傻傻分不清電路?專業電氣學姐為你全方面解讀(十九)

2020-03-25 15:19 更新 肖菲 瀏覽:129人次 微信二維碼

磁是什么?它與電之間有著怎么樣的關系?如果大家都已經學習了曹老師的《電工基礎》中第25~28課時的內容,或者掌握了我前兩次學習分享中的內容,那么這些問題并不難回答。但是所能提供的答案并不完整,因為電與磁之間可謂有著千絲萬縷的關系,相要理清楚顯然是“難于上青天”。


而我們這次的學習分享又給大家的答案作了補充,那就是自感與互感。單單是自感與互感的內容,曹老師就花費了整整4個課時的時間,從實際到理論,結合習題,可以說是非常的詳細了。大家如果完完全全地學了一遍,我想,即使不能百分百的掌握,但是收貨肯定是不少的。那么,我們這次就圍繞“自感與互感”的主題展開學習吧!


自感現象,顧名思義就是自身的電磁感應現象。它的詳細定義是:當回路中導體的電流發生變化時,它周圍的磁場就隨著變化,即由此電流所產生的穿過回路本身所圍面積的磁通量也隨著變化,因而在導體中就產生感應電動勢,這個電動勢總是阻礙導體中原來電流的變化,這種現象就叫做自感現象。由自感應所產生的電動勢稱為自感電動勢。



19-1


如圖19-1所示,考慮一個閉合回路,設其中電流為I,根據畢奧-薩伐爾定律,此電流在空間任一點產生的與磁感應強度BI成正比,推理得磁通量φL也與回路中的電流I成正比,即φLI。若回路中有N匝,且穿過每一匝線圈的磁通量φL基本相同,則這個N匝線圈中的自感磁鏈ΨL=L,且該自感磁鏈ΨL也與電流I成正比,即ΨLI。


為了表明各個線圈產生自感磁鏈的能力,將線圈的自感磁鏈與電流的比值叫做線圈(或回路)的自感系數(或自感量),簡稱自感,用符號L”表示,L=ΨL/I=L/I。


自感系數L是一個比例系數,它在量值上等于線圈中的電流為一個單位時通過線圈的磁鏈。在國際單位中,自感系數的單位為亨利(H),1H=1Wb/A。和電感一樣,由于亨利的單位較大,實用中常采用豪亨(mH)或微亨(μH),它們的關系為1H=103mH=106μH。


結合我們之前所學的電感的知識,自感理解起來其實也不難,在沒有互感作用的情況下,其實自感就是電感。類似于電阻和電容,自感就是表征線圈本身電磁性質的物理量,它僅由線圈的形狀、大小、匝數及周圍磁介質的分布所決定,在無其他鐵磁質的情況下,它與線圈中的電流無關,就好比導線的電阻與加在導體兩端的電壓、流過導體的電流無關一樣。


我們在上一次的學習分享中知道,根據法拉第電磁感應定律,磁通量的變化,會產生感應電動勢。那么,顯然,自感現象也必定伴隨著感應電動勢的產生,這個感應電動勢就是自感電動勢,由法拉第電磁感應定律可知,線圈中的自感電動勢為e=-ΔΨ/Δt=-LΔI/Δt。



圖19-2


如圖19-2所示為自感電動勢的表達式。正如圖中所述,自感電動勢總是阻礙回路原電流的變化,常稱為“電磁慣性”。對于相同的電流變化率ΔI/Δt,L越大,自感電動勢也就越大,回路中原有電流越難改變。所以,類似于質量是對物體慣性大小的量度,自感系數L是電路電磁慣性的量度。


在工程技術和日常生活中,自感現象的應用很廣泛,曹老師在《電工基礎》課程中也詳細地分析了幾個實例 ,如日光燈上用的鎮流器等。然而在某些情況下,自感現象會帶來危害,例如大功率的電動機有很大的自感,突然拉閘斷電,會有一個很大的電流變化率,從而在電機繞組兩端引起極大的自感電動勢,足以在電閘上產生電弧,所以,電源閘刀上應配置滅弧罩。


