電工技術(shù)應(yīng)用 項目5 變壓器的認識與檢測

寧鄉(xiāng)市職業(yè)中專學校精品系列課程《電工技術(shù)應(yīng)用》項目5變壓器的認識與檢測主講：肖義軍變壓器是利用電磁感應(yīng)原理來改變交流電壓的裝置，是電力系統(tǒng)、電子線路和電工測量中十分重要的電氣設(shè)備，主要功能有電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）等。本項目以變壓器的認識與檢測為目標，重點介紹變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和檢測方法。5.1項目描述5.2知識準備5.2.1電流的磁效應(yīng)任務(wù)導引磁極之間具有怎樣的力，它們是通過什么傳遞的呢？通電導體周圍能否產(chǎn)生磁場，我們又將如何進行判別？5.2知識準備5.2.1電流的磁效應(yīng)一、磁場與磁感線做中學、做中教按圖5－1所示方式，用條形磁鐵接近小磁針，觀察小磁針的運動規(guī)律。用條形磁鐵N極去接近小磁針N極，小磁針被排斥出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)；用條形磁鐵S極去接近小磁針N極，小磁針被吸引出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。5.2知識準備5.2.1電流的磁效應(yīng)一、磁場與磁感線兩個磁極雖沒有發(fā)生接觸，但相互之間產(chǎn)生了作用力，這個力就是磁力。磁力不是在磁極之間直接發(fā)生，而是通過磁場進行傳遞。也就是說磁極在自己周圍的空間里產(chǎn)生了磁場，磁場對處在它其中的磁極具有磁場力的作用。磁場和電場一樣，也是一種特殊物質(zhì)，具有力和能的性質(zhì)。5.2知識準備5.2.1電流的磁效應(yīng)二、磁場的方向和磁感線把小磁針放在磁場中的任一點，可以看到小磁針受磁場力的作用，靜止時它的兩極不再指向南北方向，而指向一個別的方向。在磁場中的不同點，小磁針靜止時指的方向一般并不相同。這說明，磁場具有方向性。一般規(guī)定，在磁場中的任一點，小磁針N極受力的方向，亦即小磁針靜止時N極所指的方向，就是那一點的磁場方向，如圖5-2所示。在磁場中可以利用磁感線來形象地表示各點的磁場方向。所謂磁感線，就是在磁場中畫出的一些曲線，在這些曲線上每一點的切線方向，都跟該點的磁場方向相同。5.2知識準備5.2.1電流的磁效應(yīng)三、電流的磁場1820年，丹麥物理學家奧斯特做過下面的實驗：把一條導線平行地放在磁針的上方，給導線通電，磁針就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖5-3所示。結(jié)論：電流也能產(chǎn)生磁場，電和磁有著密切聯(lián)系。5.2知識準備5.2.1電流的磁效應(yīng)三、電流的磁場直線電流的磁場如圖5-4所示。直線電流磁場的磁感線是一些以導線上各點為圓心的同心圓，這些同心圓都在與導線垂直的平面上。判定方法：直線電流的方向跟它的磁感線方向之間的關(guān)系可以用安培定則（也稱為右手螺旋法則）來判定：用右手握住導線，讓伸直的大拇指的方向跟電流方向一致，那么彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向。5.2知識準備5.2.1電流的磁效應(yīng)三、電流的磁場圖5-5所示是環(huán)形電流的磁場。環(huán)形電流磁場的磁感線是一些圍繞環(huán)形導線的閉合曲線。在環(huán)形導線的中心軸線上，磁感線和環(huán)形導線的平面垂直。判定方法：環(huán)形電流的方向跟它的磁感線方向之間的關(guān)系可以用安培定則來判定：讓右手彎曲的四指和環(huán)形電流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是環(huán)形導線中心軸線上磁感線的方向。5.2知識準備5.2.1電流的磁效應(yīng)三、電流的磁場螺線管通電以后表現(xiàn)出來的磁性，很像一根條形磁鐵，一端相當于N極，另一端相當于S極，改變電流方向，它的兩極就對調(diào)。通電螺線管外部的磁感線和條形磁鐵外部的磁感線相似，也是從N極出來進入S極。通電螺線管內(nèi)部具有磁場，內(nèi)部的磁感線跟螺線管的軸線平行，方向由S極指向N極，并和外部的磁感線連接，形成一些閉合曲線。判定方法：可用安培定則來判定：用右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指方向跟電流的方向一致，那么大拇指所指方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向，也就是說，大拇指指向通電螺線管的N極。5.2知識準備5.2.2磁場的主要物理量任務(wù)導引磁場不僅有方向，而且也有強弱。表示磁場強弱的物理量有哪些，分別是怎樣的呢？