电感的电流为什么不能突变?

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电感线圈在工程技术上的应用非常广泛,如电机、电磁继电器、接触器、互感器等等,在我们日常生活工作中随处可见。

我们来看一下电感上的电压和电流的关系公式:V=-L*di/dt

该公式反映了电感上感应电动势的电压大小和电流变化快慢有关。

在L恒定的情况下,电流变化越快,产生的感应电动势电压越高。特别是在电路开关断开或闭合的时候,电流的瞬间变化,可以使得在电路开关的地方出现火花(把空气击穿才能产生火花,至少是上万伏的电压,瞬间电压很高,持续时间短,但能量不一定大)。


电感线圈在电路图中的理想模型为电感元件,如下图1-1所示,图形符号为四个弧形的串接,字母符号为“L”。所谓理想模型,是指忽略电感线圈的电阻,只计及电感参数 L。实际上,字母“L”一方面表示电感元件,一方面又表示电感元件的参数值。

电感的电流为什么不能突变?
图1-1


在实际应用中,电感线圈一般绕制在铁芯上,以增强其元件参数。这是因为铁芯能被磁化,产生附加磁场,使得线圈的磁性增强。想象一下,给一个没有铁芯的线圈通以一定电流,它产生磁场能够吸引一定数量的铁钉;然后给该线圈穿过一铁芯,通以相同电流,显然它能吸引的铁钉就会变多。


通电线圈能够产生磁场,而磁场存在能量,换言之,通电线圈能够将电能转换为磁场能量,并且这个磁场能量随着电流的变化而变化。这表明,若电感线圈的电流不变,那么它所含有的磁场能量就能保持不变,这就是电感线圈的储能特性,即电感线圈是储能元件。

可能有的读者不能理解为什么磁场存在能量,在这里我简单解释一下。众所周知,磁铁之间有力的作用,它们同性相斥,异性相吸。拿一个条形磁铁去靠近另一个条形磁铁,就能把它吸起来或推走(其实是两个磁场之间的作用),这个吸起来或推走的过程,就是磁场力的做功过程,而做功的过程又是能量的变化过程。综上,磁场具有能量,可以对置于其中的磁铁产生力的作用,从而对磁铁做功。


上文提到,若电感线圈的电流不变,那么它所含有的磁场能量就能保持不变。这句话其实已经回答了标题所示的问题。用脚指头想都知道,能量是不能突变的,若能量能够突变,那么永动机就不是梦,闪现技能在生活中也能实现,不用时间也能吃饱饭……

电感的电流为什么不能突变?
既然能量不能突变,显然,电感线圈所存储的磁场能量也不能突变,而电感线圈所存储的磁场能量变化是通过电流的变化来实现的,所以磁场能量不能突变就等同于电感电流不能突变。

虽然电感电流不能突变,但这不妨它可以变得很快呀。例如在一个串有电感线圈的回路中,突然断开开关,切断回路,显然回路断开电流就为零,这个开关断开的过程非常短,在这么短的时间内,电感的电流从有到无,就变化的很快。

另外,电感线圈的电压正比于其电流的变化率,也就是说,只要电感电流变化得够快,那么它两端就会产生足够高的电压。所以在很短时间切断含有电感的回路,很容易产生电弧。例如上一段话的例子中,在开关处会产生电弧,这是因为电感电流变化过快,从而产生非常高的电压,使得开关动静触头间的空气被电离,产生电弧。

不过,电感电流快速变化会产生高电压的现象有利有弊,例如镇流器就是利用电感线圈电流的快速变化来产生高压工作的。

由于电感电流不能突变,电感线圈还可以用来限制线路的短路电流,这就是串联电抗器的应用。在高压线路中,一旦发生故障短路,其短路电流就会非常大。在线路出线端串接电抗器,当线路发生短路,由于电感电流不能突变,此时线路的电流从工作电流上升到短路电流就需要一定时间,在这个电流升高的期间,继电保护装置就能及时切断故障线路,从而保护设备与人身安全。

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电流不能突变,电压可以突变。
可以理解一个随频率变化的电阻,电压加上一瞬间,电阻非常大,但随时间会变小。
XL=ωL/ω=2πFL 电流突变F趋近无限大,感抗趋近无限大,故不会有电流。
若人为强制电流突变,只能导致电感两端电压上升

假设一个电阻,随频变化,在加上电压的一瞬间,电阻比较大,随着时间的推移,逐渐变小。参照公式:XL=ωL/ω=2πFL 。电流突变时,F趋近无限大,感抗趋近无限大,因此不会有电流。

电感是储能元件,通过实验证实电感线圈的物理性质有两点:

(1)线圈的自感电势与通过线圈的电流变化率成正比

(2)自感电势总是阻碍电流的变化

以直流电压为例:开关闭合的瞬间,电流的变化趋势是增加,此时电流变化率最大(从无到有),线圈自感电势最强,并且阻碍电流增加,所以电流就无法突然增加,即电流不会突变;随着通电时间的增加,通过线圈的电流转化成磁能存储起来,储能饱和后,自感电势下降为零,电流达到最大值:Im=U/Lr,Lr:线圈直流电阻。

结论:断电瞬间的自感电势远大于通电瞬间的自感电势,本质是线圈充电期间电感储能的集中释放。电感电流不会突变是相对的。如果没有自感电势,开关闭合的瞬间电流应该立即等于最大值Im=U/Lr,而事实是电流是从零开始几乎是线性地增加,即不会突变。

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