電感原理圖與線圈的原理作用和磁芯的磁化和磁導率分析

2020-12-13 岑科實業

電感器對直流的作用

線圈的過渡響應

線圈(電感器)通過自感應作用,在阻礙電流變化的方向上產生電動勢(感應電動勢)。因此,即使在線圈上施加電壓,電流也不會馬上流動,而且即便去掉電壓,電流也不會馬上消失。在開關處於開或關等時,非常態的電流和電壓變化被稱為線圈的過渡響應(過渡現象)。

例如,在將線圈和霓虹燈(放電起始電壓為數10V以上)並聯的如下電路中,即使將乾電池(數V左右)的開關導通,霓虹燈也不會被點亮。但是,在線圈中有電流流動的狀態下切斷開關時,霓虹燈會被點亮。通過自感應作用在線圈中產生的電動勢(V)與電流的變化率(ΔI/Δt)呈比例關係。當開關導通時,電流會慢慢增大,電動勢不會超過電源電壓。但是,當開關斷開時,由於正在流動的電流瞬間被切斷,電流的變化率增大,因此產生了能夠點亮霓虹燈的高電動勢。

線圈蓄能

在上述電路中霓虹燈能被點亮是由於線圈蓄能的緣故。這個能量與流過線圈和電感的電流的平方呈比例關係。當開關斷開時存蓄的能量瞬間被釋放,由此產生高電動勢。

線圈對交流的作用

感應性電抗(XL)

線圈(電感器)具有能使直流順利通過,但對交流則起著如同電阻般的阻礙作用,而且具有頻率越高越不容易通過的性質。這種性質叫做線圈的感應性電抗(XL),其與交流頻率(f)、電感(L)之間存在著如下的關係。

具有線圈的交流電路的電壓波形和電流波形

商用交流電是帶有正弦波(sin波)波形的交流電。當把線圈連接到交流電源時,通過自感應作用,在線圈中阻礙電流變化的方向上產生電動勢。因此,隨著電壓的變化電流將變化為如下滯後90°(1/4周期)的波形。

磁芯的磁化和磁導率

磁化曲線和磁飽和

線圈產生的磁通(Φ)與電感(L)和流動的電流(I)呈比例關係。而且,由於電感與磁導率呈比例關係,因此如果磁芯使用高磁導率的磁性體,且通過的電流越大,產生的磁通越多。但是,磁性體匯集磁通的能力有限,如加大電流,則不久磁芯就會處於磁飽和狀態。此時的磁通密度(B)稱為最大磁通密度(Bm)。

磁芯的磁化過程和磁導率的變化

隨著磁芯的磁化,磁芯的磁導率也跟著變化。磁導率(μ)如下述曲線所示,用磁芯的磁化曲線斜率(θ)表示,原點附近的初磁化曲線的斜率特稱為起始磁導率(μ0)。一般所說的磁導率就是指這個起始磁導率,鐵氧體材料的產品目錄中記載的也是這個數值。

當加大通過線圈的電流、提高磁化強度時,磁導率也跟著上升,不久就會達到極大値。這時稱其為最大磁導率(μm),之後磁導率轉變為下降變小。

磁芯的渦流損耗

當交流電流通過線圈時,為了防止產生的磁通發生變化而產生了電動勢,磁芯中將流過同心圓狀的電流。此電流叫做渦流,RI2(R:電阻、I:電流)的功率將變成焦耳熱而被損耗掉。將此種情況就叫做渦流損耗。金屬磁芯由於其電阻低所以其渦流損耗也大。電源變壓器的磁芯之所以採用疊片鐵心就是為了減小渦流損耗。但是,在高頻情況下,渦流損耗將會增大並且發熱增加。由於鐵氧體的固有電阻值較高,因此渦流損耗較小,所以多用作高頻線圈和高頻變壓器等的磁芯。

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