上篇 船舶电机学

第一章 磁场与电磁感应

第一节 磁场基本物理量

在船舶电气工程中，有电路的问题也有磁路的问题。发电机利用导体切割磁力线而产生电动势，电动机由载流导体在磁场中受到电磁力矩而旋转，以及继电器、接触器、变压器和电工仪表等运行动作，都蕴含着电与磁的相互转化和相互作用原理。

一、磁场

1.永久磁铁

当小指南针靠近永久磁铁就会发生偏转现象，说明永久磁铁的周围存在着一种物质，这种物质称为磁场。为了描述磁场的分布情况，人们引入了磁力线概念，磁铁的磁力线从N极出发，经外部空间进入S极，再由S极经磁铁内部到N极而形成无头无尾的闭合回线。磁力线上任一点的切线方向代表该点的磁场方向，如图1-1所示，l₁曲线上a点磁场方向即为a点切线l₂的方向，而磁力线的疏密反映了磁场各处磁性的强弱程度，靠近磁铁两端的磁力线密、磁场就强，远离磁铁两端的磁力线疏，磁场就弱。

2.电流的磁效应

当导体流过电流，在导体的周围也会产生磁场。根据导体的形状不同，通电导体产生的磁场可分为通电直导体周围产生磁场和通电螺旋状线圈产生磁场。

当一根直导线通入直流电流后，在导线周围将产生磁场。用磁力线表示如图1-2a所示。在实验中还可发现，通过的电流越大，同心圆的圈数越多，形状也越明显，这说明导体周围产生的磁场越强。

通电直导体产生磁场的方向与电流的方向可用“右手定则”进行判断，如图1-2b所示。用右手定则判断方向时，将右手的拇指伸出并使拇指指尖对准电流流动的方向，其他4个指头自然屈握，4个指头的方向就是电流产生的磁场的方向（即磁力线的方向）。

当螺旋状线圈通入电流后，在螺旋状线圈导线周围也将产生磁场。由于通电螺旋状线圈是一圈紧接一圈地靠在一起的，导线产生的磁力线发生变形，不再是同心圆了，成为如图1-3a所示的形状。通电螺旋状线圈产生的磁场方向也是用右手进行判断，为了便于区别，称之为“右手螺旋定则”。判断方向时，将右手的拇指伸出，其他4个手指头自然屈握，4个指头的方向与电流绕行流动方向一致，拇指指尖所指的方向就是通电螺旋状线圈通电后产生磁场的方向，如图1-3b所示，即在线圈内部从下往上穿过。

通电直导体周围产生磁场和通电螺旋状线圈产生磁场其实是一样的，在图1-3b中，线圈导线中有电流通过，若从导线的截面看，磁力线在导线靠线圈内部的方向是从下往上；磁力线在导线靠线圈外部的方向是从上往下，两圈导线靠在一起的部分，磁力线“一左一右”相互抵消。因此，从总体上看，就成了磁力线在线圈内部从下往上穿过，并符合“右手螺旋定则”。

在电流的磁效应中，我们并没有规定产生效应的电流的种类。实际上导体通入的电流不同，其产生的磁场也不一样。一般而言，根据导体通入电流的不同，可将电流磁效应产生的磁场分为恒定磁场、波动磁场、交变磁场和脉冲磁场4种。

恒定磁场是指大小和方向保持不变的磁场，在直导体或螺旋状线圈中通入大小和方向保持不变的直流电流时，产生的磁场就是恒定磁场；当通入方向保持不变，但大小却随时间变化的电流而产生变化的磁场称为波动磁场；而在直导体或螺旋状线圈中通入大小和方向都随时间变化的交流电流时，就会产生交变磁场。当直导体或螺旋状线圈中通入大小和方向都随时间按正弦规律变化的正弦交流电流时，产生的正弦交变磁场又称为脉振磁场（本书第四章介绍电机时将对脉振磁场进行讨论）。脉冲磁场和脉振磁场不同，脉冲磁场是指间歇出现的磁场，在某一固定的时间范围内磁场出现，而在其他时间范围内产生的磁场很小或为零（消失）。

