对电感器(线圈)反射的电流的阻碍不是安培力或磁场力,而是电场力。
根据麦克斯韦方程组的第三个方程——法拉第定律:曲面上磁通量的变化率等于感应电场的环流电流; 简单的说法是:感应电场等于单位时间内磁通量的变化,即:V=dφ/dt。 那么我们实际得到的是感应电压:“感应电动势”,而感应电流就是由“感应电动势”产生的。 感应电流的方向与感应电动势的方向相同,所以我们只需了解电感器(线圈)感应的电动势,就可以了解感应电流。
以变压器为例,了解“感应电压”和“感应电流”的问题:能量通过磁场的变化在初级侧和次级侧之间传递。 当我们在初级侧加上交流电压并在次级侧挂上负载时,我们可以测量负载两端的交流电压和交流电流。 那么就有一个问题:变压器的次级侧是先产生交流电流,然后让电流流过负载产生电压(电流源),还是先产生交流电压,然后产生电流(电压来源)?
好的,接下来我们断开次级侧的负载,那么次级侧肯定不会有电流流过(i2 = 0)。 如果是电流源,就不会有电压。 如果我们测试副边电压,我们会发现副边开路电压与带负载时的电压相同(副边电压不随负载变化)。 解释磁场的变化会产生电压。
接下来我们系统地看一下这个问题。
1.电磁感应定律
电磁感应定律又称为法拉第电磁感应定律:电磁感应现象是指因磁通量变化而产生感应电动势的现象。 例如,当闭合电路中的导体的一部分在磁场中移动切割磁力线时,导体中就会产生电流。 产生的电流称为感应电流,产生的电动势(电压)称为感应电动势。
——法拉第的大量实验总结了电磁感应定律:电路中感应电动势的大小与通过电路的磁通量的变化率成正比。 若感应电动势为E,则E=n*ΔΦ/Δt。 这也是发电机的基本原理。
楞次定律:电磁感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。 即,随着磁通量变大,产生的电流趋向于变小; 并且随着磁通量变小,产生的电流趋于变小。 总的趋势(线圈对电流的作用是:来、拒绝、去、留)。 楞次定律是一种电磁定律,用于确定电磁感应产生的电动势的方向(电磁感应定律的电场方向)。
法拉第电磁感应定律是以法拉第1831年的实验为基础的。俄国物理学家海因里希·楞次在总结大量实验事实后,总结出一条判断感应电流方向的规则,称为楞次定律。 。 于是我们厘清两者的关系:法拉第发现了电磁感应现象,称为电磁感应定律,楞次提出了判断电磁感应具体方向的标准,称为楞次定律。
那么我们如何确定感应电动势的方向呢?
1、感应电流方向的判断——楞次定律
应用楞次定律确定感应电流的方向。 步骤如下(如下图所示):
1、首先判断原磁通量通过回路的方向以及原磁通量是增加还是减少;
2、根据楞次定律的含义,确定回路中感应电流产生的磁通方向;
——感应电流磁场应阻碍原有磁通量的变化,即:来而不肯留。
3、根据环路内部的环路电流产生的磁场方向(右手螺旋定则),感应电流的方向由感应电流的磁通方向(增加、反向和减少);
4、右手螺旋定则(安培定则):表示电流与电流激发的磁场的磁力线方向关系的规则。
——直通电导线的安培法则:再次伸出你的全能右手,用右手握住直通电导线,让拇指指向直导线中电流的方向。 然后四个手指指向通电导线周围磁场的方向。
——通电螺线管的安培法则:用右手握住通电螺线管,让四个手指指向电流方向。 那么大拇指所指的一端就是通电螺线管的N极。
那么,我们来看看左手定则和右手定则指的是什么。
2. 左手定则和右手定则
1885年,弗莱明担任英国伦敦大学电气工程系教授。 由于学生经常误解磁场、电流和力的方向,他想用一种简单的方法帮助学生记忆,于是“左手定则”诞生了。
在电磁学中,右手定则主要决定与力无关的方向。 如果与力有关,则依靠左手定则。
右手定则(注意:不是右手螺旋定则)对应的是电磁感应定律:用右手手掌和手指的方向来记忆导线切割时产生的电流方向。磁场线,即:右手是用来确定磁场中运动方向的。 导体,产生感应电动势的方向;
1.伸出右手,使拇指与其他四指垂直,并与手掌处于同一平面。 让磁感应线从手掌进入。 拇指指向导体运动的方向。 四个手指所指的方向就是感应电流的方向。
2、闭合电路中导体的一部分切割磁感应线产生感应电流,是楞次定律的特例。
——在下图所示的特殊情况下,使用右手定则比楞次定律更方便地确定:运动、磁通量和产生电流的方向。
左手定则对应于电磁力定律:它决定了当通电导体处于一定状态时,安培力(或运动)、磁感应强度和通电导体中电流方向之间的关系。磁场。
1. 将左手的四个手指与拇指垂直放置。 磁感应线从手掌进入(手掌面向磁场的N极)。 四个手指的方向与导体电流的方向一致。 你的拇指所指的方向就是磁场中导体所受的力的方向;
2、使用时切记:“四指”、“手掌”、“大拇指”分别指“电”、“磁”、“力”。
2、如何理解电感器的自感电动势和自感电流 1、什么是电感器?
