电感线圈及其应用

一根通电导线，是否存在电感？在回答这个问题之前，我们先来了解一下什么是电感。就像是每种事物都有自己独一无二的特性，电感线圈也有自己独一无二的特性，这个特性由电感表征。具体如何表征，且看以下讲解。

一、电感是什么

通电导线可以产生磁场，根据右手螺旋定则，磁场方向如下图1-1所示，该磁场大小用磁场强度“H”表示。电流越大，磁场越强，这个磁场完全是由电流产生的，电流为零，磁场也即随之消失。

当把通电导线缠绕起来，如下图1-2下部图所示，就成为了线圈。给导线通电，那么每一段导线都会产生磁场。在线圈内部，每匝线圈产生的磁场会叠加合成，如图1-2上部图所示两个圈，表示紫色段导线产生的磁场。

显然，电流越大，线圈匝数越多，在线圈内部叠加合成的磁场就越大。磁场大小用磁力线数目表示，即穿过单位面积的磁力线数目越多，磁场就越强。把穿过线圈内部的磁力线数目称为磁通，那么磁场越大就表示为磁通越大。这个磁场依然是仅由电流产生。

在线圈内部放一根铁芯，如下图1-3所示。铁芯是铁磁物质，可以被周围磁场所磁化。通电线圈产生磁场，这个磁场会磁化铁芯，使得铁芯产生另外一个附加的磁场。

换言之，此时铁芯线圈周围的磁场，是由两部分组成，一部分是电流在导线上所激发的，另一部分是铁芯被磁化产生的。所以放了铁芯后，线圈的磁场会增强，此时的磁场大小用磁感应强度“B”表示。

毫无疑问，加了铁芯后，线圈的磁通（穿过线圈内部的磁力线数目）也增大了。磁通表示的是穿过某个面的磁力线数目，线圈有N匝，那么就形成了N个面，把磁通乘以N个面，就得到磁链，如下图1-4所示。

磁链有一个特点，那就是它的大小与电流成正比。也就是说，电流在变化时，磁链就按比例随着电流变化，例如，若某线圈的电流为1A时，磁链为2Wb，那么若电流增大为3A，磁链就会变为6Wb。此时就有了一个比例系数，例如以上例子中磁链与电流的比例系数为磁链/电流=2。

把线圈磁链与电流的比例系数称为电感，用符号“L”表示，单位为亨利[H]，这就是电感的由来。如下图1-5所示，电感又称自感系数，它是表征线圈产生磁场的这一性质。而磁场是存在能量的，所以电感也反映了线圈存储磁场能量这一物理现象。电感是一个参数，它一方面表示线圈的元件特性，一方面又表示线圈，也就是说，我们在说“电感”时，可以是指电感参数，也可以是指电感元件。

以电感线圈的电流和磁链关系画出一条直线，如图1-5所示。这条直线就是电感元件的特性曲线，类似于电阻元件的伏安特性曲线，磁链的单位是韦伯，电流的单位是安培，所以电感元件的特性曲线称为韦安特性曲线。

看到这里，对于开篇的问题，你是否有了答案？答案是“存在的”，一根导线，相当于匝数为1圈的线圈，给它通以电流就可以产生磁场，显然，这个磁场也可以用电感来表示，但它产生的磁场往往很弱，不会对周围或电路产生影响，所以人们把它忽略掉了。

二、电感线圈基于磁场的应用

基于给电感线圈通电，他就会产生磁场，电感线圈在工程上的应用非常广泛，例如接触器、电磁继电器、磁悬浮列车等。

例如电磁继电器就是基于电感线圈通电产生磁场的工作原理，如下图1-6所示，当开关闭合，流过电流的线圈产生磁场，铁芯被磁化，从而吸引触头，使触点闭合；当开关断开，电感线圈的电流也随之为零，磁场消失，触头在弹簧的作用力下弹开，使触点断开。

在继电器原理的基础上增加灭弧装置，就可以构成简单的接触器，如下图1-7所示。接触器等工作原理也比较简单，给线圈通电，线圈吸合主触头，使主回路接通，反之，线圈失电，回路断开。

磁悬浮列车的工作原理也有涉及到电感线圈，其具体过程在此不再展开阐述。

电感线圈的作用，除了产生磁场外，还有其他方面的应用，如产生高电压、限制短路电流、抗干扰、功率传输等，这些应用也是基于电感线圈的元件特性，但不仅仅是产生磁场这一面。

三、电感线圈的电压电流关系

一个电感线圈，若把它置于一个变化的磁场中，它就会产生感应电压，例如将条形磁铁来回穿过线圈，对于线圈而言，条形磁铁的磁场就是变化的，所以线圈就会产生感应电压。

若将线圈两端与外电路连接，就会产生感应电流。类似的，若变化的磁场有线圈本身产生，显然这个线圈也会产生感应电压。

给线圈通以交流电流，这个交变的电流产生的磁场也是交变的，在这个交变的磁场下，线圈两端会产生感应电压。根据电磁感应定律，感应电压与磁通变化率成正比，如下图1-8所示。

结合电磁感应定律和电感元件的元件特性，磁通乘以匝数等于磁链，而磁链又等于电感乘以电流，依次可以得出电感元件的电压、电流关系如图1-8所示，即电感电压 u 与电流变化率 i /t 成正比。

经过数学计算后可以得出电感的电压与电流的比值为一个与频率有关的参数，也就是感抗XL ，在数值上等于2πf 。类似于欧姆定律，电阻元件的电压与电流比值为电阻，单位是欧姆，感抗也是电压与电流的比值，单位也是欧姆。

当电压不变时，感抗、电流与频率的关系曲线如下图1-9所示。随着频率的增大，感抗也增大，电流逐渐变小。

这就是电感元件在正弦交流电路中的特性。图1-9中电流变化曲线的前提是电感元件两端的电压大小保持不变，但在电路中，电感元件两端的电压往往不是固定的，所以还是那句话，电感电压随着电流变化的快慢而增大减小。

另外，电感电流的存在会产生磁场，电流越大，磁场也越大，这表明，电流的变化反映的是磁场能量的变化。由于能量是不能突变的，所以电感元件的电流也不能突变。

在知道了电感元件在交流电路中的特性后，我们就可以分析电感元件另一方面的应用。

四、基于交流电路的电感线圈应用

不管是强电还是弱电领域，电感元件在交流电路中的应用也非常广泛。

例如电抗器就是有电感线圈制成，可以串接在线路中起到限流的作用。其原理是基于电感电流不能突变的特性，当线路发生短路时，由于串有电感，所以工作电流不会立即升到短路电流，而是有个时间上的缓冲。

由于电感电压与电流变化率成正比，镇流器随之被应用。镇流器内部含有电感线圈，在回路切断瞬间，由于电感电流在一个很短的时间内变为零，所以电感元件两端会产生瞬时高压。

电感线圈在电子电路中还可以和电容元件组成LC谐振电路或滤波电路等，在电力系统中可以制成变压器、发电机或电动机等，这些器件或设备的工作原理均与电感线圈的特性息息相关，所以理解电感线圈的特性对电工朋友们来说有很大的帮助。