基礎(chǔ)電子學(xué)系列17 – 磁學(xué)、電磁學(xué)和電感

在前面的教程中，我們討論了電子元器件的兩種被動(dòng)特性，電阻和電容，以及它們的電子元器件，電阻和電容。無(wú)源元件無(wú)法產(chǎn)生能量，但可以儲(chǔ)存或耗散能量。

我們已經(jīng)了解了電阻器和電容器的電氣特性，包括它們?nèi)绾斡绊戨娐分械碾娏骱碗妷?，以及它們的市售類型。然而，還有另一種無(wú)源電子元件也很重要，需要討論：電感器。

電感器是在電路中提供電感的電子設(shè)備。電感是電感器以磁場(chǎng)形式儲(chǔ)存能量并抵抗電流變化的能力。

要正確理解電感，首先要理解磁學(xué)和電磁學(xué)。

磁性
磁鐵有兩個(gè)磁極。磁鐵的尋北極是它的北極，尋南的是它的南極。不同磁鐵的異極相互吸引，同極或同極相互排斥。磁鐵還會(huì)吸引某些金屬，例如鐵。

磁鐵周圍對(duì)移動(dòng)的電荷有影響的區(qū)域（吸引或排斥其他磁鐵或金屬的地方）是磁場(chǎng)。磁場(chǎng)在數(shù)學(xué)上被描述為矢量場(chǎng)。

磁場(chǎng)是看不見的，但通常被描述為磁通量線。通量線說明了磁鐵周圍的磁力線。因此，磁力沿著這些磁力線施加，該磁場(chǎng)的強(qiáng)度由磁力線的濃度決定。

在磁力線會(huì)聚（或靠得更近）的每個(gè)磁極附近，磁力也是最強(qiáng)的。

條形磁鐵周圍的磁通線圖。

電磁學(xué)
電和磁是相互聯(lián)系的。電流和磁場(chǎng)的相互作用就是電磁。

例如，讓我們想象電流流過穿過垂直平面的直線。如果在平面上放置鐵填料等金屬，它們將在導(dǎo)線周圍形成一個(gè)同心圓——這表明流過直導(dǎo)線的電流周圍有圓形的磁通線。

相反，如果導(dǎo)線的形狀像一個(gè)環(huán)，則電流的磁通線將更類似于條形磁鐵的磁通線。條形磁鐵通常呈矩形，兩端各有磁極。

導(dǎo)線的環(huán)數(shù)越多，磁通線的數(shù)量越多，磁場(chǎng)越強(qiáng)。載流導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)在導(dǎo)線附近也最強(qiáng)。

直的載流導(dǎo)線的磁通量線。

載流導(dǎo)線環(huán)的磁通量線。

當(dāng)電荷靜止時(shí)，它們對(duì)相反的電荷施加靜電吸引力，對(duì)相同的電荷施加靜電排斥力。然而，當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們會(huì)對(duì)其他電荷施加磁力。

換句話說，當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們的靜電力會(huì)轉(zhuǎn)化為磁力。磁性是由電荷的運(yùn)動(dòng)引起的，被認(rèn)為是電的一個(gè)特征。

由于電荷始終相互施加靜電力或磁力，可以說電能、磁能和機(jī)械能是天然可以相互轉(zhuǎn)換的。

偶極子和單極子
如前所述，磁鐵有兩個(gè)相反的磁極。偶極子是指一對(duì)相反的磁極，而單極子是一個(gè)孤立的磁極。從技術(shù)上講，單極子不存在，因?yàn)榇磐烤€總是連接閉環(huán)中的兩個(gè)相反的磁極（如在條形磁鐵中）。

但是，當(dāng)電荷周圍的磁力線呈同心圓（例如單桿或無(wú)線電天線）時(shí)，施加磁力的移動(dòng)電荷可被視為單極子。

當(dāng)電荷靜止時(shí)，它會(huì)施加徑向均勻分布在各個(gè)方向的靜電力。這種均勻分布的徑向電場(chǎng)線向內(nèi)指向?yàn)樨?fù)電荷或向外指向正電荷。固定電荷周圍沒有磁場(chǎng)或磁通線。

