標籤: 電力學 電磁

通電產生電磁的一種裝置。在鐵芯的外部纏繞與其功率相匹配的導電繞組,這種通有電流的線圈像磁鐵一樣具有磁性,它也叫做電磁鐵(electromagnet)。我們通常把它製成條形或蹄形狀,以使鐵芯更加容易磁化。另外,為了使電磁鐵斷電立即消磁,我們往往採用消磁較快的的軟鐵或硅鋼材料來製做。這樣的電磁鐵在通電時有磁性,斷電后磁就隨之消失。電磁鐵在我們的日常生活中有著極其廣泛的應用,由於它的發明也使發電機的功率得到了很大的提高。

1 概述

當在通電螺線管內部插入鐵芯后,鐵芯被通電螺線管的磁場磁化。磁化后的鐵芯也變成了一個磁體,這樣由
電磁鐵

  電磁鐵

於兩個磁場互相疊加,從而使螺線管的磁性大大增強。為了使電磁鐵的磁性更強,通常將鐵芯製成蹄形。但要注意蹄形鐵芯上線圈的繞向相反,一邊順時針,另一邊必須逆時針。如果繞向相同,兩線圈對鐵芯的磁化作用將相互抵消,使鐵芯不顯磁性。另外,電磁鐵的鐵芯用軟鐵製做,而不能用鋼製做。否則鋼一旦被磁化后,將長期保持磁性而不能退磁,則其磁性的強弱就不能用電流的大小來控制,而失去電磁鐵應有的優點。
電磁鐵是可以通電流來產生磁力的器件,屬非永久磁鐵,可以很容易地將其磁性啟動或是消除。例如:大型起重機利用電磁鐵將廢棄車輛抬起。
當電流通過導線時,會在導線的周圍產生磁場。應用這性質,將電流通過螺線管時,則會在螺線管之內製成均勻磁場。假設在螺線管的中心置入鐵磁性物質,則此鐵磁性物質會被磁化,而且會大大增強磁場。
一般而言,電磁鐵所產生的磁場與電流大小、線圈圈數及中心的鐵磁體有關。在設計電磁鐵時,會注重線圈的分佈和鐵磁體的選擇,並利用電流大小來控制磁場。由於線圈的材料具有電阻,這限制了電磁鐵所能產生的磁場大小,但隨著超導體的發現與應用,將有機會超越現有的限制。

2 分類

一、 按電流分
1.交流電磁鐵
2.直流電磁鐵
二、按用途分
1.牽引電磁鐵
2.框架式電磁鐵
3.自保持電磁鐵
4.吸盤電磁鐵
5王八磁鐵

3 優點

電磁鐵有許多優點:電磁鐵的磁性有無可以用通、斷電流控制;磁性的大小可以用電流的強弱或線圈的匝數多少來控制;也可通過改變電阻控制電流大小來控制磁性大小;它的磁極可以由改變電流的方向來控制,等等。即:磁性的強弱可以改變、磁性的有無可以控制、磁極的方向可以改變,磁性可因電流的消失而消失。

4 應用

電磁鐵是電流磁效應(電生磁)的一個應用,與生活聯繫緊密,如電磁繼電器、電磁起重機、磁懸浮列車、電磁流量計等。
電磁鐵可以分為直流電磁鐵和交流電磁鐵兩大類型。如果按照用途來劃分電磁鐵,主要可分成以下五種:(1)牽引電磁鐵──主要用來牽引機械裝置、開啟或關閉各種閥門,以執行自動控制任務。(2)起重電磁鐵──用作起重裝置來吊運鋼錠、鋼材、鐵砂等鐵磁性材料。(3)制動電磁鐵──主要用於對電動機進行制動以達到準確停車的目的。(4)自動電器的電磁系統──如電磁繼電器和接觸器的電磁系統、自動開關的電磁脫扣器及操作電磁鐵等。(5)其他用途的電磁鐵──如磨床的電磁吸盤以及電磁振動器等。