5.2知識準備5.2.2磁場的主要物理量一、磁感應(yīng)強度做中學、做中教如圖5－7所示，改變電流大小，觀察導體擺動幅度有何不同；調(diào)節(jié)磁鐵數(shù)量，觀察導體擺動幅度有何不同。通過實驗發(fā)現(xiàn)電流越大，導體擺動幅度越大；磁鐵數(shù)量越多，導體擺動幅度越大；即磁場中垂直于磁場方向的通電導線，所受的磁場力F與電流I大小、磁場強度和導線長度L有關(guān)。5.2知識準備5.2.2磁場的主要物理量一、磁感應(yīng)強度我們把磁場中垂直于磁場方向的通電導線，所受的磁場力F與電流I大小和導線長度L乘積IL的比值稱為通電導線在該處的磁感應(yīng)強度。用B表示。磁感應(yīng)強度是一個矢量，它的大小如上式所示，它的方向就是該點的磁場方向。它的單位由F、I和L的單位決定，在國際單位制中，它的單位是T（特）。用磁感線的疏密程度也可以形象地表示磁感應(yīng)強度的大小，在磁感應(yīng)強度大的地方磁感線就密一些，在磁感應(yīng)強度小的地方磁感線就疏一些。如果在磁場的某一區(qū)域里，磁感應(yīng)強度的大小和方向都相同，這個區(qū)域就稱為勻強磁場。勻強磁場的磁感線方向相同，疏密程度也一樣，是一些分布均勻的平行直線。5.2知識準備5.2.2磁場的主要物理量二、磁通設(shè)在勻強磁場中有一個與磁場方向垂直的平面，磁場的磁感應(yīng)強度為B，平面的面積為S，定義磁感應(yīng)強度B與面積S的乘積，稱為穿過這個面的磁通量（簡稱磁通），如果用Ф表示磁通，那么在國際單位制中，磁通的單位是Wb（韋）。引入了磁通這個概念，反過來也可以把磁感應(yīng)強度看做是通過單位面積的磁通，因此，磁感應(yīng)強度也常稱為磁通密度，并且用Wb/m2（韋／米2）作單位。5.2知識準備5.2.2磁場的主要物理量三、磁導率做中學、做中教通電的空心線圈分別插入鐵棒和銅棒，去吸引鐵釘，觀察吸引力有何不同？實驗發(fā)現(xiàn)通電的空心線圈插入鐵棒比插入銅棒吸引力更大。說明磁場中各點的磁感應(yīng)強度不僅與電流的大小和導體的長度有關(guān)，還與磁場內(nèi)媒介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。5.2知識準備5.2.2磁場的主要物理量三、磁導率磁導率就是一個用來表示媒介質(zhì)導磁性能的物理量，不同的媒介質(zhì)有不同的磁導率，它的單位為H/m（亨／米）。實驗證明，真空中的磁導率是一個常數(shù)，用μ0表示，即由于真空中的磁導率是一個常數(shù)，所以，將其他媒介質(zhì)的磁導率與它對比是很方便的。任一媒介質(zhì)的磁導率與真空中磁導率的比值稱為相對磁導率，用μr表示，即5.2知識準備5.2.2磁場的主要物理量三、磁導率根據(jù)各種物質(zhì)導磁性能的不同，可把物質(zhì)分為三種類型，即反磁性物質(zhì)、順磁性物質(zhì)和鐵磁性物質(zhì)。μr<1的物質(zhì)稱為反磁性物質(zhì)，也就是說，在這類物質(zhì)中所產(chǎn)生的磁場要比真空中弱一些。μr>1的物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)，也就是說，在這類物質(zhì)中所產(chǎn)生的磁場要比真空中強一些。鐵磁性物質(zhì)μr1，而且不是一個常數(shù)，在其他條件相同的情況下，這類物質(zhì)中所產(chǎn)生的磁場要比真空中的磁場強幾千倍甚至幾萬倍，因而在電工技術(shù)方面應(yīng)用甚廣。鐵、鋼、鈷、鎳及某些合金都屬于這一類物質(zhì)。5.2知識準備5.2.2磁場的主要物理量三、磁導率順磁性物質(zhì)和反磁性物質(zhì)的相對磁導率都接近于l，因而除鐵磁性物質(zhì)外，其他物質(zhì)的相對磁導率都可認為等于l，并稱這些物質(zhì)為非鐵磁性物質(zhì)。表5—1列出了幾種常用的鐵磁性物質(zhì)的相對磁導率。5.2知識準備5.2.2磁場的主要物理量四、磁場強度既然磁場中各點磁感應(yīng)強度的大小與媒介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，這就使磁場的計算變得比較復雜。因此，為了使磁場的計算簡單，常用磁場強度這個物理量來表示磁場的性質(zhì)。磁場中某點的磁感應(yīng)強度B與媒介質(zhì)磁導率μ的比值，稱為該點的磁場強度，用H來表示，即磁場強度也是一個矢量，在均勻的媒介質(zhì)中，它的方向和磁感應(yīng)強度的方向一致。在國際單位制中，它的單位為A/m（安／米）。磁場強度也是一個矢量，在均勻的媒介質(zhì)中，它的方向和磁感應(yīng)強度的方向一致。在國際單位制中，它的單位為A/m（安／米）。磁場強度也是一個矢量，在均勻的媒介質(zhì)中，它的方向和磁感應(yīng)強度的方向一致。在國際單位制中，它的單位為A/m（安／米）。