二、磁场基本物理量

用磁力线描述磁场强弱的优点比较直观，但用磁力线定量描述磁场大小就显得不方便。为此，就引入磁场物理量对磁场的磁特性进行定量的描述。磁场的主要物理量有磁感应强度、磁通量和磁场强度等，这几个物理量在物理学中已经讲过。

1.磁感应强度与磁通量

磁感应强度是描述磁场内某点磁场强弱及方向的物理量，是一个矢量，用字母B表示，它与产生磁场电流的方向关系可用右手螺旋定则来确定。在磁场内磁感应强度的大小和方向处处相同，则称之为均匀磁场：磁通量Ф就是磁的通量，是垂直于磁力线面积的磁感应强度总和，它反映磁力总体作用。换句话说，磁感应强度和磁通量都是反映磁场实际作用强弱的量，磁通量反映的是总体作用，磁感应强度则是某点的具体作用，是单位面积通过的磁通量。它们两者之间的关系为

对于均匀磁场而言，磁通量代表穿过某一截面积S的磁感应强度B的通量（即磁力线数），若截面积S与磁感应强度B互相垂直，则

在国际单位制中，磁感应强度B的单位是特斯拉（T），1T=1Wb/m²；磁通量Ф的单位为韦伯（Wb）；截面积S的单位是平方米（m²）。

可见，在磁场（本书若没有特别说明，磁场均指均匀磁场）中，磁感应强度在数值上等于穿过垂直于磁场方向上的单位面积上的磁通量，故又称它为磁通密度。

2.磁场强度

磁场强度H是反映磁场本身所具有的磁力或磁能大小的物理量，它与磁场介质无关（也就是说，与磁力存在的物质导磁能力大小无关）。也是矢量，根据安培环路定律：

磁场强度H沿任一闭合回线l的线积分等于该回路圈内的电流代数和，当电流方向与积分回线方向符合右手螺旋关系时，电流I取正值，相反则取负值。

上式表明磁场中各点的磁场强度仅与产生磁场的电流大小和分布有关。

在非均匀磁介质中可分为n段，每段为均匀的磁路（集中通过磁通量的磁的闭合回路称为磁路），安培定律的计算式则变成简单的代数式

式中 H_k——第k段均匀磁路的磁场强度；

l _k——第k段均匀磁路的平均长度。

在均匀磁介质中，磁场强度H与电流成正比

式中 H——磁场强度（A/m）；

I——电流（A）；

l——均匀的磁路的平均长度（m）。

由式（1-5），人们可以对磁场强度这个物理量有更好的理解：在均匀磁路中，磁场强度H是单位长度磁路的励磁电流。或者说，磁路中磁场强度等于所有励磁电流总和与磁路总长度的比值，是电能在磁路中转换成磁能在单位长度中的体现。

三、磁导率

在磁场强度的作用下，磁介质被磁化，从而产生附加磁场。因此，在磁场中各点的磁感应强度随磁介质的不同而不同。磁感应强度与磁场强度的关系：

式中 μ——磁介质的磁导率或称导磁系数，它表明磁介质产生附加磁场的能力。实验表明，磁感应强度（即某点的磁场强弱）与磁场的介质有关。不同的磁介质，其μ是不同的。在不同的磁场强度的作用下，即使相同的磁介质，其μ也是不同的。可见，磁介质的磁导率μ不是一个常数。在国际单位制中，磁场强度H的单位为A/m；磁导率μ的单位为H/m。

真空的磁导率：

任一物质的磁导率μ与真空的磁导率μ₀之比，称为该物质的相对磁导率，用μ_r表示：

不同的材料，其磁导率不同，一般用于制造磁路材料的磁导率在10²～10⁴H/m之间，而真空的磁导率μ₀为4π×10^-7H/m≈1/800000H/m。

由式（1-3）和式（1-6）可知，相同励磁电流（产生相同磁场强度）的情况下，采用磁导率高的材料制造的磁路，产生的磁通量或磁通密度大。