5 歷史

早在1820年,丹麥的奧斯特就發現了這一原理。1822年,法國物理學家阿拉戈和呂薩克才發現,當電流通過其中有鐵塊的繞線時,它能使繞線中的鐵塊磁化。這實際上是電磁鐵原理的最初發現。1823年,斯特金也做了一次類似的實驗:他在一根並非是磁鐵棒的U型鐵棒上繞了18圈銅裸線,當銅線與伏打電池接通時,繞在U型鐵棒上的銅線圈即產生了密集的磁場,這樣就使U型鐵棒變成了一塊「電磁鐵」。這種電磁鐵上的磁能要比永磁能大放多倍,它能吸起比它重20倍的鐵塊,而當電源切斷後,U型鐵棒就什麼鐵塊也吸不住,重新成為一根普通的鐵棒。
斯特金的電磁鐵發明,使人們看到了把電能轉化為磁能的光明前景,這一發明很快在英國、美國以及西歐一些沿海國家傳播開來。
1829年,美國電學家亨利對斯特金電磁鐵裝置進行了一些革新,臨朐昌盛磁電絕緣導線代替裸銅導線,因此不必擔心被銅導線過分靠近而短路。由於導線有了絕緣層,就可以將它們一圈圈地緊緊地繞在一起,由於線圈越密集,產生的磁場就越強,這樣就大大提高了把電能轉化為磁能的能力。到了1831年,亨利試製出了一塊更新的電磁鐵,雖然它的體積並不大,但它能吸起1噸重的鐵塊。

6 方向判斷

電磁鐵的磁場方向可以用安培定則來判斷。
安培定則是表示電流和電流激發磁場的磁感線方向間關係的定則,也叫右手螺旋定則。
(1)通電直導線中的安培定則(安培定則一):用右手握住通電直導線,讓大拇指指向電流方向,四指指向通電直導線周圍磁力線方向。
(2)通電螺線管中的安培定則(安培定則二):用右手握住通電螺線管,使四指彎曲與電流方向一致,那麼大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。

7 性質

直線電流的安培定則對一小段直線電流也適用。環形電流可看成許多小段直線電流組成,對每一小段直線電流用直線電流的安培定則判定出環形電流中心軸線上磁感強度的方向。疊加起來就得到環形電流中心軸線上磁感線的方向。直線電流的安培定則是基本的,環形電流的安培定則可由直線電流的安培定則導出直線電流的安培定則對電荷作直線運動產生的磁場也適用,這時電流方向與正電荷運動方向相同,與負電荷運動方向相反。

8 歷史

在奧斯特電流磁效應實驗及其他一系列實驗的啟發下 ,安培認識到磁現象的本質是電流 ,把涉及電流 、磁體的各種相互作用歸結為電流之間的相互作用,提出了尋找電流元相互作用規律的基本問題。為了克服孤立電流元無法直接測量的困難 ,安培精心設計了4個示零實驗並伴以縝密的理論分析,得出了結果。但由於安培對電磁作用持超距作用觀念,曾在理論分析中強加了兩電流元之間作用力沿連線的假設,期望遵守牛頓第三定律,使結論有誤。上述公式是拋棄錯誤的作用力沿連線的假設,經修正後的結果。應按近距作用觀點理解為,電流元產生磁場,磁場對其中的另一電流元施以作用力。

9 意義

安培定律與庫侖定律相當,是磁作用的基本實驗定律 ,臨朐昌盛磁電它決定了磁場的性質,提供了計算電流相互作用的途徑。

10 安培力

電流元I1dι 對相距γ12的另一電流元I2dι 的作用力df12為:
μ0 I1I2dι2 × (dι1 × γ12)
df12 = ── ───────────
4π γ123
式中dι1.dι2的方向都是電流的方向;γ12是從I1dι 指向I2dι 的徑矢。安培定律可分為兩部分。其一是電流元Idι(即上述I1dι )在γ(即上述γ12)處產生的磁場為
μ0 Idι × γ
dB = ── ─────
4π γ3
這是畢薩拉定律。其二是電流元Idl(即上述I2dι2)在磁場B中受到的作用力df(即上述df12)為:
df = Idι × B