5.2知識準備5.2.3磁場對通電導線的作用力任務(wù)導引電動機的運轉(zhuǎn)，指針式儀表的偏轉(zhuǎn)，都是靠磁場對通電導線產(chǎn)生的作用力。那么，磁場對通電導線的作用力大小如何計算，方向又如何判斷呢？5.2知識準備5.2.3磁場對通電導線的作用力把一小段通電導線垂直放入磁場中，根據(jù)通電導線受的力F、導線中的電流I和導線長度L定義了磁感應(yīng)強度論。把這個公式變形，就得到磁場對通電導線的作用力公式為嚴格來說，式（5-6）只適用于一小段通電導線的情形，導線較長時，導線所在處各點感應(yīng)強度B一般并不相同，就不能應(yīng)用式(5-6)。不過，如果磁場是勻強磁場，式（5－6）就適用于長的通電導線了。5.2知識準備5.2.3磁場對通電導線的作用力如果電流方向與磁場方向不垂直，即電流方向與磁場方向間有一夾角時，可以把磁感應(yīng)強度B分解為兩個分量：一個是跟電流方向平行的分量，其大小為B1=Bcosθ，另一個是跟電流方向垂直的分量，其大小為B2=Bsinθ，如圖5-8所示。前者對通電導線沒有作用力，通電導線受到的作用力完全是由后者決定的，即F=B2IL，代入B2=Bsinθ，即得式中，B表示勻強磁場的磁感應(yīng)強度，單位是特[斯拉]，符號T；I表示載流直導線的電流，單位是安[培]，符號A；L表示導線在磁場中的有效長度，單位是米，符號m；θ表示載流直導線與磁感線的夾角，單位是度，符號（°）；F表示導體所受的磁力，牛[頓]，符號N。這就是電流方向與磁場方向成某一角度時作用力的公式。從式(5-7)可以看出：θ＝時，力F最大；電流方向越偏離與磁場相垂直的方向，即θ越小，力F也越小；當θ=0時，力F最小，等于零。5.2知識準備5.2.3磁場對通電導線的作用力磁場力的方向和磁場方向及電流方向均是垂直的，可用左手定則來判定：如圖5－9所示，伸出左手，使大拇指跟其余四個手指垂直，并且都跟手掌在一個平面內(nèi)，讓磁感線垂直進入手心，并使四指指向電流方向，這時手掌所在的平面與磁感線和導線所在的平面垂直，大拇指所指的方向就是通電導線在磁場中受力的方向。5.2知識準備5.2.3磁場對通電導線的作用力【例5－1】在磁感應(yīng)強度為0.5T的勻強磁場中，有一長度為60cm的導線，導線中的電流為10A，導線與磁感線的夾角分別為0°、30°和90°，求導線各受多在的力。解：載流直導線在磁場中受力的大小為：F=BILsinθ5.2知識準備5.2.4電磁感應(yīng)現(xiàn)象任務(wù)導引任何通有電流的導線，都可以在其周圍產(chǎn)生磁場。反過來磁場可不可以用來產(chǎn)生電流呢？怎樣才能產(chǎn)生電流呢？5.2知識準備5.2.4電磁感應(yīng)現(xiàn)象做中學、做中教按圖5－10所示連接實物，讓導體AB在磁場中向前或向后運動，觀察電流計的指針偏轉(zhuǎn)情況。讓導體AB在磁場中靜止、向上或向下運動，觀察電流計的指針偏轉(zhuǎn)情況。導體AB在磁場中向前或向后運動時，電流計的指針向左或向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明電路中產(chǎn)生了電流。導體AB在磁場中靜止、向上或向下運動時，電流計的指針不偏轉(zhuǎn)，說明電路中沒有產(chǎn)生電流。結(jié)論：導體AB向前或向后運動，切割了磁感線；導體AB靜止、向上或向下運動，沒有切割磁感線?？梢姡灰]合電路中的一部分導體做切割磁感線運動，電路中就會產(chǎn)生電流。5.2知識準備5.2.4電磁感應(yīng)現(xiàn)象做中學、做中教按圖5-11所示連接實物，將磁鐵插入線圈，觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)情況。將磁鐵從線圈中抽出，觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)情況。將磁鐵插入線圈，電流計指針向左或向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)；而將磁鐵從線圈中抽出，電流計指針向右或向左發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這說明閉合電路中產(chǎn)生了電流。但如果磁鐵插入線圈后靜止不動，電流表指針也不偏轉(zhuǎn)，說明閉合電路中沒有電流。結(jié)論：線圈不動，磁鐵相對線圈運動，同樣產(chǎn)生了導體切割磁感線運動，電路就會產(chǎn)生電流。5.2知識準備5.2.4電磁感應(yīng)現(xiàn)象做中學、做中教按圖5-12所示連接實物，觀察開關(guān)閉合和斷開瞬間及閉合和斷開后電流計指針偏轉(zhuǎn)情況；閉合開關(guān)一小段時間后（電流計指針無偏轉(zhuǎn)），調(diào)大和調(diào)小變阻器阻值，觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)情況。