!
正如你已经猜到的,磁场力、磁通和磁阻之间的关系与电动势(E)、电流(I)和电阻(R)之间的关系非常相似。这为磁路提供了类似欧姆定律的东西:
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而且,鉴于磁导率与比电阻成反比,求磁性材料磁阻的方程与求导体电阻的方程非常相似:
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在任何一种情况下,一块较长的材料提供了更大的阻力,所有其他因素都是相同的。另外,在其他因素相同的情况下,更大的横截面积可以减少阻力。
这里的主要警告是,材料对磁通量的磁阻实际上变化通过它的通量浓度。这使得磁路的“欧姆定律”变得非线性,并且比欧姆定律的电学版本更难使用。这就好比有一个电阻随着电流的变化而改变电阻(一个由变量而不是物件 历史记录)

磁导率和饱和度
为了更好地理解材料渗透性的非线性,可以用图形表示。我们将把场强(H)的量,等于场力(mmf)除以材料的长度,在图形的水平轴上。在垂直轴上,我们将通量密度(B)的数量,等于总通量除以材料的横截面积。我们将使用场强(H)和磁通密度(B)的数量,而不是场力(mmf)和总通量(Φ),以便我们的图形形状保持独立于测试材料的物理尺寸。我们在这里要做的是展示磁场力和通量之间的数学关系任何一种特定物质的大块,与描述一种物质的精神相同比电阻单位为欧姆cmil/ft,而不是实际值抵抗 还有欧姆
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这叫做正常磁化曲线,或B-H曲线,用于任何特定材料。请注意,上述任何材质(铸铁、铸钢和钢板)的通量密度如何随场强的增加而趋于水平。这种效应被称为饱和. 当施加的磁力很小(低H)时,只有少数原子排列整齐,其余原子很容易与附加力对齐。然而,随着更多的磁通量被塞进铁磁性材料的同一横截面积中,该材料中可用的原子越来越少,以使其电子与附加力对齐,因此需要越来越多的力(H)才能从材料中获得越来越少的“帮助”,从而产生更大的磁通密度(B)。从经济学的角度来看,我们看到了一个投资收益递减的例子。饱和现象仅限于铁芯电磁铁。空心电磁铁不会饱和,但另一方面,在相同的线匝数和电流下,它们产生的磁通量与铁磁芯几乎不一样。
另一个混淆我们对磁通量与力的分析的怪癖是磁现象磁滞. 一般来说,迟滞是指系统在方向改变时输入和输出之间的滞后。任何一个开过“松”方向盘的老爷车的人都知道什么是迟滞:要从左转转向右转(反之亦然),你必须额外转动方向盘,以克服方向盘和汽车前轮之间机械联动系统中固有的“滞后”。在磁性系统中,磁滞现象出现在铁磁性材料中,如果力的极性相反,则该材料在消除外加磁场力后趋于保持磁化状态(参见本章第一节的“保持力”)。
让我们再次使用同一个图,只扩展轴来表示正数和负数。首先,我们将施加一个增大的磁场力(通过电磁铁线圈的电流)。根据正常磁化曲线,我们可以看到磁通密度增加(向上向右):
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接下来,我们将停止流过电磁铁线圈的电流,看看磁通会发生什么变化,在图上留下第一条曲线:
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由于材料的保持力,我们仍然有一个磁通量,没有外力(没有电流通过线圈)。在这一点上,我们的电磁铁核心起着永久磁铁的作用。现在我们将在相反的样品说明:
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磁通密度现在已经达到了一个点,与磁场强度(H)的正值相等,除了在负方向或相反方向。让我们再次停止流过线圈的电流,看看还有多少磁通量:
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再一次,由于材料的自然保持力,它将保持一个磁通量,而不向线圈施加任何电力,除了这一次它的方向与我们上次停止通过线圈的电流方向相反。如果我们再次向正方向施加功率,我们将看到磁通密度再次在图的右上角达到其先前的峰值:
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这些台阶所形成的“S”形曲线称为磁滞曲线对于一组给定的场强极值(-H和H)。如果这不太合理,考虑前面描述的汽车转向场景的滞后图,一个描述“紧密”的转向系统,一个描述“松散”的系统:
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就像汽车转向系统一样,迟滞也是一个问题。如果你在设计一个系统来为给定的电流量产生精确的磁场磁通量,磁滞效应可能会阻碍这个设计目标(因为磁通密度的大小取决于电流的大小它以前有多强的磁性!)。类似地,在赛车中,松动的转向系统是不可接受的,在这种情况下,精确、可重复的转向响应是必不可少的。此外,如果用于激励线圈的电流是来回交替的(AC),则必须克服电磁铁中先前的磁化会浪费能量。磁滞曲线内的面积给出了这种浪费能量的粗略估计。
另一些时候,磁滞是一个理想的东西。当磁性材料被用作存储信息(计算机磁盘、音频和录像带)的手段时,就是这种情况。在这些应用中,人们希望能够磁化一小块氧化铁(铁氧体),并依靠该材料的保持力“记住”最后一次磁化状态。磁滞效应的另一个有效应用是通过将信号线穿过铁氧体环的中间来过滤来自信号线的高频电磁“噪声”(电压的快速交替浪涌)。克服铁氧体磁滞所消耗的能量会减弱“噪声”信号的强度。有趣的是,铁素体的磁滞曲线相当极端:
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  • 回顾:
  • 一种材料的磁导率随它所受的磁通量而变化。
  • 力与磁通量(磁场强度H与磁通密度B)的具体关系用一种叫做正常磁化曲线 .
  • 在铁磁性材料上施加如此大的磁场力是有可能的,以至于再也不能塞进它的磁通量。这种情况被称为磁性饱和 .
  • 固位性一种铁磁性物质在相反的方向干扰它的再磁化,这种情况被称为磁滞发生

