高中電工機械_概論_基礎電磁理論(一)_黃文林

各位同學大家好,我是黃文玲老師,是各位同學在電工機械概論這門課的授課老師。 接下來我們要討論到基礎電磁學的理論,西元1819年被譽為電磁學之父的丹麥物理學家奧斯特 做實驗發現,當電流通過導體時,可以使周圍的磁針受到感應而偏轉, 這種通電後產生磁力的效應,我們稱之為電生磁效應,也簡稱電磁效應, 它提供了後來發明電動機的理論基礎,西元1831年,也就是在奧斯特發現電生磁的12年後, 被譽為電學之父的英國科學家法拉利,經由實驗發現導體在磁場中,作用可以產生電流, 這種由磁場變化進而感應電勢的,我們稱之為磁升電,也簡稱為電磁感應, 此發現提供了後來發明發電機的理論基礎,綜合兩位電學大師的研究得知, 電和磁之間有著共生的密切關係,本節我們將延伸高一基本電學第六章有關電磁學的內容, 作為進入電工機械課程的基礎理論之四。 如圖所示,為一根棒狀磁鐵,這種具有磁性的物體,我們稱它為磁體, 因為磁性而產生的具體力量,我們稱為磁力,磁鐵兩端磁力特別強的部位,我們稱之為磁極, 磁體呢,一般具備的特性如圖所示,第一個,它具有吸引鐵氣等磁性體的作用, 第二個,棒狀磁鐵吊掛後,必定指向地球的南北方,接著,第三個, 同極呢,相似,異性,相吸,第四個,每塊磁鐵都有N極和S極,兩者成對且同時存在。 法拉第除了發現電動機和發電機的原理外,他也曾將磁鐵放在紙的下面, 上面撒上鐵屑後,結果如圖所示,鐵屑形成一個以磁鐵為中軸的橢圓形,法拉第將其稱為力線。 由於肉眼我們看不到力線,所以當我們為了正確畫出其方向,我們如圖所示, 我們會利用小型指南針放在磁鐵的外面,將指南,指針在不同位置時的偏轉角度描繪後, 就稱為磁力線,磁力線所能作用到的空間區域,我們稱之為磁場,將物體放入磁場後,產生磁性的現象, 則稱為磁化。外部的磁力線回到磁鐵S極後,內部由S極往N極的磁力線,我們稱之為磁化線。 磁化線的多寡,代表該物質被磁化的難易程度。外部的磁力線與內部的磁化線, 所經的路徑,我們稱之為磁路。由圖中,我們可以整理出磁力線的幾個特性。 第一個,N極出發的磁力線在離開N極或者是進入S極的時候,必定垂直其極面。 第二個,N極出發的磁力線數與進入S極的磁力線數必定相等。 第三個,磁力線的切線方向就是磁場的方向。最後,磁力線彼此會互相排斥, 但也不會交叉。磁力線密集的地方,磁場強度較大,密稀疏的地方,強度較小。 接著我們要討論磁通量與磁通密度。磁通量代表磁場中的磁力線總數, 為了紀念德國物理學家韋伯與英國學者Maxwell對於電磁學的貢獻, 因此國際單位SI磁通量的單位以韋伯命名,而磁通量一韋伯等於10的八次方Maxwell。 磁通密度B代表垂直貫穿一個單位面積的磁通量,即B等於φ除以a。 其中B為磁通密度,單位為米平方分之韋伯,φ為磁通量,單位為韋伯,而a為面積,單位為平方公尺。 為了紀念美籍塞爾維亞工程師特斯拉以及德國著名數學家高斯的貢獻, 國際單位制SI將磁通密度的單位米平方分之韋伯稱之為特斯拉, 而平方公分分之Maxwell稱為高斯,因此由最下方的式子我們可以推導出 米平方韋伯會等於一特斯拉,那藉由單位的轉換,我們可以得到他等於10的四次方高斯。 接著我們來做一題立題,請同學在這個地方先暫停播放, 那可以自己試著算算看,那算完之後再繼續播放,跟老師的答案相對。 