閉合開關(guān)一小段時間后（電流計指針無偏轉(zhuǎn)），調(diào)大或調(diào)小變阻器阻值，電流計指針也將發(fā)生相反方向的偏轉(zhuǎn)，說明線圈B中產(chǎn)生了電流。結(jié)論：在導體和磁場不發(fā)生相對運動的情況下，只要穿過閉合電路的磁通（磁感線多少）發(fā)生變化，閉合電路中就會產(chǎn)生電流。開關(guān)閉合和斷開瞬間，電流計指針將發(fā)生相反方向的偏轉(zhuǎn)，說明線圈B中產(chǎn)生了電流；而開關(guān)閉合和斷開一段時間后，電流計指針不偏轉(zhuǎn)，說明線圈B中沒有電流。5.2知識準備5.2.5感應(yīng)電流的方向任務(wù)導引在電磁感應(yīng)現(xiàn)象實驗中，我們發(fā)現(xiàn)導體向前和向后運動、磁鐵的插入和拔出運動、開關(guān)的閉合和斷開、電阻器的調(diào)大和調(diào)小，電流計指針都是往不同方向運動。這說明感應(yīng)電流的方向是不同的。那么，感應(yīng)電流方向有什么規(guī)律呢？我們又如何來確定感應(yīng)電流方向呢？5.2知識準備5.2.5感應(yīng)電流的方向一、右手定則感應(yīng)電流的方向可由右手定則來判斷。即伸開右手，讓大拇指和其余四指在同一平面內(nèi)，大拇指和其余四指垂直，讓磁感線垂直穿過手心，大拇指指向?qū)w的運動方向，四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向，如圖所示。左手定則與右手定則使用區(qū)別：屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的問題，即機械能轉(zhuǎn)換為電能應(yīng)用右手定則；屬于磁場對電流作用的問題，即電能轉(zhuǎn)換為機械能應(yīng)用左手定則；簡記為左馬達右發(fā)電。5.2知識準備5.2.5感應(yīng)電流的方向二、楞次定律當磁鐵插入或抽出線圈時，線圈由于產(chǎn)生感應(yīng)電流而具有磁性，磁鐵和線圈之間必然要發(fā)生相互作用。從能量守恒定律可以斷定，這個相互作用總是要阻礙磁鐵的運動。也就是說，當磁鐵插入線圈的時候要受到排斥，這時在線圈靠近磁鐵的一端出現(xiàn)同性磁極，如圖所示；當磁鐵抽出線圈的時候要受到吸引，這時在線圈靠近磁鐵的一端出現(xiàn)異性磁極，如圖所示。5.2知識準備5.2.5感應(yīng)電流的方向二、楞次定律應(yīng)用楞次定律判定感應(yīng)電流方向的具體步驟：首先要明確原來磁場的方向，以及穿過閉合電路的磁通是增加還是減少。然后根據(jù)楞次定律確定感應(yīng)電流的磁場方向，即穿過線圈的磁通增加時，感應(yīng)電流的磁場方向跟原來磁場的方向相反，阻礙磁通的增加；穿過線圈的磁通減少時，感應(yīng)電流的磁場方向跟原來磁場的方向相同，阻礙磁通的減少。最后利用安培定則來確定感應(yīng)電流的方向。感應(yīng)電流的方向，總是要使感應(yīng)電流的磁場阻礙引起感應(yīng)電流的磁通的變化，這就是楞次定律，它是判斷感應(yīng)電流方向的普遍規(guī)律。5.2知識準備5.2.6電磁感應(yīng)定律任務(wù)導引在電磁感應(yīng)實驗中，閉合回路中均產(chǎn)生了感應(yīng)電流，導體必然產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢。產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的導體就是一個電源，那么，感應(yīng)電動勢的大小將由哪些因素決定呢？5.2知識準備5.2.6電磁感應(yīng)定律一、切割磁感線時的感應(yīng)電動勢如圖所示，當處在勻強磁場B中的直導線L以速度ν垂直于磁場方向作切割磁感線運動時，導線中便產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其表達式為感應(yīng)電動勢方向也可由右手定則確定，即四指所指方向既是感應(yīng)電流方向，也是感應(yīng)電動勢的正極，如圖所示。式中，e表示導體中的感應(yīng)電動勢，單位為V；B表示勻強磁場的磁感應(yīng)強度，單位為T；L表示磁場中導體的有效長度，單位為m；ν表示導體的運行速度，單位為m／s。5.2知識準備5.2.6電磁感應(yīng)定律二、電磁感應(yīng)定律在電磁感應(yīng)實驗中可知，線圈中感應(yīng)電動勢的大小與穿過線圈的磁通的變化率成正比，即穿過線圈的磁通變化越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大；穿過線圈的磁通變化越慢，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越?。淮磐ú蛔兓瘯r，感應(yīng)電動勢為零。這一變化規(guī)律稱為法拉第電磁感應(yīng)定律。式中，Φ表示磁通，單位為Wb；t表示時間，單位為s；e表示感應(yīng)電動勢，單位為V。