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1、电工技工技术应用用项目5 变压器的认识与检测变压器是利用变压器是利用电磁感应原理电磁感应原理来改变交流电压的装置，是电力系统、电子线来改变交流电压的装置，是电力系统、电子线路和电工测量中十分重要的电气设备，主要功能有路和电工测量中十分重要的电气设备，主要功能有电压变换、电流变换、电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。本项目以变压器的认识与检。本项目以变压器的认识与检测为目标，重点介绍变压器的基本结构、工作原理和检测方法。测为目标，重点介绍变压器的基本结构、工作原理和检测方法。5.1项目描述5.2知识准备5.2.1电流的磁效应电流的磁效
2、应任务导引任务导引磁极之间具有怎样的力，它们磁极之间具有怎样的力，它们是通过什么传递的呢？是通过什么传递的呢？通电导体周围能否产生磁场，通电导体周围能否产生磁场，我们又将如何进行判别？我们又将如何进行判别？5.2知识准备5.2.1电流的磁效应电流的磁效应一、磁场与磁感线一、磁场与磁感线做中学、做中教做中学、做中教按图51所示方式，用条形磁铁接近小磁针，观察小磁针的运动规律。用条形磁铁N极去接近小磁针N极，小磁针被排斥出现旋转；用条形磁铁S极去接近小磁针N极，小磁针被吸引出现旋转。5.2知识准备5.2.1电流的磁效应电流的磁效应一、磁场与磁感线一、磁场与磁感线两个磁极虽没有发生接触，但相互之间产
3、生了作用力，这个力就是两个磁极虽没有发生接触，但相互之间产生了作用力，这个力就是磁力磁力。磁力不是在磁极之间直接发生，而是通过磁场进行传递。也就是说磁力不是在磁极之间直接发生，而是通过磁场进行传递。也就是说磁极磁极在自己周围的空间里产生了磁场在自己周围的空间里产生了磁场，磁场对处在它其中的磁极具有磁场力，磁场对处在它其中的磁极具有磁场力的作用。的作用。磁场和电场一样磁场和电场一样，也是一种特殊物质，也是一种特殊物质，具有力和能的性质具有力和能的性质。5.2知识准备5.2.1电流的磁效应电流的磁效应二、磁场的方向和磁感线二、磁场的方向和磁感线把小磁针放在磁场中的任一点，可以看到小磁针受把小磁针放
4、在磁场中的任一点，可以看到小磁针受磁场力的作用，静止时它的两极不再指向南北方向，磁场力的作用，静止时它的两极不再指向南北方向，而指向一个别的方向。在磁场中的不同点，小磁针而指向一个别的方向。在磁场中的不同点，小磁针静止时指的方向一般并不相同。这说明，磁场具有静止时指的方向一般并不相同。这说明，磁场具有方向性。方向性。一般规定，在磁场中的任一点，小磁针一般规定，在磁场中的任一点，小磁针N极受力的方向，亦即小磁针静止时极受力的方向，亦即小磁针静止时N极所指的方向，极所指的方向，就是那一点的磁场方向就是那一点的磁场方向，如图，如图5 -2所示。所示。在磁场中可以利用在磁场中可以利用磁感线来形象地表示
5、各点的磁场方向磁感线来形象地表示各点的磁场方向。所谓。所谓磁感线磁感线，就是在磁场中画出的一些曲线，在这些曲线上每一点的切线方向，就是在磁场中画出的一些曲线，在这些曲线上每一点的切线方向，都跟都跟该点的磁场方向相同。该点的磁场方向相同。5.2知识准备5.2.1电流的磁效应电流的磁效应三、电流的磁场三、电流的磁场1820年，丹麦物理学家奥斯特做过下面的实验：把一条导线平行地放在磁针的上方，给导线通电，磁针就会发生偏转，如图5-3所示。结论：电流也能产生磁场，电和磁有着密切联系。5.2知识准备5.2.1电流的磁效应电流的磁效应三、电流的磁场三、电流的磁场直线电流的磁场如图5-4所示。直线电流磁场的
6、磁感线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在与导线垂直的平面上。判定方法：判定方法：直线电流的方向跟它的磁感线方向之间的关系可以用安培定则（也称为右手螺旋法则）来判定：用右手握住导线，让伸直的大拇指的方向跟电流方向一致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。5.2知识准备5.2.1电流的磁效应电流的磁效应三、电流的磁场三、电流的磁场图5-5所示是环形电流的磁场。环形电流磁场的磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线。在环形导线的中心轴线上，磁感线和环形导线的平面垂直。判定方法：判定方法：环形电流的方向跟它的磁感线方向之间的关系可以用安培定则来判定：让右手弯曲的四指和环形电流的方向一
