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电感基础——为什么把“线”绕成“圈”就是电感?什么是电感?
发布日期:2020-10-08

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一、     两个现象和一个定律——电生磁、磁生电和楞次定律

电生磁现象

高中物理有过实验:在通电导体旁放置小磁针,小磁针的指向发生偏转,这说明电流周围存在磁场。这个现象是1820年,由丹麦物理学家奥斯特(Oested)发现的。

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1-通电

如果我们把导体绕成圈,没权导体产生的磁场得以重合,磁场整体就会变强,可以吸引其小物体。图中,线圈通电电流2-3A,注意漆包线有额定电流限制,否则高温导致融化;

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(动)磁生电现象

1831年,英国科学家法拉第发现:闭合电路的一部分导体做成切割磁场运动时,在导体上就会产生电流。前提条件是电路、磁场是在相对变化的环境中,所以称为“动“磁生电,产生的电流叫做感应电流。

我们可以哪一个马达做一个实验,一般普通的直流有刷马达,钉子部分是永磁体,转子部分是线圈导体。手动旋转转子,意味着导体在做切割磁感线的运动,用示波器链接马达的两个电极,可以测量到电压变化。发电机便是依据此原理制成的。

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3-手动旋转马达转子,在示波器上可以看到电压

楞次定律

楞次定律:因磁通量的改变而产生的感应电流,其电流方向为对抗磁通量改变的方向。

楞次定律还可以表述为:感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。

对这句话的简单理解就是:当导体所处环境磁场(外部磁场)变强的时候,他的感应电流产生的磁场与外部磁场效果相反,使得整体来看总磁场比外部磁场更弱。当导体所处环境的磁场(外部磁场)变弱时,它的感应电流产生的磁场与外部磁场效果相反,使得整体来看总磁场比外部磁场更强。

通过楞次定律,可以判断电路上感应电流的方向。

二、     螺旋管线圈——解释电感的工作方式

有了以上两个现象和一个定律的知识储备,我们来看电感时怎么工作的。

最简单的电感就是螺旋管线圈:

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4-螺旋管线圈电感(Solenoid

 

在通电过程中的情况

我们就去螺旋管其中的一小段,可以看到两个线圈,线圈A和悬泉B


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5-螺旋管的小段-线圈A和线圈B

 

在通电过程中,情况如下:

1.      线圈A上通过电流,假设其方向如蓝色实现所示,称为外部激励电流;

2.      根据电生磁原理,外部激励电流产生磁场,磁场开始在周围空间蔓延,并覆盖至线圈B,相当于线圈B在切割磁力线,如蓝色虚线所示;

3.      根据磁生电原理、线圈B上产生感应电流,其方向如绿色实线所示,方向与外部激励电流相反;

4.      根据楞次定律,感应电流产生的磁场,是为了对抗外部激励电流的磁场,guru绿色虚线所示;

在通电稳定后的情况(直流)

在通电稳定后,线圈A的外部机理电流恒定,其产生的磁场也恒定,该磁场与线圈B没有相对运动,故没有磁生电,没有绿色实现所代表的电流。这个时候,电感对于外部激励来说,相当于是短路的。

 

三、     电感的特性——电流不能突变

在理解电工那的工作方式之后,我们再来看看电感最重要的特性——电杆上的电流不能突变。

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6-电感上的电流变化

 

图中,右侧曲线横坐标时时间,纵坐标时电感上的电流大小。以开关(Swich)闭合的瞬间,作为时间原点。

可以看到:

1.      在开关闭合的瞬间,电感上的电流为0A,相当于电感开路,这是因为瞬间的电流急剧变化,会产生巨大的感应电流(绿色)来抵抗外部激励电流(蓝色);

2.      在达到稳态的过程中,电感上的电流大小按指数规律变化;

3.      到达稳态后,电杆上的电流为I=E/R,相当于电感短路;

4.      与感应电流相呼应的是感应电动势,它的作用是对抗E,所以称为Back EMF(反向电动势);

 

四、     到底什么是电感?

电感式用于描述器件对抗电流变化的能力,如果对抗电流变化的能力越强、那么电感的感性越大,反之越小,也称之为感抗。

对于直流激励来水,最终电感呈现为短路状态(电压为0)。但在通电的过程中,电压和电流部位0,意味着有功率,累计这些能量的过程就是充电,它以磁场的方式储存起来这些能量(在想要的时候释放能量(如外部激励不能维持稳态情况下的电流大小。

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7-电感上的能量

 

电感是电磁领域的惯性器件,惯性器件都不喜欢变化,跟动力学里的飞轮,刚开始很难转动运行起来,一旦运转起来却又很难停下来,运行期间都伴随着能量转换。