感應(yīng)電動勢為5.2知識準備5.2.6電磁感應(yīng)定律二、電磁感應(yīng)定律如果同一變化的磁通量穿過N匝線圈，則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為感應(yīng)電動勢的方向可用安培定則確定，即四指所指方向既是感應(yīng)電流方向，也是感應(yīng)電動勢的正極。式中，NΦ表示磁通與線圈匝數(shù)的乘積，通常稱為磁鏈，用表示。5.2知識準備5.2.7自感和互感任務(wù)導引線圈在什么情況下會產(chǎn)生感生電動勢？感生電動勢大小由哪些因素決定？具有多大的磁場能量？5.2知識準備5.2.7自感和互感一、自感現(xiàn)象、自感系數(shù)和自感電動勢按圖連接電路，R1阻值等于L1的直流電阻。閉合開關(guān)S，觀察LED1和LED3發(fā)光情況。斷開開關(guān)S，觀察LED2和LED3發(fā)光情況。在實驗中，我們發(fā)現(xiàn)閉合開關(guān)S，LED1立即發(fā)光，而LED3比LED1慢發(fā)光。斷開開關(guān)S后LED2和LED3能繼續(xù)發(fā)光一小段時間。做中學、做中教1.自感現(xiàn)象5.2知識準備5.2.7自感和互感一、自感現(xiàn)象、自感系數(shù)和自感電動勢為什么會出現(xiàn)上述情況呢？原來，在接通電路的瞬間，電路中的電流增大，穿過線圈L1的磁通也隨著增加。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈中必然會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個感應(yīng)電動勢阻礙線圈中電流的增大，所以，LED3比LED1慢發(fā)光。在電路斷開的瞬間，通過線圈的電流突然減弱，穿過線圈的磁通也就很快地減少，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。雖然這時電源已經(jīng)斷開，但線圈L1、LED2和LED3組成了閉合電路，在這個電路中有感應(yīng)電流通過，所以，LED2和LED3不會立即熄滅。結(jié)論：當通過線圈的電流發(fā)生變化時，它所產(chǎn)生的磁場也要發(fā)生變化，通過線圈本身的磁通也在變化，線圈本身就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個電動勢總是阻礙線圈中電流的變化。像這種由于線圈本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，稱為自感現(xiàn)象，簡稱自感。在自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，稱為自感電動勢。5.2知識準備5.2.7自感和互感當同一電流i通過結(jié)構(gòu)不同的線圈時，所產(chǎn)生的自感磁鏈各不相同。為了表明各個線圈產(chǎn)生自感磁鏈的能力，將線圈的自感磁鏈與電流的比值稱為線圈的自感系數(shù)（或稱為自感量），簡稱電感，用符號L表示，即上式中，L表示一個線圈通過單位電流所產(chǎn)生的磁鏈。自感系數(shù)的單位是H（亨），常用較小的單位mH（毫亨）和μH（微亨）。換算關(guān)系是：1H=103mH=106μH。當電流通過回路時，在回路內(nèi)就要產(chǎn)生磁通，稱為自感磁通，用符號ФL表示。當電流通過匝數(shù)為N的線圈時，線圈的每一匝都有自感磁通穿過，如果穿過線圈每一匝通過的磁通都一樣，那么，這個線圈的自感磁鏈為2.自感系數(shù)5.2知識準備5.2.7自感和互感式中，ΔiL表示線圈中電流的變化量，單位A；Δt表示線圈中電流變化了ΔiL所用的時間，單位S；L表示線圈的自感系數(shù)，單位H；eL表示自感電動勢，單位V；負號表示自感電動勢總是企圖阻止原電流的變化。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈中產(chǎn)生的自感電動勢為3.自感電動勢5.2知識準備5.2.7自感和互感二、互感現(xiàn)象、互感系數(shù)和互感電動勢在圖所示的電磁感應(yīng)現(xiàn)象實驗中我們發(fā)現(xiàn)：開關(guān)閉合和斷開瞬間或閉合開關(guān)一小段時間后（電流計指針無偏轉(zhuǎn)），調(diào)大和調(diào)小變阻器阻值，電流計指針都將發(fā)生相反方向的偏轉(zhuǎn)，說明線圈A中的電流產(chǎn)生變化后，線圈B中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，稱為互感電動勢。1.