电感元件

✍ dations ◷ 2025-04-26 12:41:35 #电路,电子元件

电感器(英语:inductor)是一种电路元件,会因为通过的电流的改变而产生电动势,从而抵抗电流的改变。这属性称为电感。

电感元件有许多种形式,依据外观与功用的不同,而会有不同的称呼。以漆包线绕制多圈状,常作为电磁铁使用和变压器等中使用的电感也依外观称为线圈(coil)。用以对高频提供较大电抗,通过直流或低频的,依功用常称为扼流圈(choke),又称抗流圈。常配合铁磁性材料,安装在变压器、电动机和发电机中使用的较大电感,也称绕组(Winding)。导线穿越磁性物质,而无线圈状,常充当高频滤波作用的小电感,依外观常称为磁珠(Bead)。

电感器一词,通常只用来称呼以自感或其效应为主要工作情况的元件。非以自感为主的,习惯上大多称呼它的其他名称,平常不以电感器称呼,例如:变压器、马达里的电磁线圈绕组等。

在中文里,电感器一词在口语上也会被简称为电感,但如需严谨表达为实体物件的情况,仍宜称为电感器。

通俗地说,穿过一个闭合导体回路的磁感线条数称为磁通量。由于穿过闭合载流导体(很多情况是线圈)的磁场在其内部形成的磁通量变化,根据法拉第电磁感应定律,闭合导体将产生一个电动势以“反抗”这种变化,即电磁感应现象。电感元件的电磁感应分为自感应和互感应,自身磁场在线圈内产生磁通量变化导致的电磁感应现象,称为“自感应”现象;外部磁场在线圈里磁通量变化产生的电磁感应现象,称为“互感应”现象。

比如,当电流以1安培/秒的变化速率穿过一个1亨利的电感元件,则引起1伏特的感应电动势。当缠绕导体的导线匝数增多,导体的电感也会变大,不仅匝数,每匝(环路)面积,连缠绕材料都会影响电感大小。此外,用高渗透性材料缠绕导体也会令磁通量增加。

电感元件即利用这种感应的原理,在电路中发挥了许多作用。

一个电感元件储存的能量(单位:焦耳)等于流经它的电流建立磁场所做的功,其值由下式给出:

其中L为电感,I为流经电感的电流。

上述的关系仅适用在电流和磁通呈线性,尚未进入磁饱和的电感元件。

若针对电感元件,要计算在时间 t 0 {\displaystyle t_{0}} ()与随时间变化的电流()在一个电感为的电感元件上呈现的关系可以用微分方程来表示:

当有正弦交流电穿过电感元件时,会产生正弦电压。电压的幅度与电流的幅度( I P {\displaystyle I_{P}} )的乘积成比例。

在这种情况下,电流与电压的相位相差90度,(电流落后电压)

当于电路分析中使用拉普拉斯变换,一个没有初始电流的理想电感元件的阻抗能于域被表述成:

如果电感元件没有起始电流,那它可以被表述成:

()

并联电路中的电感元件每个都有相同的电势差。其总的等效电感(eq):

通过串联电感的电流保持不变,但每个电感元件上的电压可不同。其电压之和等于总电压。总电感:

这种简单的关系只有在没有磁场互耦(mutual coupling)的条件下才成立。

一个理想的电感元件是不会因流经线圈的电流的大小而改变其敏感度。但是于实际环境下,线圈内的金属线会令电感元件带有绕组电阻。由于绕组电阻是以串联著电感元件的电阻形式出现,所以亦被称为。由于串联电阻的存在,实际电感元件的特性会不同于理想电感,可以用品质因数表示电感和电阻之的比例。

一个电感元件的品质因数(简称)是它处于某一特定频率时,它的电感电抗和电阻之间的比例,这个比例是用来量度电感元件的有效程度。品质因数越高,电感元件的表现越相似现想中电感元件的表现。

电感元件的品质因数Q能由以下方程式可得,是电感元件的内部电抗:

使用铁磁性材料而其他部分不变的话,电感会上升,因此品质因数会被提高。但是若频率上升时,铁磁性材料的电感会降低,也就是电感是频率的变数。所以于甚高频(VHF)或更高频的情况下,会倾向使用空气核心。使用铁磁性核心的电感元件可能会于大量电流流入时进入饱和状态,引致电感及品质因数下降。使用空气核心能避免这种现象。一个经良好设计的含空气核心的电感元件能有高达几百的品质因数。

一个近乎理想的电感元件(即近乎无限的的品质因数)可以由以下方法所制:将由超导合金所制的线圈浸入液态氦或液态氮中。这会令电线处于极低温状态,而绕组电阻会消失。因为超导电感元件的效能极近乎理想中的电感元件,它可以储存大量电能于磁场内。(见超导储能)

相同条件下内阻越大,品质因数越小。品质因数可以看做是衡量电感元件好坏的标准之一,品质因数越高通常意味着电感的质量越好。

以下的表列出一些简单形状电感器,其电感量近似公式。

3.短圆柱盘绕无芯(空气)电感元件的电感:
L = r 2 N 2 9 r + 10 l {\displaystyle L={\frac {r^{2}N^{2}}{9r+10l}}}

L = μ 0 μ r N 2 r 2 D {\displaystyle L=\mu _{0}\mu _{r}{\frac {N^{2}r^{2}}{D}}}

电感元件广泛的应用在模拟电路与信号处理过程中。

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