描繪靜止電荷的電場(chǎng)線。

當(dāng)電荷以恒定速度移動(dòng)時(shí)，電通量線呈徑向并指向內(nèi)部或外部。但是，它們并不是均勻分布的。

由于電荷的運(yùn)動(dòng)，部分靜電能將轉(zhuǎn)化為磁能，同心圓磁通線將沿著垂直于電荷運(yùn)動(dòng)方向的平面出現(xiàn)。

當(dāng)電荷加速時(shí)，電通量線呈放射狀，但會(huì)匯聚并集中在電荷附近。由于電荷的加速，電荷周圍的磁場(chǎng)將變得扭曲并以電磁輻射的形式****電磁能。

因此，每當(dāng)有加速充電時(shí)，一些能量就會(huì)以電磁波的形式損失掉。

以恒定速度運(yùn)動(dòng)的電子的電通量線和磁通量線。

磁場(chǎng)強(qiáng)度
磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是韋伯（Wb）。弱磁場(chǎng)的大小是麥克斯韋。1 個(gè)韋伯相當(dāng)于 10 8 個(gè)麥克斯韋。

磁場(chǎng)中磁力的強(qiáng)度是由某一時(shí)刻磁場(chǎng)的通量密度或強(qiáng)度決定的。某點(diǎn)的磁通密度是磁場(chǎng)中設(shè)定點(diǎn)處每平方米或每平方厘米的磁力線數(shù)。通量密度以單位測(cè)量，如特斯拉和高斯。

1 特斯拉的磁場(chǎng)強(qiáng)度定義為每平方米的 1 韋伯磁場(chǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度的一個(gè)高斯定義為每平方厘米磁場(chǎng)的一個(gè)麥克斯韋。1 特斯拉相當(dāng)于 10 4高斯。

磁導(dǎo)率、順磁性、鐵磁性和抗磁性
磁通線可以穿過所有材料。事實(shí)上，地球本身就是一塊巨大的磁鐵。沿地球南北極排列的條形磁鐵類似于沿條形磁鐵的北極和南極排列的鐵填料。

然而，不同的材料對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)不同。

• 順磁性材料在磁場(chǎng)中被磁化，如果該磁場(chǎng)被移除則消磁。

• 鐵磁材料被磁化，即使磁場(chǎng)被移除，它們也會(huì)保持磁化狀態(tài)。

• 抗磁性材料根本不會(huì)被磁場(chǎng)磁化。

當(dāng)順磁性或鐵磁性材料在磁場(chǎng)中自由保持時(shí)，它們將沿著磁通線排列，很像條形磁鐵的鐵填充物。當(dāng)抗磁性材料在磁場(chǎng)中自由保持時(shí)，它們將垂直于磁通線排列，與任何磁化相反。

當(dāng)磁通量線穿過順磁性和鐵磁性材料時(shí)，磁性強(qiáng)度會(huì)隨著它們靠近材料而增加。而當(dāng)磁通線穿過抗磁性材料時(shí)，磁性會(huì)隨著它們靠近材料而減弱。

大多數(shù)金屬是順磁性的，而大多數(shù)非金屬是抗磁性的。鐵、鎳、鈷和其他稀土金屬具有鐵磁性。這包括幾種鐵、鎳和稀土金屬與其他元素的合金（例如坡莫合金，它是一種鎳鐵磁性合金）和鐵氧體（由鐵、氧和其他元素制成的化合物）。磁石是一種天然存在的磁鐵，是鐵和氧的鐵氧體化合物。

