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什么是电感(非常详细)
电感元件简称电感,其图形符号可以表示为图 1a) 所示。
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q01544935.gif)
图 1 电感元件图形符号与韦安曲线
在理想情况下,一般认为电感具有以下特性:在没有非线性导磁物质存在的条件下,一个载流线圈的磁通链 Ψ(或磁通 ϕ )与线圈中的电流 I 成正比,即:
式中,N 为电感元件绕制的线圈匝数;L 为电感元件的参数,称为电感元件的电感值。由于单个线圈中磁通链是由线圈本身的电流产生的。因此电感值也称自感系数,单位为 H(亨利,简称亨)。在实际应用中常用单位是 mH(毫亨)、μH(微亨)和 nH(纳亨)。以 Ψ 和 I 作为坐标轴可以画出电感的韦安曲线,如图 1b) 所示,线性电感的韦安曲线是过原点的直线。
由于在实际应用中,磁通链是很难测量的,因此需要确定电感两端电压与电流的关系。由电磁感应定律可知,电与磁之间是可以相互转换的。当磁通链 Ψ 随时间变化时,在线圈的端子间会产生感应电压,其关系为:
结合上面两个公式可得,线圈两端电压与流过电流之间的关系为:
上式表明电感两端电压与流过的电流成正比。相反地,也可以根据电感两端的电压求解流过的电流:
因此,可以看出,电感与电容一样,也是一种有“记忆”的元件。电感能将能量以磁场的形式进行存储。一个理想的电感吸收的功率为:
则电感从 t0 时刻到 t1 时刻吸收的能量为:
如初始时刻 t0 电感的能量为 0,那么在 t 时刻电感吸收能量可以写为:
假如在电感两端通入正弦交流电流,即 I=Imsinωt,电感两端电压 U 为:
其中,Im 为正弦波形的幅值,当角频率 ω=1、电感 L=1H 且赋值 Im=1A 的条件下,可求得:
则流过电感电流 I 与电感两端电压 U 关于时间 t 的波形如图 2 所示。
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q02033436.gif)
图 2 流过电感的电流与两端电压的波形
可以看出,流过电感电流 I 超前电感两端电压 U,相位相差 90°。正好与电容的电压与电流的相位关系相反。
与电阻、电容一样,通常实际生产的标准电感的电感值也是有限的,其实物图如图 3a) 所示,当然也可以电感通过串、并联的方式得到任意的等效电感值。两个互相没有影响的电感串、并联后的等效电感的计算公式与电阻类似。
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q02051239.gif)
图 3 电感实物
但在实际应用中很少使用此方式得到非标的电感,而是在磁芯表面缠绕漆包线来得到电感,通过漆包线围绕磁芯匝数来改变其电感值,实物图如图3b) 所示。
实际绕制电感的过程中,有以下几点注意事项:
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q01544935.gif)
图 1 电感元件图形符号与韦安曲线
在理想情况下,一般认为电感具有以下特性:在没有非线性导磁物质存在的条件下,一个载流线圈的磁通链 Ψ(或磁通 ϕ )与线圈中的电流 I 成正比,即:
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q01F9126.gif)
式中,N 为电感元件绕制的线圈匝数;L 为电感元件的参数,称为电感元件的电感值。由于单个线圈中磁通链是由线圈本身的电流产生的。因此电感值也称自感系数,单位为 H(亨利,简称亨)。在实际应用中常用单位是 mH(毫亨)、μH(微亨)和 nH(纳亨)。以 Ψ 和 I 作为坐标轴可以画出电感的韦安曲线,如图 1b) 所示,线性电感的韦安曲线是过原点的直线。
由于在实际应用中,磁通链是很难测量的,因此需要确定电感两端电压与电流的关系。由电磁感应定律可知,电与磁之间是可以相互转换的。当磁通链 Ψ 随时间变化时,在线圈的端子间会产生感应电压,其关系为:
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q01H9519.gif)
结合上面两个公式可得,线圈两端电压与流过电流之间的关系为:
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q01J4121.gif)
上式表明电感两端电压与流过的电流成正比。相反地,也可以根据电感两端的电压求解流过的电流:
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q01KV60.gif)
因此,可以看出,电感与电容一样,也是一种有“记忆”的元件。电感能将能量以磁场的形式进行存储。一个理想的电感吸收的功率为:
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q01Q3W6.gif)
则电感从 t0 时刻到 t1 时刻吸收的能量为:
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q01R9352.gif)
如初始时刻 t0 电感的能量为 0,那么在 t 时刻电感吸收能量可以写为:
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q01949503.gif)
假如在电感两端通入正弦交流电流,即 I=Imsinωt,电感两端电压 U 为:
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q020035L.gif)
其中,Im 为正弦波形的幅值,当角频率 ω=1、电感 L=1H 且赋值 Im=1A 的条件下,可求得:
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q0201VC.gif)
则流过电感电流 I 与电感两端电压 U 关于时间 t 的波形如图 2 所示。
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q02033436.gif)
图 2 流过电感的电流与两端电压的波形
可以看出,流过电感电流 I 超前电感两端电压 U,相位相差 90°。正好与电容的电压与电流的相位关系相反。
绕制电感
如前所述,在电阻、电容、电感的组合电路中可以根据电阻值、电容值、电感值的任意组合来改变输入电压与电流之间的相位关系。因此在实际应用中往往需要使用不同的电感值。与电阻、电容一样,通常实际生产的标准电感的电感值也是有限的,其实物图如图 3a) 所示,当然也可以电感通过串、并联的方式得到任意的等效电感值。两个互相没有影响的电感串、并联后的等效电感的计算公式与电阻类似。
![](/uploads/allimg/221118/2-22111Q02051239.gif)
图 3 电感实物
但在实际应用中很少使用此方式得到非标的电感,而是在磁芯表面缠绕漆包线来得到电感,通过漆包线围绕磁芯匝数来改变其电感值,实物图如图3b) 所示。
实际绕制电感的过程中,有以下几点注意事项:
- 根据电流选择线径。一般选择铜芯的漆包线绕制线圈,铜线会随着绕线的匝数变多而变大,当通过线圈的电流很大时,容易发热甚至烧断。因此需要根据电流大小合理选择绕线的线径。
- 不同频率选取不同材质的磁芯。工作频率不同的线圈,具有不同的特点。低频用铁氧体作为磁芯材料。在音频段的电感线圈,通常采用硅钢片或者钼坡莫合金作为磁芯材料。在高频通常采用铁硅铝或铁氧体作为磁芯材料。在频率高于 100MHz 时一般不再采用铁硅铝或铁氧体,而是使用空心线圈;如果作为微调,可用铜芯。
- 根据功率选择磁芯尺寸。对于同种材料的磁芯来说,通常磁芯的尺寸与功率有关,功率越大,所需磁芯尺寸越大。