互感現(xiàn)象5.2知識準備5.2.7自感和互感假如兩個線圈或回路靠得很近，當?shù)谝粋€線圈中有電流i1通過時，它所產(chǎn)生的自感磁通Ф11，必然有一部分要穿過第二個線圈，這一部分磁通稱為互感磁通，用Ф21表示，它在第二個線圈上產(chǎn)生互感磁鏈ψ21（ψ21=NФ21），同樣，當?shù)诙€線圈通有電流i2時，它所產(chǎn)生的自感磁通Ф22也會有一部分要穿過第一個線圈，形成Ф12，產(chǎn)生互感磁鏈ψ12（ψ12=NФ12）。2.互感系數(shù)5.2知識準備5.2.7自感和互感在兩個有磁交鏈（耦合）的線圈中，互感磁鏈與產(chǎn)生此磁鏈的電流比值，稱為這兩個線圈的互感系數(shù)（或互感量），簡稱互感，用符號M表示，即2.互感系數(shù)由式可知，兩個線圈中，當其中一個線圈通有1A電流時，在另一線圈中產(chǎn)生的互感磁鏈數(shù)，就是這兩個線圈之間的互感系數(shù)?；ジ邢禂?shù)的單位和自感系數(shù)一樣。通常互感系數(shù)只和這兩個回路的結(jié)構(gòu)、相互位置及媒介質(zhì)的磁導率有關(guān)，而與回路中的電流無關(guān)。只有當媒介質(zhì)為鐵磁性材料時，互感系數(shù)才與電流有關(guān)。5.2知識準備5.2.7自感和互感對于兩個靠得很近的線圈，設(shè)兩線圈的互感系數(shù)M為常數(shù),第一個線圈的電流i1發(fā)生變化，將在第二個線圈中產(chǎn)生的互感電動勢為3.互感電動勢同理可得，第二個線圈的電流i2發(fā)生變化，在第一個線圈中產(chǎn)生的互感電動勢為上式說明，線圈中的互感電動勢，是與互感系數(shù)和另一線圈中電流的變化率的乘積成正比?；ジ须妱觿莸姆较?，可用楞次定律判定。5.2知識準備5.2.7自感和互感1.磁場能量和電場能量在電路中的轉(zhuǎn)化都是可逆的。例如，隨著電流增大，線圈的磁場增強，儲存的磁場能量就增多；隨著電流減小，磁場減弱。磁場能量通過電磁感應(yīng)的作用，又能轉(zhuǎn)化為電能。因此，線圈和電容器一樣都是儲能元件，而電阻器是耗能元件。三、磁場能量2.磁場能量的計算公式，在形式上和電場能量的計算公式相似。根據(jù)理論推導，線圈的磁場能量WL，可用下式計算式中，L的單位為H，I的單位為A，WL的單位為J。當線圈通有電流時，線圈中就要儲存磁場能，通過線圈的電流越大，儲存的能量也越多，通電線圈從外界吸收能量；在通有相同電流的線圈中，電感越大的線圈儲存的能量越多，因此，線圈的電感就反映它儲存磁場能量的能力。5.2知識準備5.2.8正弦交流電任務(wù)導引在我們的生產(chǎn)生活中，除用到直流電外，很多情況下還用到了交流電。那么，交流電是如何產(chǎn)生的呢？我們將用怎樣的物理量和表示法來表示交流電呢？5.2知識準備5.2.8正弦交流電一、正弦交流電的產(chǎn)生將手搖發(fā)電機和電流計按圖連接。勻速手搖發(fā)電機，觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)情況與線圈位置在磁場位置的關(guān)系。通過手搖發(fā)電機，我們發(fā)現(xiàn)：電流計指針隨著線圈的轉(zhuǎn)動而擺動，并且線圈每轉(zhuǎn)一周，指針左右擺動一次；線圈由水平面旋轉(zhuǎn)垂直面時偏轉(zhuǎn)角度由大變小，而線圈由垂直面旋轉(zhuǎn)水平面時偏轉(zhuǎn)角度由小變大。做中學、做中教5.2知識準備5.2.8正弦交流電交流電發(fā)電機產(chǎn)生正弦交流電的過程和對應(yīng)的波形如圖5-18所示。5.2知識準備5.2.8正弦交流電1.線圈平面垂直于磁感線，如圖所示，ab、cd邊此時速度方向與磁感線平行，線圈中沒有感應(yīng)電動勢，沒有感應(yīng)電流。這時線圈平面所處的位置叫中性面。中性面的特點：線圈平面與磁感線垂直，磁通量最大，感應(yīng)電動勢最小為零，感應(yīng)電流為零。根據(jù)波形發(fā)現(xiàn)，交流發(fā)電機產(chǎn)生的電動勢是按正弦規(guī)律變化，因此稱為正弦交流電。2.當線圈平面逆時針轉(zhuǎn)過90°時，如圖所示，即線圈平面與磁感線平行時，ab、cd邊的線速度方向都跟磁感線垂直，即兩邊都垂直切割磁感線，這時感應(yīng)電動勢最大，線圈中的感應(yīng)電流也最大。3.再轉(zhuǎn)過90°時，如圖所示，線圈又處于中性面位置，線圈中沒有感應(yīng)電動勢。4.當線圈再轉(zhuǎn)過90°時，如圖所示位置，ab、cd邊的瞬時速度方向，跟線圈經(jīng)過圖所在位置時的速度方向相反，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向跟圖所在位置相反。5.再轉(zhuǎn)過90°線圈處于起始位置，如圖所示，與圖所示位置相同，線圈中沒有感應(yīng)電動勢。5.2知識準備5.2.8正弦交流電二、正弦交流電的基本物理量根據(jù)定義，周期與頻率是互為倒數(shù)關(guān)系，即1.周期和頻率交流電完成一次周期性變化所用的時間，叫做周期。也就是線圈勻速轉(zhuǎn)動一周所用的時間。用T表示，單位是S（秒）。