立題的部分如前面所述的棒狀磁鐵,倘若他的截面積是20公分乘10公分, 通過的磁通量為6乘以10的五次方Maxwell,試求第一個磁通密度為多少高斯, 第二相當於多少特斯拉,好,我們在解答的部分呢,第一個CGS字的時候, 我們的磁通量由題目得知是6乘以10的五次方Maxwell,截面積是20乘以20公分, 也就是200平方公分,所以我們的磁通密度呢,就會是6乘以10的五次方除以200, 也就是3乘以10的三次方高斯,那SI字呢,它的磁通量是6乘以10的五次方Maxwell, 所以我們要乘以10的負8才把它轉換成微薄,那就會等於6乘以10的負3微薄, 截面積呢,公分要換成公尺,所以分別是0.2公尺乘上0.1公尺,也就是0.02米平方, 所以在SI字的磁通密度呢,就會是6乘以10的負3次方除以0.02等於0.3特斯拉。 好,我們從圖上可以看到,對於任何形式的電工機械而言,磁場都扮演著關鍵的角色, 目前磁場的來源,我們主要可以分成永久磁場及電磁場,如圖所示, 能夠長期保持其磁力與極性不變,永久磁鐵我們可以分為天然產物, 也就是磁鐵礦,與人工製造,比如說氧化鐵,或者是高磁力的稀土類等等。 西元1820年,丹麥物理學家奧斯特首先發現電流通過導體時會產生磁場, 造成寧靜的磁針改變方向。西元1825年,英國人斯特金將通有電流的金屬線纏繞在絕緣的棒上產生磁力, 發明瞭電磁鐵。美國物理學家亨利進一步在軟鐵芯上纏繞密集的線圈, 製作出強而有力的實用電磁鐵,也因此電感量的單位以亨利命名。 如圖所示,為目前常用的電磁鐵形態,將導線以螺旋狀的方式纏繞在磁性物體上。 當導線通電後,電流通過導線產生磁場,造成磁性物質會被磁化而產生磁力,電流停止後,磁力也就隨之而消失。 如圖所示,永久磁鐵與電磁鐵皆有NS兩個磁極,永久磁鐵雖然構造簡單, 但是磁力無法控制,多用於小型電機,電磁鐵雖然構造複雜許多, 但是可以控制電流大小與方向來改變磁力與極性,普遍用於各式的電機。 接著我們要討論電磁鐵相關的基本觀念,第一個要討論的是磁動式。 如圖所示,我們在圓形鐵芯上繞有N閘線圈後,加入電流I, 此時線圈所能產生磁通量的能力,我們稱之為磁動式,由公式可以得到F等於N乘以I。 式子中的F代表磁動式,單位為安閘AT,N為線圈閘數,單位為閘數Turns,也就是T, 為線圈中的電流,單位為安培。磁動式在磁路中就類似電路中的電動式, 既然有磁動式,就會有磁阻,接著我們來複習基本電學中磁阻的定義。 不同的物質對於磁場的阻力,我們稱之為磁阻,磁阻的大小除了與本身材料有關之外, 也受到磁路的長度以及截面積的影響。以圖中螺線管為例,其磁阻為Rdμa分之L, 其中R代表磁阻,單位為微薄分之安閘,L代表磁路的長度,單位為公磁, μ為物質的導磁係數,單位為牛頓米平方分之微薄平方。 磁路中的磁通量φ與磁動式F乘正比,與磁路的磁阻R乘反比, 固磁通量,我們知道φ會等於R分之F。磁通量的公式與歐姆定律I等於V除以R觀念相同, 因此這個公式也被比喻為磁路的歐姆定律。相同的磁動式與不同的磁路長度所能產生的效果不同, 因此將單位長度的磁動式稱為磁場強度或磁化力, 也就是我們公式中H等於L分之F或等於L分之NI。 式中的H為磁場強度,也就是我們所謂的磁化力,單位為公磁分之安雜。 磁阻是物質阻止產生磁通的一種特性,為了評估磁力線通過不同材料的難易程度, 會以導磁係數μ來表示,式子中μ等於μ0乘上μr,式子中的μ0為真空或者是空氣中的導磁係數, 其值為4π乘以10的負氣次方,而μr為相對導磁係數,空氣中的μr等於1。 