科技英语 7电磁理论及磁路 原文与翻译

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1、电磁理论及磁路了解电磁学是对电气工程研究的基础，因为电磁学是工业及家用电器操作的关键问题。所有的从小到零点几马力的家用至大到25000马力的工业用电动机及发电机都依靠电磁场作为耦合装置来实现电系统和机械系统之间的能量转换。类似地，静态变压器以电磁场为媒介实现电系统之间能量的转换。变压器大量用于无线电、电视接收器及送变电电路中。其他的设备，如：断路器、自动闸及继电器的使用要求一定的磁场效应。这一单元的目的是为读者提供电磁学的背景，以使读者能够识别电磁场，了解电磁场的特性及更好地理解电磁场在电气设备中的应用。如前所述，电气工程学是基于试验得出的几个基本定律建立的

2、。电磁学的这一领域中，安培定律是我们介绍的出发点。基于1820年安培得到的结论，根据实验中两个通电导线之间力的作用，可以容易地定义磁通。有了此基础后，我们将讨论特定工程材料的磁特性以及磁路的概念以便对磁设备进行分析估算。安培环路定律：安培的试验使用一根通以定常电流的长导线和一个通以定常电流的长度为的导线（导体），使电流方向与电流方向相反，导线1和导线2放置在同一水平面内，并且保持平行。根据安培定律可得：导线之间存在力的作用（力的方向由右手螺旋定则确定），力的大小如下给出：其中：为磁通密度，磁通密度的单位是：磁通/平方米或特斯拉。磁导率：它是描述在周围媒介中通

3、以一定电流时，磁通密度增加或减小的特性的。真空磁导率为：磁导率的单位是亨利/米。如果周围介质不为真空，由公式（4.1）可见为：。将绝对磁导率与真空时的磁导率相比，可得相对磁导率。表示为：。由公式（4.4）可见，相对磁导率是一个简单的数值，它表示相对于真空时的磁通密度的增加或减小的程度。对于克镍铁磁性合金，相对磁导率可能高达十万；对于大多数铁磁性材料，相对磁导率为几十万。磁通：用磁通密度B乘以磁通所穿透的有效面积可以得到总的磁通。任意平面的磁通严格地定义为；磁通密度向量法线分量的面积积分。数学表达式如下：其中s表示积分面积；A表示线圈面积；表示B在线圈面积法线

4、方向的分量。磁通的单位为韦伯。磁场强度H：在磁回路计算中，用一个参量定量地表示磁场，并且保证该量与周围的介质无关是很有必要的。这一描述尤其适用于电机中共有磁通穿过不同介质（包括空气）的情况。因此，磁场强度定义为：。磁场强度的单位常用安培·圈/米而不用安培/米。这一单位适用于磁场是由线圈缠绕产生而不是由单个导体产生的情况。安培环路定律：在定义了基本的磁通密度B、磁通、磁场强度H及磁导率的前提下，我们将推导出如下关系。我们感兴趣的是磁场强度H沿任意给定闭合环路的线积分，公式（4.7）说明，磁场强度的闭合环路线积分等于产生磁场的线圈中的电流和。这一关系称为安培环路

5、定律，可以写成如下一般形式：其中：F表示由闭合磁通线回路所包含的电流安培乘以圈数。参量F称为磁势，缩写为mmf。这一关系对研究电磁设备非常有用，将在后续章节中被引用。铁磁性介质的磁化曲线：将铁磁性介质的磁场强度先增加到，然后再减小，可以看出铁磁性介质的相关特性。我们将发现介质具有抗退磁性，即不是沿磁化曲线Oa折回，而是沿Oa上方一曲线返回，如图4.1中ab。另外，当磁场强度返回零时，磁通密度不再为初始情况下的零。这是因为某些区域仍然保持着初始施加磁场的方向。当磁场强度H返回零时，磁通密度的值称为剩余磁通密度（剩磁）。剩磁随介质的磁化范围而变。剩磁的最大值称为

6、记忆力，而且磁场强度再增大时，会引起完全饱和。通常在工程应用中的铁磁介质—钢在磁场强度循环变化的磁场中，即磁场强度具有相同的正、负极限值。当H经多次循环变化后，B对H的图线逐渐趋向于图4.1所示的固定闭合曲线，回环沿箭头方向移动。这里时间是隐含变量，B总是滞后于H，所以，当H为零时，B为正的有限值，如b点；当B为零时，如c点，H为负的有限值，依此类推。这种铁磁介质在对称循环磁化条件下，磁通密度滞后于磁场强度的现象称为磁滞现象，闭环曲线abcdea称为磁滞环。此外，当介质处于这样的循环条件下时，为使剩余磁通密度减小为零所需的磁场强度值称为矫顽磁力，经常将矫顽磁

7、力的最大值称为矫顽力。磁路：通常磁设备中包含的是基本的磁场问题，因为它涉及的参量和B具有三维特性。庆幸的是，大多数情况下，工程师感兴趣的空间是充满铁磁材料的，而不是有意或必要设置的间隙。例如，在电动机械的能量转换设备中，磁通必须穿透众多静止的或旋转的铁磁介质，这时保留间隙是必要的。另外，在其他设备中，间隙是人为预留的，以消除B和H之间的非线性关系。尽管有间隙存在，是由磁场充满，还是由铁磁性介质充满空间的情况是相同的。通常这是因为间隙与机械静止部件与旋转部件之间允许的缝隙一样小；还因为铁的高磁导率将磁通局限在本身内部，这类似于铜导线限制电流，管道限制水流。基于

8、此，三维的磁场问题转化成一维的环路问题，由此引出磁路