11 製作

簡易的自製電磁鐵:
1.需要漆包線、鐵釘來作其本體;電池或電源供應器供以電流。
2.注意事項:
要刮除漆包線末端的漆,或用火燒。
要以相同的方向纏繞漆包線。
要在漆包線的末端打結綁緊。

12 原理

1.圓形線圈通往電流形成的磁場
(1)線圈中心處的磁場方向可將線圈上某一小段導線視為直線,由安培右手定則判定之。
(2)通有電流的圓形線圈上每一小段電流所產生的磁場,在線圈內都指向同一方向,故線圈內的磁場較直導線電流產生的磁場強度大。
(3)圓形導線通入電流時,線圈外的磁場因各小段電流產生磁場的方向不一致, 因此產生的合成磁場較圈內磁場弱。
(4)圓形線圈的電流愈大,半徑愈小,則線圈中心處的磁場強度即愈大。
(5)圓形線圈和圓盤形薄磁鐵的磁力線形狀相似。
2.螺線形線圈電流的磁場
(1)用一條長導線繞成螺線形的長線圈,相當於由很多個圓形線圈所串聯而成,每一圓形導線在中心處所建立的磁場均為同向,可以增強效應,故線圈中心處的磁場較單匝圓形線圈為強。
(2)線圈內部磁力線形成方向相同的直線,在線圈約兩端磁力線則漸彎曲向外。
(3)螺線形線圈的磁力線特性與棒形磁鐵的磁力線相似,線圈內的磁力線與線圈外方向恰相反。
(4)線圈內磁場的強度與線圈上的電流及單位長度內線圈的圈數成正比。3.螺線形線圈電流內磁場方向的右手螺旋定則(安培定理):以右手掌握住線圈,四指指向電流方向,大拇指所指的方向即為線圈內磁力線方向。

13 應用

電磁鐵:利用電流的磁效應,使軟鐵具有磁性的裝置。
(1)將軟鐵棒插入一螺線形線圈內部,則當線圈通有電流時,線圈內部的磁場使軟鐵棒磁化成暫時磁鐵,但
電流切斷時,則線圈及軟鐵棒的磁性隨著消失。
(2)軟鐵棒磁化后所生成的磁場,加上原有線圈內的磁場,使得總磁場強度大為增強,故電磁鐵的磁力大於 天然磁鐵。
(3)螺線形線圈的電流愈大,線圈圈數愈多,電磁鐵的磁場愈強。
電磁鐵的應用:
(1)起重機:為工業用的強力電磁鐵,通上大電流,可用以吊運鋼板、貨櫃、廢鐵等。
(2)電話:下一節介紹。
(3)安培計、伏特計、檢流計
(4)電鈴等等。
(5)自動化控制設備
(6)工業自動化控制、辦公自動化。
(7)包裝機械、醫療器械、食品機械、紡織機械等。
(8)電磁繼電器
(9)磁懸浮列車

14 失磁原因

發電機長時間不用,導致出廠前含在鐵芯中的剩磁失去,勵磁線圈建立不起應有的磁場,這時發動機運轉正常但發不出電,此類現象新機。或長期不用的機組較多。
處理方法:1)有勵磁按鈕的按一下勵磁按鈕,2)無勵磁按鈕的,用電瓶對其充磁,3)帶一個燈泡負荷,超速運轉幾秒鐘。