在圖中，橫坐標軸上0到T的這段時間就是一個周期。交流電在單位時間（1S）完成得周期性變化的次數(shù)，叫做頻率。用字母f表示，單位是赫[茲]，符號為Hz。常用單位還有千赫（kHz)和兆赫（MHz)，換算關(guān)系如下：5.2知識準備5.2.8正弦交流電二、正弦交流電的基本物理量我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中用的交流電，周期是0.02S，頻率是50Hz，習慣上稱為“工頻”。世界各國所采用的交流電頻率并不相同，例如：美國、日本采用的市電頻率均為60Hz。周期與頻率都是反映交流電變化快慢的物理量。周期越短、頻率越高，交流電變化越快。交流電變化的快慢，除了用周期和頻率表示外，還可以用角頻率表示。通常交流電變化一周可用2π弧度或360°來計量。那么，單位時間內(nèi)變化的角度（電角度），叫做角頻率，用ω表示，單位是rad/s(弧度/秒)。角頻率與頻率和周期的關(guān)系是5.2知識準備5.2.8正弦交流電二、正弦交流電的基本物理量2.最大值和有效值正弦交流電的大小和方向隨時間按正弦規(guī)律變化，正弦交流電在一個周期內(nèi)所能達到的最大數(shù)值，可以用來表示正弦交流電變化的范圍，稱為交流電的最大值，又稱振幅、幅值或峰值。交流電的有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)來規(guī)定的。讓一個直流電流與一個交流電流分別通過阻值相等的電阻，如果通電的時間相同，電阻R上產(chǎn)生的熱量也相等，那么直流電的數(shù)值叫做交流電的有效值。例如，在同一時間內(nèi)，某一交流電通過一段電阻產(chǎn)生的熱量，跟3A的直流電通過阻值相同的另一電阻產(chǎn)生的熱量相等，那么，這一交流電流的有效值就是3A。交流電動勢和電壓的有效值同樣可以用這種方法確定。5.2知識準備5.2.8正弦交流電二、正弦交流電的基本物理量通常用Em、Um、Im分別表示交流電的電動勢、電壓和電流的最大值，用E、U、I分別表示交流電的電動勢、電壓和電流的有效值。理論和實驗都可以證明，正弦交流電的最大值是有效值的倍，即5.2知識準備5.2.8正弦交流電二、正弦交流電的基本物理量有效值和最大值是從不同角度反映交流電流強弱的物理量。通常所說的交流電的電流、電壓、電動勢的值，不作特殊說明的都是有效值。例如，市電電壓是220V，是指其有效值為220V。值得注意的是，在選擇電器的耐壓時，必須考慮電壓的最大值；選擇最大允許電流時，同樣也是考慮電流的最大值。例如：耐壓為220V的電容，不能接到電壓有效值為220V的交流電路上，因為電壓的有效值為220V，對應(yīng)最大值為311V，會使電容器因擊穿而損壞。5.2知識準備5.2.8正弦交流電二、正弦交流電的基本物理量3.相位和相位差t=T時刻線圈平面與中性面的夾角為ωt+φ0，叫做交流電的相位。相位是一個隨時間變化的量。當t=0時，相位φ=φ0，φo叫做初相位（簡稱初相），它反映了正弦交流電起始時刻的狀態(tài)。注意：初相的大小與時間起點的選擇有關(guān)，習慣上初相用絕對值小于π的角表示。相位的意義：相位是表示正弦交流電在某一時刻所處狀態(tài)的物理量，它不僅決定瞬時值的大小和方向，還能反映出正弦交流電的變化趨勢。5.2知識準備5.2.8正弦交流電二、正弦交流電的基本物理量兩個同頻正弦交流電，任一瞬間的相位之差就叫做相位差，如圖5-19所示，用符號Δφ表示。即相位差是指兩者的初相之差，它不會隨時間改變而改變。兩個頻率相同的交流電，如果它們的相位相同，即相位差為零，就稱這兩個交流電為同相的。它們的變化步調(diào)一致，總是同時到達零和正、負最大值，它們的波形如圖5-20(a)所示。5.2知識準備5.2.8正弦交流電二、正弦交流電的基本物理量兩個頻率相同的交流電，如果相位差為180°，就稱這兩個交流電為反相。它們的變化步調(diào)恰好相反，一個到達正的最大值，另一個恰好到達負的最大值；一個減小到零，另一個恰好增大到零，它們的波形如圖5-20(b)所示。有效值（或最大值）、頻率（或周期、角頻率）、初相是表征正弦交流電的三個重要物理量，故稱之為正弦交流電的三要素。圖5-21表示兩個頻率相同，但初相不同的交流電，且φ01>φ02。從圖中可以看出，它們的變化步調(diào)不一致，e1比e2先到達正的最大值、零或負的最大值。這時說e1比e2超前φ，或者e2比e1滯后φ。5.2知識準備5.2.8正弦交流電三、正弦交流電的表示法1.解析式表示法正弦交流電的電動勢、電壓和電流的瞬時值表達式就是交流電的解析式，即【例5－1】已知有一正弦交流電壓的最大值Um=310V，頻率f=50Hz，初相φuo=300，則它的解析式為u=Umsin(ωt+φuo)=310sin(100t+300)Vt=0.01S瞬時的電壓瞬時值為u=310sin(+300)V=310sin2100V=-155V5.2知識準備5.2.8正弦交流電2.波形圖表示法圖中的橫坐標表示時間t或角度ωt，縱坐標表示隨時間變化的電動勢、電壓和電流的瞬時值，在波形上可以反映出正弦交流電的三要素。