7、致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁感线的方向。5.2知识准备5.2.1电流的磁效应电流的磁效应三、电流的磁场三、电流的磁场螺线管通电以后表现出来的磁性，很像一根条形磁铁，一端相当于N极，另一端相当于S极，改变电流方向，它的两极就对调。通电螺线管外部的磁感线和条形磁铁外部的磁感线相似，也是从N极出来进入S极。通电螺线管内部具有磁场，内部的磁感线跟螺线管的轴线平行，方向由S极指向N极，并和外部的磁感线连接，形成一些闭合曲线。判定方法：判定方法：可用安培定则来判定：用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指方向跟电流的方向一致，那么大拇指所指方向就是螺线管内部磁感线的方向，也就是说，大拇
8、指指向通电螺线管的N极。 5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量磁场的主要物理量任务导引任务导引磁场不仅有方向，而且也有强磁场不仅有方向，而且也有强弱。表示磁场强弱的物理量有弱。表示磁场强弱的物理量有哪些，分别是怎样的呢？哪些，分别是怎样的呢？5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量磁场的主要物理量一、磁感应强度一、磁感应强度做中学、做中教做中学、做中教如图57所示，改变电流大小，观察导体摆动幅度有何不同；调节磁铁数量，观察导体摆动幅度有何不同。通过实验发现电流越大，导体摆动幅度越大；磁铁数量越多，导体摆动幅度越大；即磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的磁场力F与电流I大小、磁场强度和导线
9、长度L有关。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量磁场的主要物理量一、磁感应强度一、磁感应强度我们把磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的磁场力F与电流I大小和导线长度L乘积IL的比值称为通电导线在该处的磁感应强度。用B表示。磁感应强度是一个矢量，它的大小如上式所示，它的方向就是该点的磁场方向。它的单位由F、I和L的单位决定，在国际单位制中，它的单位是T（特）。用磁感线的疏密程度也可以形象地表示磁感应强度的大小，在磁感应强度大的地方磁感线就密一些，在磁感应强度小的地方磁感线就疏一些。如果在磁场的某一区域里，磁感应强度的大小和方向都相同，这个区域就称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线方向相同，疏密程
10、度也一样，是一些分布均匀的平行直线。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量磁场的主要物理量二、磁通二、磁通设在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，磁场的磁感应强度为设在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，磁场的磁感应强度为B，平面的面积为平面的面积为S，定义磁感应强度，定义磁感应强度B与面积与面积S的乘积，称为穿过这个面的磁的乘积，称为穿过这个面的磁通量（简称磁通），如果用通量（简称磁通），如果用表示磁通，那么表示磁通，那么在国际单位制中，磁通的单位是在国际单位制中，磁通的单位是Wb（韦）。（韦）。引入了磁通这个概念，反过来也可以把磁感应强度看做是通过单位面积引入了磁通这个概念，反过来也
11、可以把磁感应强度看做是通过单位面积的磁通，因此，磁感应强度也常称为磁通密度，并且用的磁通，因此，磁感应强度也常称为磁通密度，并且用Wb/m2（韦米（韦米2）作单位。）作单位。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量磁场的主要物理量三、磁导率三、磁导率做中学、做中教做中学、做中教通电的空心线圈分别插入铁棒和铜棒，去吸引铁钉，观察吸引力有何不同？实验发现通电的空心线圈插入铁棒比插入铜棒吸引力更大。说明磁场中各点的磁感应强度不仅与电流的大小和导体的长度有关，还与磁场内媒介质的性质有关。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量磁场的主要物理量三、磁导率三、磁导率磁导率就是一个用来表示媒介质导磁性能的物
