电子电路-电磁学基本概念
电和磁是不可分割的统一体,有电就有磁,有磁就有电。无线电中经常用到电磁学中的概念,还有许多电与磁的换能器件。
磁性、磁体、磁极、磁力,磁场,磁力线概念电流磁场概念电流周围存在磁场。磁场总是伴随着电流而存在,电流永远被磁场所包围。
磁通、磁感应强度、磁导率和磁场强度概念磁化、磁性材料和磁路概念(1)为了获得较强的磁场,需要将磁通集中在磁路中。形成磁路的最好方法是用铁磁材料做成磁心,线圈绕在磁心上。
(2)由于铁磁材料制成的磁心其磁导率μ远大于空气的磁导率,所以磁通主要是沿磁心闭合,只有很少部分通过空气或其他材料。
(3)通过磁心的磁通称为主磁通,磁心外的磁通称为漏磁通,漏磁通愈小愈好。
(4)磁路按其结构不同分为无分支磁路和分支磁路两种,其中分支磁路又分成不对称分支磁路和对称分支磁路两种,这相当于电路中的并联电路。
(5)磁路不同于电路,电路可以有开路状态,可磁路没有开路状态,因为磁力线是不可能中断的闭合曲线。
电磁感应(1)感应电动势又称感生电动势、感应电势、感生电势。
(2)产生电磁感应的条件是线圈中的磁通必须改变。当磁铁从上或从下插入线圈时都有感应电动势产生,这是因为磁铁运动引起了线圈中的磁通发生了改变。当磁铁在线圈中不运动时,没有感应电动势的产生,因为磁铁不运动线圈中的磁通没有改变。
(3)当线圈闭合时,由感应电动势产生的电流称为感应电流或感生电流。
电磁感应定律
感应电动势的大小与穿过线圈磁通的变化率成正比,这称为法拉第电磁感应定律。
当磁铁插入线圈中的速度愈快,磁通变化率愈高,感应电动势愈大;反之则愈小。
自感由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应叫自感应,简称自感。
图 1-10 自感现象示意图
当开关 S1 刚接通时,由于 L1 的电阻远小于灯泡的电阻,所以电流只流过 L1 所在支路,没有电流流过灯泡,这样灯泡不亮。但是,当开关 S1 突然断开时,灯泡却突然很亮后熄灭,这一现象称为自感现象。
这一现象是因为开关断开时,L1 中的磁通突然从有突变到零,这时 L1 两端要产生感应电动势,这一感应电动势加在灯泡的两端,使灯泡突然很亮。
(1)由自感产生的电动势称为自感电动势,简称自感电势。
(2)自感电动势与线圈本身的电感量成正比关系。线圈电感量是线圈的固有参数,电感量用 L 表示,L 与线圈匝数和结构等情况有关。
(3)自感电动势还与线圈中电流的变化率成正比关系,当 L 一定时,电流变化愈快,自感电动势愈大;反之则小。
(4)对某一个具体线圈而言,L 的大小反映了线圈产生自感电动势的能力。
(5)自感系数定义是:当一个线圈流过变化的电流时,电流产生的磁场使每匝线圈具有的磁通称自感磁通,整个线圈具有的磁通称为自感磁链,将线圈中通过单位电流所产生的自感磁链称为自感系数。
互感一个线圈中的电流变化,引起另一个线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象,简称互感。
图 1-11 互感现象示意图
当开关接通后,检流计指针偏转一下后又停止,检流计的指针偏转说明有电流流过了线圈 L2。
开关 S1 接通后,线圈 L1 中的电流从无到有,在线圈 L1 中产生了变化的磁通,这一变化的磁通穿过了线圈 L2。由于线圈 L2 中存在变化的磁通,所以在线圈 L2 两端要产生感应电动势,便有感应电流。当开关接通一段时间后,由于是直流电源,线圈 L1 中的电流大小不变,其磁通也不再变化,线圈 L2 中没有变化的磁通就不能产生感应电动势,所以检流计的指针不再偏转。
(1)互感现象说明线圈 L1 和线圈 L2 之间存在磁耦合,又称为互感耦合。
(2)为了定量表征互感耦合情况,引入了互感系数这个量,互感系数用M表示。它的大小等于一个线圈中通过单位电流时,在另一个线圈中产生的互感磁链。互感M表征了磁交链的能力。
(3)线圈间具有的互感系数M是互感线圈的固有参数,它的大小与两个线圈的匝数、相互间位置、几何尺寸等因素有关。
(4)由互感所产生的电动势称为互感电动势,简称互感电势。当两个线圈确定后,一个线圈上互感电动势的大小正比于另一个线圈中的电流变化率。
(5)互感电动势不仅有大小还有方向,这一电动势的方向可以用同名端方法来确定。
互感线圈同名端将线圈绕向一致且感应电动势极性一致的端点称为同名端
图 1-12 同名端示意图
图 1-12 是同名端示意图,将线圈绕向一致且感应电动势极性一致的端点称为同名端。图 1-12(a)中,线圈 L1 和线圈 L2 同绕在一个铁心上,从图中可以看出,1 端和 4 端是两线圈的头,且两线圈的绕向相同,所以是同名端,电动势的极性一致。2、3 端也是同名端,1、2 端之间极性相反,称为异名端。
磁干扰如果变压器散发的这些残余磁力线穿过变压器附近的其他线圈(或电路),在其他线圈中也要产生感生电动势,这便是磁干扰。为此,要给变压器加上屏蔽壳,使变压器中的磁场不向外辐射。
低频屏蔽
在低频变压器中,采用铁磁材料制成一个屏蔽盒(如铁皮盒),将变压器包起来。由于铁磁材料的磁导率高,磁阻小,所以变压器产生的磁力线由屏蔽壳构成回路,防止了磁力线穿出屏蔽壳,使壳外的磁场大大减小。
高频屏蔽
在高频变压器中,由于铁磁材料的磁介质损耗大,所以不用铁磁材料作为屏蔽壳,而是采用电阻很小的铝、铜材料制成。当高频磁力线穿过屏蔽壳时,产生了感生电动势,此电动势又被屏蔽壳所短路(屏蔽壳电阻很小),产生涡流,此涡流又产生反向磁力线去抵消穿过屏蔽壳的磁力线,使屏蔽壳外的磁场大大减小,达到屏蔽的目的。