大學(xué)物理課件電感元件三、教學(xué)節(jié)奏與方式 第二部教學(xué)內(nèi)容一、電感元件的根本知識(shí)和實(shí)物圖1．電感元件的根本知識(shí)電感元件的根本知識(shí)，見表3-1。表3-1 電感元件的根本知識(shí)③頻率特性。電感對正弦交流電的阻礙作用稱作感抗。通常用符號(hào)XL表示，即XL=L=2fL。式中，頻率f的單位為赫，電感L的單位為亨，感抗XL的單位為歐。從公式中可以看出，電感量越大，感抗也就越大。如果交流電頻率大那么電流的變化率也大，感抗隨著頻率的增大而增大。交流電中的感抗和交流電的頻率與電感量成正比。這說明，同一電感元件〔L一定〕，對于不同頻率的交流電所呈現(xiàn)的感抗是不同的，這是電感元件和電阻元件不同的地方。頻率高，電感的阻礙作用就大。電感量大，交流電難以通過繞組。在實(shí)際應(yīng)用中，繞組的電感起著“通直流，阻交流〞或“通低頻，阻高頻〞的作用，因而在交流電路中常用感抗的特性來旁通低頻及直流電，阻止高頻及交流電2．常用電感元件的實(shí)物圖及電路圖形符號(hào)常用電感元件的實(shí)物圖及電路圖形符號(hào)見表3-2。表3-2 電感性元件的實(shí)物圖與電路圖形符號(hào)二、電感元件的分類在電工和電子元器件中，電感線圈的種類很多，可按電感形式和結(jié)構(gòu)、導(dǎo)磁體性質(zhì)、工作性質(zhì)、繞線結(jié)構(gòu)和電磁感應(yīng)原理分類。其詳細(xì)的分類如圖3-1所示。圖3-1

電感元件的分類圖3-1電感元件的分類四、電感元件在電工和電子方面的應(yīng)用在學(xué)習(xí)電工電子技術(shù)時(shí)，特別要注意電路的原理、設(shè)計(jì)和計(jì)算，但是假設(shè)對電子元器件特性、參數(shù)缺乏了解，即便懂得了原理，做出合理的設(shè)計(jì)，恐怕也難以在實(shí)際制作中獲得成功。這樣的例子不僅在許多業(yè)余無線電愛好者中是常見的，而且在專業(yè)無線電工作者中也時(shí)有發(fā)生。電感線圈的自感現(xiàn)象和互感現(xiàn)象已被廣泛地應(yīng)用于無線電技術(shù)、電磁測量技術(shù)及傳感器中，在電工和電子電路中也有許多應(yīng)用，如日光燈的鎮(zhèn)流器，電力變壓器、電動(dòng)機(jī)的線圈，發(fā)電機(jī)的線圈，電視機(jī)、收錄機(jī)中的扼流圈與中頻變壓器以及自動(dòng)化儀器的延時(shí)器等。1．電工方面的應(yīng)用〔1〕工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的變壓器變壓器是根據(jù)互感原理制造而成的。在電力電路中，變壓器主要將高壓交流電壓變換成低壓交流電壓，也可以說通過變壓器將電路電壓升高。實(shí)現(xiàn)了電能傳輸。如果變壓器接入直流電路，那么在鐵芯中不會(huì)產(chǎn)生交變的磁通量，沒有互感現(xiàn)象出現(xiàn)，所以變壓器僅工作于交流電路中。跟電源連接的繞組叫原邊繞組，也叫初級(jí)繞組，跟負(fù)載連接的繞組叫副邊繞組，也叫次級(jí)繞組，兩個(gè)繞組由絕緣導(dǎo)線繞制，鐵芯由涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。變壓器的工作原理和電路圖形符號(hào)如圖3-2所示。圖3-2變壓器的工作原理和電路圖形符號(hào)〔2〕感應(yīng)圈感應(yīng)圈是工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中用直流電源獲得高壓的一種裝置。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火器就是一個(gè)感應(yīng)圈，它所產(chǎn)生的高壓放電火花，能把汽缸內(nèi)的混合氣體點(diǎn)燃。感應(yīng)圈的工作原理如圖3-3所示。閉合電鍵S，使電流通過初級(jí)線圈，鐵芯因被磁化而吸引小鐵錘M，使M與螺釘D別離，電路重被切斷。