5.3任務(wù)實現(xiàn)5.3.1認識變壓器變壓器是利用電磁感應(yīng)原理工作的電磁裝置。它能將某一電壓值的交流電變換成同頻率所需電壓值的交流電，也可以用來改變交流電的電流數(shù)值，還可用來阻抗變換或改變相位。在電力系統(tǒng)、自動控制及電子設(shè)備中，廣泛使用各種類型變壓器。變壓器圖形符號如圖5-23所示，T是它的文字符號。一、變壓器的用途和種類5.3任務(wù)實現(xiàn)5.3.1認識變壓器變壓器種類很多，按用途可大致分為以下幾種：用于輸配電系統(tǒng)的電力變壓器；用于工業(yè)動力系統(tǒng)中直流拖動的專用電源變壓器；用于電力系統(tǒng)或?qū)嶒炇业葓龊系恼{(diào)壓變壓器；用于測量電壓的電壓互感器、測量電流的鉗形電流表等測量變壓器；用于潮濕環(huán)境或人體常常接觸場合的安全變壓器。一、變壓器的用途和種類5.3任務(wù)實現(xiàn)5.3.1認識變壓器變壓器主要由鐵心和線圈（也叫繞組）兩部分組成。鐵心構(gòu)成了變壓器的磁路通道。為了減小渦流和磁滯損耗，鐵心用磁導率較高而且相互絕緣的硅鋼片疊裝而成。在頻率為50Hz的變壓器中，每一硅鋼片的厚度約為0.35－0.5mm。通信用的變壓器常用鐵氧體或其它磁性材料作鐵心。按照鐵心構(gòu)造形式，可分為心式和殼式兩種。心式鐵心成“口”字形，線圈包著鐵心；殼式鐵心成“日”字形，鐵心包著線圈。二、變壓器的基本構(gòu)造5.3任務(wù)實現(xiàn)5.3.1認識變壓器線圈是變壓器的電路部分。線圈用具有良好絕緣的漆包線、紗包線或絲包線繞成。在工作時，與電源相連的線圈叫做原線圈(初級繞組)；而與負載相連的線圈叫做副線圈(次級繞組)。絕緣是變壓器制造中的主要問題，線圈的區(qū)間和層間都要絕緣良好，線圈和鐵心、不同線圈之間更要絕緣良好。為了提高變壓器的絕緣性能，在制造時還要進行浸漆、烘烤、灌蠟、密封、去潮等處理。二、變壓器的基本構(gòu)造5.3任務(wù)實現(xiàn)5.3.1認識變壓器變壓器是按電磁感應(yīng)原理工作的。如果把變壓器的原線圈接在交流電源上，在原線圈中就有交流電流流過，交變電流將在鐵心中產(chǎn)生交變磁通，這個變化的磁通經(jīng)過閉合磁路同時穿過原線圈和副線圈。交變的磁通將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，因此，在變壓器原線圈中產(chǎn)生自感電動勢的同時，在副線圈中產(chǎn)生了互感電動勢。這時，如果在副線圈上接上負載，那么電能將通過負載轉(zhuǎn)換成其他形式的能，如圖所示。三、變壓器的工作原理5.3任務(wù)實現(xiàn)5.3.1認識變壓器1.變換交流電壓當變壓器的原線圈接上交流電壓后，在原、副線圈中通有交變的磁通，若漏磁通略去不計，可以認為穿過原、副線圈的交變磁通相同，因而這兩個線圈的每匝所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相等。設(shè)原線圈的匝數(shù)是N1，副線圈的匝數(shù)是N2，穿過它們的磁通是Φ，那么原、副線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢分別是三、變壓器的工作原理由此可得5.3任務(wù)實現(xiàn)5.3.1認識變壓器如果忽略漏磁通和繞組上的壓降，則原、副繞組的電動勢近似等于原、副邊電壓，即三、變壓器的工作原理因此得到可見，變壓器原、副線圈的端電壓之比等于這兩個線圈的匝數(shù)比。若K＜1，即N2＞N1，U2就大于U1，變壓器使電壓升高，這種變壓器叫做升壓變壓器。如果K＞1，即N1＞N2，Ul就大于U2，變壓器使電壓降低，這種變壓器叫做降壓變壓器。如果K＝1，即N1＝N2，Ul就等于U2，變壓器輸入輸出電壓相等，這種變壓器叫做隔離變壓器。式中，K稱為變壓比。5.3任務(wù)實現(xiàn)5.3.1認識變壓器如果忽略漏磁通和繞組上的壓降，則原、副繞組的電動勢近似等于原、副邊電壓，即三、變壓器的工作原理因此得到可見，變壓器原、副線圈的端電壓之比等于這兩個線圈的匝數(shù)比。若K＜1，即N2＞N1，U2就大于U1，變壓器使電壓升高，這種變壓器叫做升壓變壓器。如果K＞1，即N1＞N2，Ul就大于U2，變壓器使電壓降低，這種變壓器叫做降壓變壓器。如果K＝1，即N1＝N2，Ul就等于U2，變壓器輸入輸出電壓相等，這種變壓器叫做隔離變壓器。式中，K稱為變壓比。5.3任務(wù)實現(xiàn)5.3.1認識變壓器2.變換交流電流由上面的分析知道，變壓器能從電網(wǎng)中獲取能量，并通過電磁感應(yīng)進行能量轉(zhuǎn)換后，再把電能輸送給負載。根據(jù)能量守恒定律，在不計變壓器內(nèi)部損耗的情況下，變壓器輸出的功率和它從電網(wǎng)中獲取的功率相等P1=P2。根據(jù)交流電功率的公式P=Ulcosφ可得，U1I1cosφ1＝U2I2cosφ2。式中，cosφ1是原線