电子技术基础知识和基本概念
2019/10/20 00:50:21
电和磁是不可分割的统一体，有电就有磁，有磁就有电。无线电中经常用到电磁学中的概念，还有许多电与磁的换能器件。
磁场与磁力线1.磁性、磁体、磁极、磁力
(1)磁性。能够吸引铁等物质的性质称为磁性。
(2)磁体。具有磁性的物体叫磁体，最常见的扬声器其背面的磁钢就是磁体。
(3)磁极。磁铁两端磁性最强的区域称为磁极。一个磁铁有两个磁极：一个是南极，用S表示;另一个是北极，用N表示。当一块磁铁分割成几块后，每一小块磁铁上都有一个S极和一个N极，如图1-4所示，也就是说S、N极总是成对出现的。
(4)磁力。磁极间有相互作用力，这种力称为磁力。同极性间相斥，异极性之间相吸。
图1-4 磁极示意图
2.磁场和磁力线
(1)磁场。磁场和电场一样是一种特殊的物质，它看不见也摸不着，但的确存在。磁体周围存在的磁力作用的空间称为磁场，互不接触的两个磁体之间相互作用的力是由磁场传递的。
(2)磁力线。图1-5所示是磁力线示意图。磁力线有时还称为磁感线或磁通线。磁力线是闭合的。
图1-5 磁力线示意图
重要提示
磁力线有方向，规定在磁体的外部，磁力线由N极指向S极，在磁体内部则是由S极指向N极，如图1-5中所示。
磁力线的方向可以用来表示磁场方向。
在磁极附近磁力线最密，表示磁场最强;在磁体中间磁力线最稀，表示磁场最弱。用磁力线的多少来表征磁场的强弱。
3.电流磁场
电流周围存在磁场。磁场总是伴随着电流而存在，电流永远被磁场所包围。
(1)直导线电流磁场。如图1-6所示，一根直的导线，当导线中流有电流时，在导线的周围存在磁场，判断这一磁场方向用右手螺旋定则，具体方法是：让右手握住直的导线，并将大拇指指向电流流动的方向，四指所指的方向就是磁场方向。
图1-6 示意图
(2)环形电流磁场。如图1-7所示，将导线绕成环形(称为螺线管或线圈)，并给线圈通电，此时的磁场方向也是用右手螺旋定则来判断，具体方法是：右手握住螺线管，让四指指向线圈中的电流流动方向，大拇指所指方向为磁场方向。
图1-7 示意图
磁通、磁感应强度、磁导率和磁场强度
1.磁通
磁通是磁通量的简称。通过与磁场方向垂直的某一面积上的磁力线总数，称为磁通。磁通用Φ表示。当面积一定时，垂直通过该面积的磁力线愈多，说明磁场愈强，反之则弱。
2.磁感应强度
垂直通过单位面积上的磁力线数，称为磁感应强度，可见磁感应强度能够表示磁场的强弱。磁感应强度用B表示。
关于磁感应强度还要说明几点。
(1)磁感应强度也称为磁通密度。
(2)磁感应强度是一个矢量，它不仅表示了磁场中某点的磁场大小，也表示了该点的磁场方向。磁力线上某点的切线方向就是该点的磁感应强度方向。
(3)磁场中各点的磁感应强度大小和方向相同时，这种磁场称为均匀磁场。
3.磁导率
为了表征物质的导磁性能，引入磁导率这个物理量，磁导率用μ表示。
由实验测得真空中的磁导率(用μ0表示)为一个常数。
为了比较物质的导磁性能，将任一物质的磁导率与真空中磁导率的比值作为相对磁导率，用μr表示。
根据物质的磁导率不同，可将物质划分成下列三类。
(1) μ r <1的物质叫反磁物质，如铜。
(2) μ r >1的物质叫顺磁物质，如锡。
(3) μ r >>1的物质叫铁磁物质，如铁、钴。
4.磁场强度
磁场强度的定义是：磁场中某点磁感应强度与媒介质的磁导率的比值，叫该点的磁场强度。磁场强度用H表示。
磁场强度也是一个矢量，在均匀磁场中它的方向同磁感应强度的方向相同。
磁化、磁性材料和磁路1.磁化