電路一旦被切斷，鐵芯的磁性消失，M在彈簧片的彈力作用下又重新和D相接觸，于是電路重新被接通。這樣，由于斷續(xù)器的作用，初級(jí)線圈電路的接通和斷開將自動(dòng)地反復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致初級(jí)線圈中的電流不斷地變化，這樣，通過互感在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。由于次級(jí)線圈的匝數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于初級(jí)線圈的匝數(shù)，因此在次級(jí)線圈中能獲得高達(dá)1萬到幾萬伏的電壓。這樣高的電壓，足以使ab間產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象。圖3-3感應(yīng)圈的工作原理圖2．電子方面的應(yīng)用〔1〕電感濾波器電感濾波電路就是利用電感的頻率特性制作而成的。由于電感線圈的電感量要足夠大，因此一般需要采用有鐵芯的線圈。因?yàn)橛需F芯，自感線圈的交流阻抗很大，直流電阻很小，所以把鐵芯線圈串聯(lián)在電路中，可起到濾波作用。輸入電壓的交流成分大局部降在鐵芯線圈上，而直流局部那么通過鐵芯線圈加在負(fù)載上。這種濾波電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出特性好，輸出電壓變動(dòng)小，不會(huì)對整流二極管產(chǎn)生電流沖擊，適用在一些功率較大、負(fù)載變動(dòng)大的場合。電感濾波電路及波形如圖3-4所示。圖3-4電感濾波電路及波形在大電流的情況下，由于負(fù)載電阻RL很小。假設(shè)采用電容濾波電路，那么電容容量勢必很大，而且整流二極管的沖擊電流也非常大，在此情況下應(yīng)采用電感濾波電路?！?〕收音機(jī)中頻變壓器收音機(jī)中頻變壓器俗稱中周，它們的實(shí)物圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。變頻級(jí)輸出的中頻電壓，通過中頻變壓器耦合到中放級(jí)加以放大，放大后再由中頻變壓器耦合到檢波級(jí)去檢波。因?yàn)橹蓄l是一個(gè)預(yù)先選好了的固定頻率，所以中頻變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈，都可以預(yù)先調(diào)準(zhǔn)在固定的中頻上。調(diào)幅播送為了要得到良好的音質(zhì)，一般是在中心頻率10kHz的頻圖3-5收音機(jī)中頻變壓器率范圍內(nèi)播送的。因此，一般要求中頻變壓器的通頻帶最好能包括這個(gè)頻率范圍，而在通頻帶以外的信號(hào)要迅速衰減，這樣收音機(jī)才能有良好的聲音保真度和選擇性。此外，中頻變壓器要有較大的增益，以保證收音機(jī)的靈敏度。半導(dǎo)體收音機(jī)用的中頻變壓器一般為三個(gè)，內(nèi)部線圈的圈數(shù)和繞法各不相同，使用時(shí)不要弄錯(cuò)，更不要與振蕩線圈混淆，因?yàn)檎袷幘€圈與中頻變壓器外形是相同的，所以最好的方法是以顏色來區(qū)分：黑色磁芯→振蕩線圈、紅色磁芯→第一中放、白色磁芯→第二中放、綠色磁芯→第一中放。〔3〕中波天線線圈和短波天線線圈①單層密繞中波天線線圈，也稱作磁棒天線線圈。它是利用電磁感應(yīng)原理，制作成中波天線線圈，用來接收無線電電磁波的。中波天線由一個(gè)鐵氧體磁棒和線圈組成，磁棒對無線電電磁波的吸收能力很強(qiáng)。磁力線通過它就好似很多棉紗線被一個(gè)鐵箍束得很緊一樣，因此，線圈那么是原邊圈數(shù)多，副邊圈數(shù)少，在線圈內(nèi)能夠感應(yīng)出比較高的高頻電壓，所以磁性天線兼有放大高頻信號(hào)的作用。此外，磁性天線還有較強(qiáng)的方向性，能夠提高收音機(jī)的抗干擾能力。為了求得較高的Q值，降低在高頻情況下由于趨膚效應(yīng)和因其他因素影響而產(chǎn)生的損耗，實(shí)驗(yàn)證明用多股線比用單股線繞制的線圈，在靈敏度和選擇性上都有比較明顯的提高。