我们知道,电感器是用导线绕成线圈,可以将电能转换成磁能并储存起来的元件。 电感器利用电磁感应原理工作:
1、直流电流通过电感时,其周围仅出现固定的磁力线,不随时间变化;
——此时,磁场能量储存在电感器中(对于同一电感器,磁场能量的大小仅与电流的大小有关),但磁场能量保持不变。
2、当交流电流通过电感器时,其周围会出现随时间变化的磁力线。
——此时,电感器内的磁场能量不断变化,交替增加和释放磁场能量,因此表现出阻碍电流的特性: 1、流过电感器的电流减小,储存的磁力增大。场能量被释放。 电阻电流变小; 2、当流过电感的电流增大时,电流转化为磁场能,表现为电阻电流变大。 (这样说是不是更容易理解?)
当电流流过导线时,导线周围会产生一定的磁场,该磁场会阻碍导线自身电流的变化。 这就是“自感”。 当产生这种磁场的导线影响电磁场范围内的其他导线,阻碍磁场范围内其他导线的电流变化时,这称为“互感”。 而“电感”就是“自感”和“互感”的叠加和(想想“共模电感”的工作原理,呃,好像是同一个东西~)。
——例如:两个大电感并排放置在一块板上。 两个电感之间的“互感”会导致电感量发生变化(增大或减小,取决于两个电感的磁力线方向是否相同,叠加还是反向抵消),影响硬件的可靠性电路。
2、自感电动势和自感电流
下面的示意图是根据法拉第电磁感应定律来分析的:变化的磁通量会在线圈两端产生感应电动势,相当于一个“新电源”; 当形成闭合回路时,感应电动势将产生感应电流。 从楞次定律我们知道,电磁感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化(到来、排斥或停留); 而原来磁通量的变化来自于外部交流电源的变化,所以从客观效果来看:电感器在交流电路中具有阻挡电流变化的特性。 所以我们可以简化理解:将因电磁感应现象而阻碍电流变化特性的元件视为电感器(这是判断可感知性的一个非常重要的依据)。
——感应线圈具有类似于力学中的惯性(牛顿第一运动定律)的特性:任何物体都试图保持其原来的运动状态(静止或匀速运动),直到受到外力迫使其改变; 而电感线圈总是试图保持磁通量保持不变,直到施加的电压迫使其改变。 离线式开关电源中MOS管开通和关断时产生的高脉冲尖峰是由变压器漏感(包括原边和副边漏感)产生的感应电动势造成的。
当电感线圈接入交流电源时,线圈内部的磁力线随着交流电而时刻变化,使线圈不断产生电磁感应。 这种由线圈本身电流变化而产生的电动势称为:自感电动势(自感电压)。 如下图所示,当开关闭合时:根据楞次定律,电感中的电流不能突变,因此电路电流为0,根据欧姆定律,电阻两端的电压 VR = I*R = 0V,正如(大师)所解释的,根据第二定律,电感上的电压VL = Vin; 理想电感的绕组线电阻为0Ω,不产生电压。 这个电压从哪里来? 答案是:自感电动势/自感电压。
因此,如果电感器/线圈两端施加的电压为V,那么它产生的感应电压为-V(在磁饱和或铜线因过电流烧坏之前):感应电压与施加电压相同,但方向相反。 那么又令人费解了:既然电感的感应电压与外加电压相等且相反(完全抵消),那么电流应该继续保持在0。为什么电感线上会出现电流呢?
因为电流不变感应电流,所以电流变化率为0,也就是说感应电压也为0,即感应电压取决于电流变化,所以电流必然变化。 当我们分析开关电源电感或变压器时,我们可以观察到电感两端的电压(感应电压)是恒定的并且等于施加的电压,但流过电感的电流却在不断变化。
——需要注意的是,变化的电流是产生感应电压的原因,因为电流与磁场(磁力线/磁通量)有关,而不是电压(电压与电场有关,而电压与磁场有关)。相关器件是:电容器)。 如果有一个电感器,其一端接交流电源,另一端悬空(高阻),或者有恒定电流流过该电感器感应电流,则该电感器相当于一根理想的导线,不会表现出电感特性。
写在最后
电感器的自感电动势和自感电流乍一看会让人感到困惑。 这涉及到更基础的“感性”相关的物理知识。 如果本文的答案还不足以完全解释您的疑惑,欢迎您前往我的主页“专栏”的主题“01_阻容电感基础”,了解更多关于电感的知识。 个人觉得“感性”是整个硬件知识的核心技术知识,是理解“开关电源设计”、“信号/电源完整性”、“电磁兼容”等的基础,不懂的“感性”不可能真正理解大多数与硬件相关的技术知识。