一般我們外殼用的一般鋼材約為2000到6000,矽鋼片約為2000到8萬。 如圖所示,無論是永久磁鐵或者是電磁鐵,當溫度增加時,物質的相對導磁係數都會下降, 而溫度上升到某一個數值時,相對導磁係數會降到接近於1,此溫度我們稱之為居裡溫度。 因此電機在運轉中必須注意溫升與散熱,以免導磁係數下降,影響機器性能。 接著我們來算一題立體,一樣請同學先在此暫停,把題目試著自己練習看看, 練習完之後呢,我們再來對答案。好,相信同學已經做完了,如下圖所示的磁路, 我們知道它的線圈閘數為1000閘,鐵心導磁係數μ等於10的負氏次方, 減面積為0.2米平方,鐵心平均長度為10公分,外加電流為10安培時,要求它的第一個磁動式, 第二個鐵心磁阻,三磁通量,四磁動密度,五磁場強度。 第一個磁動式我們在前面知道,磁動式等於閘數乘以電流,也就是1000閘乘上10安培, 所以會等於10的四次方安閘。第二個鐵心磁阻,我們知道磁阻等於μa分之L, 所以μ呢,題目有給是10的負氏次方,乘上減面積是0.2米平方,分值0.1公尺, 因為鐵心平均長度單位是公分,所以10公分要換成0.1公尺,我們運算完得到的結果是5乘以10的三次方, 微薄分之安閘。接著,磁通量的部分,我們知道由公式為φ等於f除以r, 我們可以知道磁動式我們剛纔在前面已經算出來是10的四次方, 磁阻是5乘以10的三次方,所以相除的結果是兩微薄。 而磁通密度的部分,我們知道b等於a分之φ,那減面積是0.2米平方, φ是兩微薄,所以算完的結果是10米平方分之微薄。磁場強度的部分是h會等於l分之f, l磁路長度我們知道是0.1公尺,磁動式是10的四次方,所以相除的結果是10的五次方米分之安閘。 為了了解材料在磁化過程中的磁場強度,也就是磁化力h, 與磁通密度的關係,磁通密度也就是b,會進行如圖所示的特性實驗。 當線圈尚未通電的時候,鐵心內並沒有磁通,磁通密度b等於0,就如圖中的O點所示。 當我們線圈的電流開始增加,磁化力h會增強,造成鐵心被磁化,磁通量增加, 使得磁通密度b上升,即變化如圖中的Oa線段所示。 當電流持續上升,當磁化力慢慢增強到鐵心內的磁通無法增加時, 我們稱之為磁飽和,此位置稱為最大磁通飽和密度,我們用bm來表示如圖中的A點。 接著我們再把線圈的電流降低,磁化力逐漸降低到0,取下電磁後, 鐵心內仍有磁場存在,這個現象我們稱之為滲磁,我們用正br來表示, 或者是殘留磁性,如圖中b點所示。 如果說我們將電磁反接,電流為相反方向,會使滲磁消失, 我們所需要的磁化力我們稱為角丸磁力,接著繼續將反向電流加大, 磁通方向改變,那磁通密度逐漸上升至負向的飽和點C,也就是圖中的C。 接著呢,電流再逐漸減少,到磁化力為0,也就是我們再次把電磁取下, 鐵心內的滲磁方向相反,以負br來表示,也就是圖中的D點。 磁化過程中,磁通密度b的變化,叫磁化力h慢的現象,我們稱之為磁滯。 那磁滯現象呢,所構成的回線,我們稱為磁滯回線,而磁滯回線的面積代表鐵心在磁化過程中 每一次循環所消耗的能量,稱之為磁滯損失,為了避免鐵心飽和損失及熱影響電機特性, 因此開發出低磁阻及高飽和磁通密度的材料,成為各廠商的重要研究方向。 哈囉,各位同學,看完本段影片後,你記得了多少呢?一樣,讓我來考考各位, 請問永磁,永久磁鐵跟電磁鐵差別在哪裡呢?如果想不起來,您可能要再往前複習一次哦。