凡是原来没有磁性的物质使之具有磁性的过程称为磁化。凡是铁磁物质都能被磁化。
2.磁性材料
磁性材料(又称铁磁材料)通常可以划分成三类。
(1)软磁材料。这种铁磁材料在磁化后，保留磁性的能力很差。
(2)硬磁材料。这种铁磁材料在磁化后，保留磁性的能力很强。
(3)矩磁材料。这种铁磁材料只要有很小的磁场就能磁化，且一经磁化就达到饱和状态。
3.磁路
磁通(或磁力线)集中通过的路径称为磁路，相当于电路的概念。图1-8所示是磁路示意图。
图1-8 磁路示意图
关于磁路说明几点如下。
(1)为了获得较强的磁场，需要将磁通集中在磁路中。形成磁路的最好方法是用铁磁材料做成磁芯，将线圈绕在磁芯上。
(2)由于铁磁材料制成的磁芯其磁导率μ远大于空气的磁导率，所以磁通主要是沿磁芯闭合，只有很少部分通过空气或其他材料。
(3)通过磁芯的磁通称为主磁通，磁芯外的磁通称为漏磁通，漏磁通愈小愈好。
(4)磁路按其结构不同分为无分支磁路和分支磁路两种，其中分支磁路又分成不对称分支磁路和对称分支磁路两种，这相当于电路中的并联电路。
(5)磁路不同于电路，电路可以有开路状态，可磁路没有开路状态，因为磁力线是不可能中断的闭合曲线。
电磁感应和电磁感应定律1.电磁感应
前面讲到电能够产生磁，电磁感应定律说明了磁也能够产生电。
图1-9所示是电磁感应现象示意图。当磁铁从上端向下插入时，会在线圈两端得到一个感应电动势，其极性为上正下负。如果磁铁在线圈中静止不动，则没有这一电动势。当磁铁从下向上插入时，感应电动势的方向为下正上负。
关于电磁感应主要说明以下几点。
(1)感应电动势又称感生电动势、感应电势、感生电势。
图1-9 电磁感应现象示意图
(2)产生电磁感应的条件是线圈中的磁通必须改变。当磁铁从上或从下插入线圈时都有感应电动势产生，这是因为磁铁运动引起了线圈中的磁通发生了改变。当磁铁在线圈中不运动时，没有感应电动势产生，因为磁铁不运动，线圈中的磁通没有改变。
(3)当线圈闭合时，由感应电动势产生的电流称为感应电流或感生电流。
2.电磁感应定律
感应电动势的大小与穿过线圈的磁通的变化率成正比，这被称为法拉第电磁感应定律。
当磁铁插入线圈中的速度愈快，磁通变化率愈高，感应电动势愈大，反之则愈小。
这一定律只能说明感应电动势的大小，不能说明感应电动势的方向。
自感、互感和同名端1.自感
由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应叫自感应，简称自感。
图1-10所示电路可以说明自感现象。电路中的E是电源，H是白炽灯，L1是线圈(线圈的电阻很小，远小于白炽灯的电阻)，S1是开关。
图1-10 自感现象示意图
当开关S1刚接通时，由于L1的电阻远小于白炽灯的电阻，所以电流只流过L1所在支路，没有电流流过白炽灯，这样白炽灯不亮。但是，当开关S1突然断开时，白炽灯却突然很亮后熄灭，这一现象称为自感现象。
重要提示
这一现象是因为开关断开时，L1中的磁通突然从有突变到零，这时L1两端要产生感应电动势，这一感应电动势加在白炽灯的两端，使白炽灯突然很亮。
关于自感说明以下几点。
(1)由自感产生的电动势称为自感电动势，简称自感电势。
(2)自感电动势与线圈本身的电感量成正比关系。线圈电感量是线圈的固有参数，电感量用L表示，L与线圈匝数和结构等情况有关。
(3)自感电动势还与线圈中电流的变化率成正比关系，当L一定时，电流变化愈快，自感电动势愈大，反之则小。
(4)对某一个具体线圈而言，L的大小反映了线圈产生自感电动势的能力。
重要提示
