自感现象:当线圈中的电流发生变化时,它所激发的磁场穿过该线圈自身的磁通量也随之变化,从而在该线圈自身产生感应电动势的现象,称为自感现象,这样产生的感应电动势,称之为自感电动势,通常可用来表示。
自感系数: 设闭合回路中的电流强度为i,根据毕奥-萨伐尔定律,空间任意一点的磁感强度B的大小都和回路中的电流强度i成正比,因此穿过该回路所包围面积内的磁通量也和i成正比,即:,比例系数L叫做回路的自感系数,简称自感。
自感系数L的单位:H,称为亨利,简称亨。从上式可见,某回路的自感系数L在数值上等于这回路中的电流强度为1安培时,穿过这回路所包围面积的磁通量。
注意:根据法拉第电磁感应定律可得,回路中所产生的自感电动势可用自感系数L表示为:,
由此可知:自感系数与回路电流的大小无关,决定线圈回路自感系数的因素是:线圈回路的几何形状、大小及周围介质的磁导率。自感系数表征了回路本身的一种电磁属性。
自感实验演示: 关于自感现象,我们可以用下述两个实验的对比来观察。在左图所示的电路中,直流电路中只串接了一个白炽灯泡R。在右图所示的电路中,直流电路中还多串接了一个自感系数L较大的线圈,这一电路称为L-R电路。通过按下和打开电键,可以看到灯泡明、暗的变化,以及电流计G的指针所显示的回路电流的变化。
自感电路中电流的暂态过程: 在上述自感现象演示中看到,由于自感电动势的存在,当接通电源时,电流由零增到稳定值要有一个过程;同样,切断电源时,电流由稳定值衰减到零,亦需一个过程。这些过程都称为L-R电路的暂态过程。 由和欧姆定律可以计算出L-R 电路的电流变化规律。
1.按下电键,电路中电流i随时间t增长的规律为:
2.打开电键,电路中电流i随时间t衰减的规律为:
其中:称为L-R 电路的时间恒量,其值决定电流衰减的快慢。
自感现象的防止和应用: 在许多电器设备中,常利用线圈的自感起稳定电流的作用。例如,日光灯的镇流器就是一个带有铁芯的自感线圈。此外,在电工设备中,常利用自感作用制成自耦变压器或扼流圈。在电子技术中,利用自感器和电容器可以组成谐振电路或滤波电路等。 另一方面,通常在具有相当大的自感和通有较大电流的电路中,当扳断开关的瞬时,在开关处将发生强大的火花,产生弧光放电现象,亦称电弧。电弧发生的高温,可用来冶炼、熔化、焊接和切割熔点高的金属,温度可达2000℃以上,有破坏开关、引起火灾的危险。因此通常都用油开关,即把开关放在绝缘性能良好的油里,以防止发生电弧。
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