電感線圈在工程技術上的應用非常廣泛,如電機、電磁繼電器、接觸器、互感器等等,在我們日常生活工作中隨處可見。
我們來看一下電感上的電壓和電流的關系公式:V=-L*di/dt
該公式反映了電感上感應電動勢的電壓大小和電流變化快慢有關。
在L恒定的情況下,電流變化越快,產生的感應電動勢電壓越高。特別是在電路開關斷開或閉合的時候,電流的瞬間變化,可以使得在電路開關的地方出現火花(把空氣擊穿才能產生火花,至少是上萬伏的電壓,瞬間電壓很高,持續時間短,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,圖形符號為四個弧形的串接,字母符號為“L”。所謂理想模型,是指忽略電感線圈的電阻,只計及電感參數 L。實際上,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值。
在實際應用中,電感線圈一般繞制在鐵芯上,以增強其元件參數。這是因為鐵芯能被磁化,產生附加磁場,使得線圈的磁性增強。想象一下,給一個沒有鐵芯的線圈通以一定電流,它產生磁場能夠吸引一定數量的鐵釘;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變多。
通電線圈能夠產生磁場,而磁場存在能量,換言之,通電線圈能夠將電能轉換為磁場能量,并且這個磁場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能量就能保持不變,這就是電感線圈的儲能特性,即電感線圈是儲能元件。
可能有的讀者不能理解為什么磁場存在能量,在這里我簡單解釋一下。眾所周知,磁鐵之間有力的作用,它們同性相斥,異性相吸。拿一個條形磁鐵去靠近另一個條形磁鐵,就能把它吸起來或推走(其實是兩個磁場之間的作用),這個吸起來或推走的過程,就是磁場力的做功過程,而做功的過程又是能量的變化過程。綜上,磁場具有能量,可以對置于其中的磁鐵產生力的作用,從而對磁鐵做功。
上文提到,若電感線圈的電流不變,那么它所含有的磁場能量就能保持不變。這句話其實已經回答了標題所示的問題。用腳指頭想都知道,能量是不能突變的,若能量能夠突變,那么永動機就不是夢,閃現技能在生活中也能實現,不用時間也能吃飽飯……
既然能量不能突變,顯然,電感線圈所存儲的磁場能量也不能突變,而電感線圈所存儲的磁場能量變化是通過電流的變化來實現的,所以磁場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。例如在一個串有電感線圈的回路中,突然斷開開關,切斷回路,顯然回路斷開電流就為零,這個開關斷開的過程非常短,在這么短的時間內,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,那么它兩端就會產生足夠高的電壓。所以在很短時間切斷含有電感的回路,很容易產生電弧。例如上一段話的例子中,在開關處會產生電弧,這是因為電感電流變化過快,從而產生非常高的電壓,使得開關動靜觸頭間的空氣被電離,產生電弧。
不過,電感電流快速變化會產生高電壓的現象有利有弊,例如鎮流器就是利用電感線圈電流的快速變化來產生高壓工作的。
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,這就是串聯電抗器的應用。在高壓線路中,一旦發生故障短路,其短路電流就會非常大。在線路出線端串接電抗器,當線路發生短路,由于電感電流不能突變,此時線路的電流從工作電流上升到短路電流就需要一定時間,在這個電流升高的期間,繼電保護裝置就能及時切斷故障線路,從而保護設備與人身安全。
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電流不能突變,電壓可以突變。
可以理解一個隨頻率變化的電阻,電壓加上一瞬間,電阻非常大,但隨時間會變小。
XL=ωL/ω=2πFL 電流突變F趨近無限大,感抗趨近無限大,故不會有電流。
若人為強制電流突變,只能導致電感兩端電壓上升
假設一個電阻,隨頻變化,在加上電壓的一瞬間,電阻比較大,隨著時間的推移,逐漸變小。參照公式:XL=ωL/ω=2πFL 。電流突變時,F趨近無限大,感抗趨近無限大,因此不會有電流。
電感是儲能元件,通過實驗證實電感線圈的物理性質有兩點:
(1)線圈的自感電勢與通過線圈的電流變化率成正比
(2)自感電勢總是阻礙電流的變化
以直流電壓為例:開關閉合的瞬間,電流的變化趨勢是增加,此時電流變化率最大(從無到有),線圈自感電勢最強,并且阻礙電流增加,所以電流就無法突然增加,即電流不會突變;隨著通電時間的增加,通過線圈的電流轉化成磁能存儲起來,儲能飽和后,自感電勢下降為零,電流達到最大值:Im=U/Lr,Lr:線圈直流電阻。
結論:斷電瞬間的自感電勢遠大于通電瞬間的自感電勢,本質是線圈充電期間電感儲能的集中釋放。電感電流不會突變是相對的。如果沒有自感電勢,開關閉合的瞬間電流應該立即等于最大值Im=U/Lr,而事實是電流是從零開始幾乎是線性地增加,即不會突變。