自感系数定义是，当一个线圈流过变化的电流时，电流产生的磁场使每匝线圈具有的磁通叫自感磁通，整个线圈具有的磁通称为自感磁链，将线圈中通过单位电流所产生的自感磁链称为自感系数。
2.互感
图1-11所示是互感现象示意图。图中有线圈L1和线圈L2，其中在线圈L1回路中接入电池和开关S1，在线圈L2回路中接入检流计。
图1-11 互感现象示意图
当开关接通后，检流计指针偏转一下后又归零，检流计的指针偏转说明有电流流过了线圈L2。
开关S1接通后，线圈L1中的电流从无到有，在线圈L1中产生了变化的磁通，这一变化的磁通穿过了线圈L2。
由于线圈L2中存在变化的磁通，所以在线圈L2两端要产生感应电动势，便有感应电流。当开关接通一段时间后，由于是直流电源，线圈L1中的电流大小不变，其磁通也不再变化，线圈L2中没有变化的磁通就不能产生感应电动势，所以检流计的指针不再偏转。一个线圈中的电流变化，引起另一个线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象，简称互感。
关于互感说明以下几点。
(1)互感现象说明线圈L1和线圈L2之间存在磁耦合，又称为互感耦合。
(2)为了定量表征互感耦合情况，引入了互感系数这个量，互感系数用M表示。它的大小等于一个线圈中通过单位电流时，在另一个线圈中产生的互感磁链。互感M表征了磁交链的能力。
(3)线圈间具有的互感系数M是互感线圈的固有参数，它的大小与两个线圈的匝数、相互间位置、几何尺寸等因素有关。
(4)由互感所产生的电动势称为互感电动势，简称互感电势。当两个线圈确定后，一个线圈上互感电动势的大小正比于另一个线圈中的电流变化率。
(5)互感电动势不仅有大小还有方向，这一电动势的方向可以用同名端方法来确定。
3.互感线圈同名端
图1-12所示是同名端示意图，将线圈绕向一致而感应电动势极性一致的端点称之为同名端。如图1-12(a)所示中，线圈L1和线圈L2同绕在一个铁芯上，从图中可以看出，1端和4端是两线圈的头，且两线圈的绕向相同，所以是同名端，电动势的极性一致。2、3端也是同名端，1、2端之间极性相反，称为异名端。
图1-12 同名端示意图
同名端常用黑点表示。如图1-12(a)中所示，标有黑点的端是同名端，在电路图中的表示方式如图1-12(b)所示。
屏蔽1.屏蔽
给变压器的一次绕组通入交流电后，在绕组周围产生了磁场，尽管有铁芯给绝大部分磁力线构成了磁路，但是仍有一小部分磁力线散布在变压器附近的一定空间范围内。
如果变压器散发的这些残余磁力线穿过变压器附近的其他线圈(或电路)，在其他线圈中也要产生感生电动势，这便是磁干扰，是不允许的。为此，要给变压器加上屏蔽壳，使变压器中的磁场不向外辐射。
2.低频屏蔽
变压器的屏蔽壳不仅可以防止变压器干扰其他电路的正常工作，同时也可以防止其他散射磁场对变压器正常工作的干扰。
在低频变压器中，采用铁磁材料制成一个屏蔽盒(如铁皮盒)，将变压器包起来。由于铁磁材料的磁导率高，磁阻小，所以变压器产生的磁力线由屏蔽壳构成回路，防止了磁力线穿出屏蔽壳，使壳外的磁场大大减小。
同理，外界的杂散磁力线也被屏蔽壳所阻挡，不能穿到壳内来。
3.高频屏蔽
在高频变压器中，由于铁磁材料的磁介质损耗大，所以不用铁磁材料作为屏蔽壳，而是采用电阻很小的铝、铜材料制成。
当高频磁力线穿过屏蔽壳时，产生了感生电动势，此电动势又被屏蔽壳所短路(屏蔽壳电阻很小)，产生涡流，此涡流又产生反向磁力线去抵消穿过屏蔽壳的磁力线，使屏蔽壳外的磁场大大减小，达到屏蔽的目的。