15 失磁危害

發電機失磁故障是指發電機的勵磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因有:轉子繞組故障、勵磁機故障、自動滅磁開關誤跳、半導體勵磁系統中某些元件損壞或迴路發生故障以及誤操作等。
由於非同步運行,發電機的轉子機械轉速大於同步轉速,由於出現轉差,定子繞組電流增大,轉子繞組產生感應電流,引起定、轉子繞組的附加發熱。分析表明,發電機失磁后對電力系統及發電機本身都會造成程度不同的危害,歸納起來有以下幾方面。
對發電機本身的危害:
(1)發電機失磁后,定子端部漏磁增強,使端部的部件和端部鐵芯過熱。
(2)非同步運行后,發電機的等效電抗降低,由 變為 。因而從系統中吸收的無功增加,使定子繞組過熱。
(3)發電機轉子繞組出現的差頻電流在轉子繞組中產生額外損耗,引起轉子繞組發熱。
(4)對大型直接冷卻式汽輪發電機,平均非同步轉矩的最大值較小,慣性常數也相對降低,轉子在縱橫軸方面明顯不對稱。由於這些原因,在重負荷下失磁發電機的轉矩和有功將發生劇烈擺動。這種影響對水輪發電機更為嚴重。
對電力系統的危害:
(1)發電機失磁后,由於有功功率擺動及系統電壓的降低,可能導致相鄰正常運行的發電機與系統之間失去同步,引起系統振蕩。
(2)發電機失磁造成系統中大量無功缺少,當系統中無功儲備不足,將引起電壓下降。嚴重時引起電壓崩潰,系統瓦解。
(3)一台發電機失磁造成電壓下降,系統中的其他發電機在自動調節勵磁裝置作用下,將增加其無功輸出。從而使某些發電機、變壓器、輸電線路過電流,後備保護可能因過流動作,擴大了故障範圍

16 磁能來源

低軸阻發電機在原理設計上雖然只能將50﹪左右的負轉矩磁能轉化為正轉矩磁能,但是所產生的正轉矩也足以去抵消負轉矩了(因為實際上是不可能將負轉矩磁能全部轉化為正轉矩磁能的)。
通過對常規發電機的構造及工作原理進一步研究分析后,我們最終找到了突破口,既是在常規發電原理構造的基礎上運用「能量緩存轉移法」來實現上述目的;也就是將部分固定方向的感應電流進行暫存處理后,再在滯后的時間內釋放,所釋放的能量不僅可以繼續輸出供給負載,而且在電樞續流繞組中所產生的附加磁能還可以對轉子做正功(產生正轉矩)。這就是低軸阻發電機正轉矩磁能的來源。

17 與永久磁鐵對比

永久磁鐵和電磁鐵均能製造得產生不同形式的磁場。在選擇磁路時,首先考慮的是你需要磁鐵做的工作。在用電不方便、經常發生斷電或沒有必要調整磁力的場合下,永久磁鐵佔優勢。對於要求改變磁力或需要遙控的用途來說,電磁鐵是有益的。磁鐵只能以最初的預定方式加以使用,倘若把錯誤類型的磁鐵應用到某個特殊用途,可能極其危險甚至是致命的。
許多加工操作在厚重的塊形材料上進行,這些用途需要永久磁鐵。許多機械工廠的用戶認為,這些磁鐵的最大優點是不需要電氣連接。
永久磁鐵以330~10,000磅升舉能力為特色,而且只須旋轉一個手柄就能接通或斷開磁路。磁鐵一般裝有安全鎖,確保磁鐵不會在提升時意外斷開。磁鐵組可以用於比較重、而且單個磁鐵應付不了的長載荷。
還有,在很多時候準備加工的零件非常細(0.25英寸或更細),而且要從一堆相似的零件中提取出來。永久磁鐵不適合於每次從一堆零件中只提一件的工作。永久磁鐵儘管在正確使用的情況下極其可靠,但是不能改變磁力大小。在這個方面,電磁鐵通過可變電壓控制裝置使操作者能夠控制磁場強度,並且能夠從堆碼的零件中選出一件。自含式電磁鐵是按單位升舉能力最划算的磁鐵,其升舉能力可以延伸到10,500磅。
由蓄電池供電的磁鐵是有用的,它們採用自含式膠體蓄電池增大升舉能力,而且可以處理扁形、圓形和構件形狀的產品。由蓄電池供電的磁鐵能重複完成提升的動作,在沒有外接電源的情況下提供相當大的升舉能力。
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