磁導(dǎo)率是材料支持磁通量的能力，是材料響應(yīng)磁場(chǎng)可以獲得的磁化程度的指標(biāo)。例如，真空和空氣的導(dǎo)磁率是 1。鐵芯的導(dǎo)磁率范圍為 60 到 8000，具體取決于其純度。坡莫合金的磁導(dǎo)率可達(dá) 1,000,000。

磁性的成因
那么，為什么某些材料會(huì)受到磁場(chǎng)的影響而另一些則不會(huì)呢？

材料是由原子組成的。原子由帶正電的原子核組成，原子核被一個(gè)或多個(gè)帶負(fù)電的粒子（稱為電子）包圍。電子繞著自己的軸旋轉(zhuǎn)。

原子中的大多數(shù)電子成對(duì)存在，它們以相反的方向旋轉(zhuǎn)，從而抵消了它們的磁效應(yīng)。

當(dāng)具有相反自旋的電子放在一起時(shí)，沒有凈磁場(chǎng)，因?yàn)檎龢O和

如果未配對(duì)，原子或分子中的電子具有凈磁場(chǎng)，使其成為微觀磁鐵。順磁性和鐵磁性材料由具有不成對(duì)電子的原子或分子組成。

如果未成對(duì)電子暴露于垂直于其速度方向和磁場(chǎng)方向的磁力，則會(huì)導(dǎo)致未成對(duì)電子移動(dòng)，從而沿著施加的磁通量線產(chǎn)生磁場(chǎng)。本質(zhì)上，順磁原子的未成對(duì)電子響應(yīng)于外部磁場(chǎng)而重新排列并被吸引。

因此，當(dāng)未成對(duì)的電子在材料內(nèi)部產(chǎn)生凈磁場(chǎng)時(shí)，順磁性和鐵磁性材料可以在磁場(chǎng)中被磁化。

在抗磁性材料中，沒有不成對(duì)的電子。在原子中旋轉(zhuǎn)的電子會(huì)受到外加磁場(chǎng)的作用力，從而產(chǎn)生與外加磁場(chǎng)相反的弱磁場(chǎng)。這就是為什么當(dāng)抗磁性材料在磁場(chǎng)中自由保持時(shí)，它們會(huì)垂直于所施加的磁通量線的方向排列。

應(yīng)該注意的是，永磁體中的磁性也僅由于未成對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生。

保持力
保持力或剩磁是測(cè)量材料即使在移除外部磁場(chǎng)后仍保持磁化的能力。

當(dāng)移除施加的磁場(chǎng)時(shí)，順磁性材料會(huì)立即退磁，但鐵磁性材料即使在移除磁場(chǎng)后仍保持磁性。

保持性表示為材料在去除外部磁場(chǎng)后保留的磁通密度的百分比。因此，如果在施加外部磁場(chǎng)時(shí)，材料的磁通密度為“y”特斯拉，而在移除外部磁場(chǎng)后，它保持“x”特斯拉的磁通密度，則保持率為 100 * x/y .

電感
我們已經(jīng)知道，當(dāng)電流流過環(huán)狀導(dǎo)線時(shí)，會(huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)。每當(dāng)電流變化或改變方向時(shí)，該磁場(chǎng)都會(huì)通過感應(yīng)反極性電壓來(lái)阻止電流流動(dòng)。

換句話說，線圈以磁場(chǎng)形式存儲(chǔ)的能量被轉(zhuǎn)換回與電流大小或方向變化相反的電場(chǎng)。一種材料的屬性，通過它來(lái)阻止通過它的電流的大小或方向的任何變化，是電感。

電感的單位是亨利。當(dāng)通過線圈的電流以每秒 1 安培的速率變化時(shí)，電感是一個(gè)亨利，在線圈上感應(yīng)出 1 伏特的電壓。亨利是一個(gè)大單位。更典型的是，電感以毫亨或微亨表示。

電感在電子電路中可能是一種有用的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)用于在電路中提供電感的電子設(shè)備是電感器。

我們將在下一篇文章中詳細(xì)討論電感器及其信號(hào)行為。