電感線圈在工程技術(shù)上的應(yīng)用非常廣泛,如電機(jī)、電磁繼電器、接觸器、互感器等等,在我們?nèi)粘I罟ぷ髦须S處可見。
我們來看一下電感上的電壓和電流的關(guān)系公式:V=-L*di/dt
該公式反映了電感上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電壓大小和電流變化快慢有關(guān)。
在L恒定的情況下,電流變化越快,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電壓越高。特別是在電路開關(guān)斷開或閉合的時(shí)候,電流的瞬間變化,可以使得在電路開關(guān)的地方出現(xiàn)火花(把空氣擊穿才能產(chǎn)生火花,至少是上萬伏的電壓,瞬間電壓很高,持續(xù)時(shí)間短,但能量不一定大)。
電感線圈在電路圖中的理想模型為電感元件,如下圖1-1所示,圖形符號(hào)為四個(gè)弧形的串接,字母符號(hào)為“L”。所謂理想模型,是指忽略電感線圈的電阻,只計(jì)及電感參數(shù) L。實(shí)際上,字母“L”一方面表示電感元件,一方面又表示電感元件的參數(shù)值。
在實(shí)際應(yīng)用中,電感線圈一般繞制在鐵芯上,以增強(qiáng)其元件參數(shù)。這是因?yàn)殍F芯能被磁化,產(chǎn)生附加磁場(chǎng),使得線圈的磁性增強(qiáng)。想象一下,給一個(gè)沒有鐵芯的線圈通以一定電流,它產(chǎn)生磁場(chǎng)能夠吸引一定數(shù)量的鐵釘;然后給該線圈穿過一鐵芯,通以相同電流,顯然它能吸引的鐵釘就會(huì)變多。
通電線圈能夠產(chǎn)生磁場(chǎng),而磁場(chǎng)存在能量,換言之,通電線圈能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能量,并且這個(gè)磁場(chǎng)能量隨著電流的變化而變化。這表明,若電感線圈的電流不變,那么它所含有的磁場(chǎng)能量就能保持不變,這就是電感線圈的儲(chǔ)能特性,即電感線圈是儲(chǔ)能元件。
可能有的讀者不能理解為什么磁場(chǎng)存在能量,在這里我簡(jiǎn)單解釋一下。眾所周知,磁鐵之間有力的作用,它們同性相斥,異性相吸。拿一個(gè)條形磁鐵去靠近另一個(gè)條形磁鐵,就能把它吸起來或推走(其實(shí)是兩個(gè)磁場(chǎng)之間的作用),這個(gè)吸起來或推走的過程,就是磁場(chǎng)力的做功過程,而做功的過程又是能量的變化過程。綜上,磁場(chǎng)具有能量,可以對(duì)置于其中的磁鐵產(chǎn)生力的作用,從而對(duì)磁鐵做功。
上文提到,若電感線圈的電流不變,那么它所含有的磁場(chǎng)能量就能保持不變。這句話其實(shí)已經(jīng)回答了標(biāo)題所示的問題。用腳指頭想都知道,能量是不能突變的,若能量能夠突變,那么永動(dòng)機(jī)就不是夢(mèng),閃現(xiàn)技能在生活中也能實(shí)現(xiàn),不用時(shí)間也能吃飽飯……
既然能量不能突變,顯然,電感線圈所存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量也不能突變,而電感線圈所存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量變化是通過電流的變化來實(shí)現(xiàn)的,所以磁場(chǎng)能量不能突變就等同于電感電流不能突變。
雖然電感電流不能突變,但這不妨它可以變得很快呀。例如在一個(gè)串有電感線圈的回路中,突然斷開開關(guān),切斷回路,顯然回路斷開電流就為零,這個(gè)開關(guān)斷開的過程非常短,在這么短的時(shí)間內(nèi),電感的電流從有到無,就變化的很快。
另外,電感線圈的電壓正比于其電流的變化率,也就是說,只要電感電流變化得夠快,那么它兩端就會(huì)產(chǎn)生足夠高的電壓。所以在很短時(shí)間切斷含有電感的回路,很容易產(chǎn)生電弧。例如上一段話的例子中,在開關(guān)處會(huì)產(chǎn)生電弧,這是因?yàn)殡姼须娏髯兓^快,從而產(chǎn)生非常高的電壓,使得開關(guān)動(dòng)靜觸頭間的空氣被電離,產(chǎn)生電弧。
不過,電感電流快速變化會(huì)產(chǎn)生高電壓的現(xiàn)象有利有弊,例如鎮(zhèn)流器就是利用電感線圈電流的快速變化來產(chǎn)生高壓工作的。
由于電感電流不能突變,電感線圈還可以用來限制線路的短路電流,這就是串聯(lián)電抗器的應(yīng)用。在高壓線路中,一旦發(fā)生故障短路,其短路電流就會(huì)非常大。在線路出線端串接電抗器,當(dāng)線路發(fā)生短路,由于電感電流不能突變,此時(shí)線路的電流從工作電流上升到短路電流就需要一定時(shí)間,在這個(gè)電流升高的期間,繼電保護(hù)裝置就能及時(shí)切斷故障線路,從而保護(hù)設(shè)備與人身安全。
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電流不能突變,電壓可以突變。
可以理解一個(gè)隨頻率變化的電阻,電壓加上一瞬間,電阻非常大,但隨時(shí)間會(huì)變小。
XL=ωL/ω=2πFL 電流突變F趨近無限大,感抗趨近無限大,故不會(huì)有電流。
若人為強(qiáng)制電流突變,只能導(dǎo)致電感兩端電壓上升
假設(shè)一個(gè)電阻,隨頻變化,在加上電壓的一瞬間,電阻比較大,隨著時(shí)間的推移,逐漸變小。參照公式:XL=ωL/ω=2πFL 。電流突變時(shí),F(xiàn)趨近無限大,感抗趨近無限大,因此不會(huì)有電流。
電感是儲(chǔ)能元件,通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)電感線圈的物理性質(zhì)有兩點(diǎn):
(1)線圈的自感電勢(shì)與通過線圈的電流變化率成正比
(2)自感電勢(shì)總是阻礙電流的變化
以直流電壓為例:開關(guān)閉合的瞬間,電流的變化趨勢(shì)是增加,此時(shí)電流變化率最大(從無到有),線圈自感電勢(shì)最強(qiáng),并且阻礙電流增加,所以電流就無法突然增加,即電流不會(huì)突變;隨著通電時(shí)間的增加,通過線圈的電流轉(zhuǎn)化成磁能存儲(chǔ)起來,儲(chǔ)能飽和后,自感電勢(shì)下降為零,電流達(dá)到最大值:Im=U/Lr,Lr:線圈直流電阻。
結(jié)論:斷電瞬間的自感電勢(shì)遠(yuǎn)大于通電瞬間的自感電勢(shì),本質(zhì)是線圈充電期間電感儲(chǔ)能的集中釋放。電感電流不會(huì)突變是相對(duì)的。如果沒有自感電勢(shì),開關(guān)閉合的瞬間電流應(yīng)該立即等于最大值Im=U/Lr,而事實(shí)是電流是從零開始幾乎是線性地增加,即不會(huì)突變。