电磁感应
而奥斯特对电磁学的惊人发现为更实际的应用铺平了道路应用关于电,是迈克尔·法拉第给了我们实用的钥匙一代电学:电磁感应。法拉第发现,如果一根导线暴露在强度变化的垂直磁场中,就会产生一个电压。
创造磁场强度变化的一个简单方法是在导线或线圈旁边移动一个永久磁铁。记住:磁场的强度必须增大或减小垂直的连接到导线上(以便磁通线“穿过”导线),否则不会产生电压:
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法拉第能够用数学的方法将磁场磁通量的变化率与感应电压联系起来(注意,电压使用了小写字母“e”)。这是指瞬间电压,或特定时间点的电压,而不是稳定、稳定的电压。):
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“d”项是标准微积分符号,表示通量随时间的变化率N”表示线圈中的圈数或圈数(假设导线以线圈的形状形成,以获得最大的电磁效率)。
这种现象在发电机的结构中得到了明显的实际应用,发电机利用机械功率使磁场通过线圈产生电压。然而,这绝不是这一原则的唯一实际用途。
如果我们记得载流导线产生的磁场总是垂直于该导线,并且该磁场的磁通强度随通过它的电流量而变化,我们就可以看出导线能够感应电压沿着自己的长度只是因为电流的变化。这种效应称为自感:电流沿同一根导线的长度通过感应电压的电流变化而产生的变化磁场。如果通过将导线弯曲成线圈形状和/或将线圈缠绕在高磁导率材料上来增强磁场通量,则自感生电压的这种效应将更加强烈。一种利用这种效应的装置被称为电感器,将在下一章更详细地讨论。
  • 回顾:
  • 垂直于一根导线的磁场强度变化,会沿导线的长度产生电压。感应电压的大小取决于磁场磁通量的变化率和暴露在磁通量变化中的导线匝数(如果盘绕)。
  • 感应电压法拉第方程:e=N(dΦ/dt)
  • 如果电流改变(从而改变垂直于导线的磁场通量,从而根据法拉第公式感应电压),载流导线将沿其长度产生感应电压。专门为利用这种效果而构建的设备称为电感器 .

互感
如果两个线圈彼此靠得很近,因此其中一个线圈的磁场与另一个线圈的磁场相连,那么第二个线圈就会产生电压。这叫做互感:当施加在一个线圈上的电压在另一个线圈中产生电压时。
专门设计用来在两个或多个线圈之间产生互感效应的装置称为变压器 .
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上图所示的装置是一种变压器,有两个同心线圈。它实际上是作为互感器的精密标准单位,但为了说明变压器的本质,它就足够了。两个线圈的颜色可以区分开来:管子的大部分长度用绿色绝缘线(第一个线圈)包裹,而第二个线圈(青铜色绝缘导线)则位于管子长度的中间。电线末端向下延伸到装置底部的接线端子。大多数变压器的线圈并不是这样暴露在外的。
因为磁感应电压只有在磁通量为改变在相对于导线的强度上,两个线圈之间的互感只会在交流电压下发生,而在直流电压下不可能发生。直流系统中互感器的唯一应用是可以通过某种方法打开和关闭线圈的电源(从而产生脉冲直流电压),感应电压在每个脉冲达到峰值。
变压器的一个非常有用的特性是能够根据一个简单的比率转换电压和电流电平,这个比率由输入和输出线圈匝数的比率决定。如果变压器的通电线圈由交流电压激励,则在无动力线圈中感应的交流电压量等于输入电压乘以线圈中输出与输入线匝数之比。相反,通过输出线圈绕组的电流与输入线圈的电流将遵循相反的比率:如果电压从输入线圈增加到输出线圈,电流将以相同的比例减小。变压器的这种作用类似于机械齿轮、皮带轮或链轮传动比:
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设计用于在输入线圈中输出比输入更多电压的变压器称为“升压”变压器,而设计用于相反操作的变压器称为“降压”,即电压发生的变化。当然,通过每一个线圈的电流都遵循完全相反的比例。
  • 回顾:
  • 互感是指由一个线圈产生的磁场在相邻线圈中感应电压。
  • A变压器是一种由两个或两个以上相互靠近的线圈构成的装置,其明确目的是在线圈之间形成互感。
  • 变压器仅适用于改变电压,而不是稳定电压。因此,它们可以被分类为交流设备而不是直流设备。

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