12、理量，不同的媒介质有不同的磁导率，它的单位为H/m（亨米）。实验证明，真空中的磁导率是一个常数，用0表示，即由于真空中的磁导率是一个常数，所以，将其他媒介质的磁导率与它对比是很方便的。任一媒介质的磁导率与真空中磁导率的比值称为相对磁导率，用r表示，即5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量磁场的主要物理量三、磁导率三、磁导率根据各种物质导磁性能的不同，可把物质分为三种类型，即反磁性物质、顺磁性物质和铁磁性物质。r1的物质称为顺磁性物质，也就是说，在这类物质中所产生的磁场要比真空中强一些。铁磁性物质r1，而且不是一个常数，在其他条件相同的情况下，这类物质中所产生的磁场要比真空中的磁场强几千倍甚至
13、几万倍，因而在电工技术方面应用甚广。铁、钢、钴、镍及某些合金都属于这一类物质。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量磁场的主要物理量三、磁导率三、磁导率顺磁性物质和反磁性物质的相对磁导率都接近于l，因而除铁磁性物质外，其他物质的相对磁导率都可认为等于l，并称这些物质为非铁磁性物质。表51列出了几种常用的铁磁性物质的相对磁导率。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量磁场的主要物理量四、磁场强度四、磁场强度既然磁场中各点磁感应强度的大小与媒介质的性质有关，这就使磁场的计算变得比较复杂。因此，为了使磁场的计算简单，常用磁场强度这个物理量来表示磁场的性质。磁场中某点的磁感应强度B与媒介质磁导率的比
14、值，称为该点的磁场强度，用H来表示，即磁场强度也是一个矢量，在均匀的媒介质中，它的方向和磁感应强度的方向一致。在国际单位制中，它的单位为A/m（安米）。磁场强度也是一个矢量，在均匀的媒介质中，它的方向和磁感应强度的方向一致。在国际单位制中，它的单位为A/m（安米）。磁场强度也是一个矢量，在均匀的媒介质中，它的方向和磁感应强度的方向一致。在国际单位制中，它的单位为A/m（安米）。5.2知识准备5.2.3磁场对通电导线的作用力磁场对通电导线的作用力任务导引任务导引电动机的运转，指针式仪表电动机的运转，指针式仪表的偏转，都是靠磁场对通电的偏转，都是靠磁场对通电导线产生的作用力。那么，导线产生的作用力
15、。那么，磁场对通电导线的作用力大磁场对通电导线的作用力大小如何计算，方向又如何判小如何计算，方向又如何判断呢？断呢？5.2知识准备5.2.3磁场对通电导线的作用力磁场对通电导线的作用力把一小段通电导线垂直放入磁场中，根据通电导线受的力F、导线中的电流I和导线长度L定义了磁感应强度 论 。把这个公式变形，就得到磁场对通电导线的作用力公式为严格来说，式（5-6）只适用于一小段通电导线的情形，导线较长时，导线所在处各点感应强度B一般并不相同，就不能应用式(5-6)。不过，如果磁场是匀强磁场，式（56）就适用于长的通电导线了。5.2知识准备5.2.3磁场对通电导线的作用力磁场对通电导线的作用力如果电流
16、方向与磁场方向不垂直，即电流方向与磁场方向间有一夹角时，可以把磁感应强度B分解为两个分量：一个是跟电流方向平行的分量，其大小为B1= Bcos，另一个是跟电流方向垂直的分量，其大小为B2=Bsin，如图5-8所示。前者对通电导线没有作用力，通电导线受到的作用力完全是由后者决定的，即F=B2IL，代入B2=Bsin，即得式中，B表示匀强磁场的磁感应强度，单位是特斯拉，符号T；I表示载流直导线的电流，单位是安培，符号A；L表示导线在磁场中的有效长度，单位是米，符号m；表示载流直导线与磁感线的夹角，单位是度，符号（）；F表示导体所受的磁力，牛顿，符号N。这就是电流方向与磁场方向成某一角度时作用力的公式。从式(5 -7)可以看出：时，力F最大；电流方向越偏离与磁场相垂直的方向，即越小，力F也越小；当=0时，力F最小，等于零。5.2知识准备5.2.3磁场对通电导线的作用力磁场对通电导线的作用力磁场力的方向和磁场方向及电流方向均是磁场力的方向和磁场方向及电流方向均是垂直的，可用左手定则来判定：如图垂直的，可用左手定则来判定：如图59所示，伸出左手，使大拇指跟其余四个手所示，伸出左手，使大拇指跟其余
