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。
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。
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……
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。