电路元器件之电感器

电感器的组成

电感器本质上就是一个绕组,绕组是指具有规定功能的一组线圈。

电感器工作原理

而电感中流过交变电流,产生的磁场就是交变磁场,变化的磁场产生电场,线圈上就有感应电动势,产生感应电流。

根据法拉第电磁感应定律—磁生电来分析,变化的磁力线在线圈两端会产生感应电势,此感应电势相当于一个“新电源”。

电流的变化分为两种情况:

  • 电流变大时:磁场变强,磁场变化的方向与原磁场方向相同。根据左手定则,产生的感应电流与原电流方向相反,电感电流减小;
  • 电流变小时:磁场变弱,磁场变化的方向与原磁场方向相反。根据左手定则,产生的感应电流与原电流方向相同,电感电流变大。

可以从中看出,无论电流是变大还是变小,感应电流都和电流的变化趋势相反,在抗拒电流的变化。

以上就是楞次定律,最终效果就是电感会阻碍流过的电流产生变化,就是电感对交变电流呈高阻抗。同样的电感,电流变化率越高,产生的感应电流越大,那么电感呈现的阻抗就越高;如果同样的电流变化率,不同的电感,如果产生的感应电流越大,那么电感呈现的阻抗就越高。

所以,电感的阻抗于两个因素有关:一是频率;二是电感的固有属性,也就电感的值,也称为电感。

电感

电感的值描述了一个电感器本身的感抗性质。描述的是通过一定交变电流的情况下,它对于电流的抵抗强度。

电感的单位为 亨利(H) ,符号为 L

电感是一个比值单位。他是通过电感的伏安特性计算得到。类似情况还有:电阻是通过电阻的伏安特性和欧姆定律得到。

韦安特性

电感周围会产生磁场,磁场强度的单位为 韦伯(Wb),符号为 Ψ,读作 普塞 ,他也叫 磁链 ,或者 磁通量

$Ψ = Li$

也就是说,电感固定的情况下,电流与磁通量成正比关系。

伏安特性

根据电磁感应定律和楞次定律,当电压、电流的方向如下图所示,并且电流与磁通的参考方向遵循右螺旋法则时,端口电压u和感应电动势e的关系如下:

$u=-e=\frac{dΨ}{dt}$ ,又因为 $Ψ = Li$ ,所以 $u=-e=\frac{dΨ}{dt}=L \frac{di}{dt}$

电感器的性质

  • 从上面的伏安特性公式中可以看出:同一个电感器两端的电压,取决于一定时间内,电流(i)的变化率。

  • 电流变化越快,电感两端的电压越大。即使此时此刻电流为0,电感两端也有可能有电压。

    因为在电流变化到0的前一个瞬间,变化率仍然存在,电感器产生的电磁场也还存在,会在电感两端产生电势差。

  • 当电感电流为恒定直流的时候,电感两端电压为0。此时电感视为短路。

    因为恒定直流的时候,流过电感器的电流产生恒定不变的磁场。该磁场不变,根据楞次定律,将不会产生一个抵抗电流变化的电势差,而是产生一个恒定方向的磁场。根据这个原理,可以制造出电磁铁,电磁继电器。

  • 若任意时刻电感电压为有限值,电流 i 不能跃变。

    从数学角度上来理解上面的伏安特性公式,当 L 和 u 不变,那么当 dt 为一个常数时, di 也一定为另一个常数,表示 i 的变化是均匀连续的。

电感器的用途

电感器在通入直流电的时候相当于短路,因此无阻抗作用。但是其磁场强度强,可以做电磁铁。

电感器在通入交流电时将会抵抗部分电流变化,可以作为滤波器,过滤电路中的部分交流分量。

同名端

在对交变电流电路作分析的时候,两个电感器不同的绕向,产生的磁场方向可能会不一样,或者叠加增强,或者相互抵消。

当两个电感,电流同时从端子流入时,如果产生的磁通增强,则称流入端为同名端。

我们得知了同名端之后,不需要知道电感线圈的实际绕向,也能正确分析电路的伏安关系。

参考资料

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