自感是單獨一個閉合線圈中電流的作用,那么,如果有兩個線圈鄰近時,它們之間又會有怎樣的電磁現象呢?我們接下來就對這個問題進行探討。在談及兩個鄰近閉合線圈之間的電磁感應現象時,就引進了一個新的概念:互感現象。


互感現象,顧名思義,是指兩個線圈之間的相互電磁感應現象。如圖19-3所示,兩個鄰近的閉合線圈,匝數分別為N1N2,通有電流I1I2。當線圈1中的電流I1變化時,由它所激發的變化磁場,會在它鄰近的另一個線圈2中產生感應電動勢;同樣,當線圈2中的電流I2變化時,也會在線圈1中產生感應電動勢。這種由于一個線圈流過電流所產生的磁通,穿過另一個線圈的現象,叫耦合。由于此線圈電流變化引起另一個線圈產生感應電動勢的現象,稱為互感現象?;ジ鞋F象所產生的感應電動勢稱為互感電動勢,這樣的兩個線圈稱為互感耦合線圈。



19-3


Ψ21表示I1所激發的磁場穿過線圈2的全磁通,當兩線圈的形狀、相對位置及周圍介質的磁導率不變時,Ψ21I1成正比,可表示為Ψ21=N2φ21=M21;同理,I2所激發的磁場穿過線圈1的全磁通為Ψ12=N1φ12=M12,如圖19-3所示。



19-4


另外,顯然在兩個線圈中,它們自身肯定也有自感現象的存在。如圖19-4所示,兩個鄰近線圈中,它們各自本身有自感現象的存在,同時兩個線圈之間又有互感現象的存在。結合圖19-3和19-4的內容,上面引入的比例系數M21M12分別稱為線圈1對線圈2的互感系數和線圈2對線圈1的互感系數。理論和實踐都證明,M21M12總是相等的,一般用M表示,即M21=M12=M。



M稱為兩個線圈的互感系數,簡稱互感。類似于自感L,它是一個反映兩個電路耦合程度的物理量?;ジ邢禂等Q于兩個耦合線圈的幾何尺寸、匝數、相對位置及周圍磁介質的分布。當磁介質為非鐵磁性物質時,M是常數,與線圈中的電流無關。和自感系數一樣,互感系數的國際單位也是亨利(H)。


工程上常用耦合系數表示兩個線圈磁耦合的緊密程度,耦合系數k定義如圖19-5所示。這一關系式只是在兩個線圈各種所產生的磁感線完全通過對方線圈時才能成立,也就是在無漏磁通存在的理想情況下成立。



19-5


19-5的表達式中,耦合系數k的值取決于兩個線圈的相對位置。顯然,0≤k≤1,當近似為1時,為強耦合;當k接近于0時,為弱耦合;當k=1時,稱兩個線圈為全耦合,此時自感磁通全部為互感磁通。


自感現象有自感電動勢的產生,同樣的,互感現象也有互感電動勢的產生。在互感系數為常量的情況下,當線圈1中的電流I1變化時,根據法拉第電磁感應定律可知,在線圈2中產生的互感電動勢e2如圖19-6所示。同理,當線圈2中的電流I2變化時,在線圈1中產生的感應電動勢e1如圖19-6所示。


在《電工基礎》中,曹老師還提到一個互感電壓的概念:結合圖19-5,i1的變化引起φ21變化,從而在線圈2中產生的電壓稱為互感電壓。顯然,互感電壓與互感電動勢的區別只在于它們之間方向不同。因為我們在之前也學到過,電壓的正方向是從高電位指向低點位的,而電動勢的正方向恰與電壓相反,是從低點位指向高電位。


19-6


和自感系數一樣,互感系數的量值也等于一個回路中電流隨時間的變化率為一個單位時,在另一個回路中所引起的感應電動勢的絕對值。


互感現象在實際中的應用也有很多,我們最熟悉的應該就是變壓器的制造了。變壓器的原理正是利用互感現象把電能由一個回路轉移到另一個回路中去。


總而言之,不管是自感還是互感,它們的實質其實都是電磁感應,兩者之間有相同之處,也有不同的地方。大家最好要懂得自感和互感各自的原理,又要懂得它們之間的共同點和區別。




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