通常多采用多股紗包漆包線，如用直徑為0.05mm的13根線絞成一根后繞制〔常用7×0.07mm或15×0.05mm的漆包線〕。股數(shù)再增多，性能提高并不明顯；再減少，Q值就有所下降了。②單層間繞的短波線圈是用直徑為1～1.5mm、匝間距離為2～2.5mm的漆包線繞制而成的。如收音機(jī)設(shè)計(jì)為中波、短波都能接收時(shí)，需將兩波段線圈的繞組分別套在磁棒的兩端，如圖3-6〔b〕所示。磁性天線接收信號(hào)的能力與磁棒的長度L及截面積的大小有關(guān)。圖3-6中波線圈和短波線圈③中、短波線圈在磁棒上的位置。一般是將線圈的中心對正離磁棒一端約為磁棒全長〔L〕的l/4處，如圖3-6所示，然后在調(diào)整收音機(jī)時(shí)再稍微向左右移動(dòng)，使收音機(jī)音量最大。調(diào)整時(shí)不應(yīng)直接用手去調(diào)，最好用絕緣良好的無感塑料小棒去調(diào)，人體的感應(yīng)很大，影響調(diào)整。④中、短波線圈在磁棒上的繞向和引出頭的位置對收音機(jī)的接收效果有一定的影響。中、短波天線電路如圖3-7所示。圖3-7中波天線電路和短波天線電路如圖3-7〔a〕所示，L1為初級(jí)線圖，L2為次級(jí)線圈。線圈L1的①端和L2的③端均為熱端〔不接地〕，②端及④端為冷端〔接地〕。④端顯然是通過電容C2接地，但C2對高頻電流阻抗很小，所以幾乎是直接接地。這兩線圈在磁棒上繞制時(shí)，線圈L2的③端要和L1的①端對應(yīng)，即都從磁棒的同一端開始繞〔如圖3-9所示〕，或者說，熱端和熱端在一邊，冷端和冷端在一邊，并且兩線圈繞的方向要一致。引出頭位置如果接反或繞反時(shí)，收音機(jī)的靈敏度將會(huì)有所下降。接收短波時(shí)，圖3-7〔b〕中初級(jí)線圈L3的⑤、⑥端和次級(jí)線圈L4的⑦、⑧端也要互相對應(yīng)。除了電感器外，還有許多種電感元件，被廣泛應(yīng)用在電子線路和電力系統(tǒng)中。電力系統(tǒng)中用的變壓器、互感器、接觸器、繼電器都是電感元件；電子線路中的中頻變壓器、天線變壓器也是電感元件。五、分布電感在電路中，由于導(dǎo)線布線和元器件的分布而存在的電感叫分布電感。例如，電解電容是兩層薄膜卷起來的，這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)都具有一定的電感，它對電路的影響等效于給電路串聯(lián)上一個(gè)電感器，這個(gè)電感值就是分布電感。根據(jù)前面所講的電感器的頻率特性，可以知道由于分布電感的數(shù)值一般不大，在低頻交流電路中，分布電感的感抗很小，對電路的影響不大，因此在低頻交流電路中，一般可以不考慮分布電感的影響，但對于高頻交流電路，分布電感的影響就不能忽略了。1．線繞精密電阻和電位器的分布參數(shù)〔分布電容和分布電感〕由于線繞精密電阻和電位器存在分布參數(shù)，所以線繞精密電阻和電位器的匝數(shù)較多時(shí)，往往采用無感繞制法繞制，即正向繞制的匝數(shù)和反向繞制的匝數(shù)相同，以盡量減小分布電感。2．傳輸電纜的分布參數(shù)可以把一條傳輸電纜看成是由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路，如圖3-8所示。3．印制板引線的分布參數(shù)對高頻電路印制板上的引線來說，它的分布電感不容無視。去除這些分布電感影響，可以加寬電源線和地線以減少電源線和地線的阻抗。圖3-8傳輸電纜等效電路圖4．接插件的分布參數(shù)線路板上的接插件，有520nH的分布電感。雙列直插的引腳集成電路插座，有4～18nH的分布電感。5．電容器的分布參數(shù)實(shí)際中的電容器與“理想〞電容器不同，“實(shí)際〞電容器由于其封裝、材料等方面的影響，使其只具備電感、電阻的一個(gè)附加特性。單片陶瓷電容器具有很低的等效串聯(lián)電感，即具備很寬的退耦頻段，所以比較適合用作高頻電路的退耦電容。綜上所述，這些小的分布參數(shù)對于在較低頻率的電路中是可以忽略不計(jì)的；而在高頻電路中那么必須予以注意。第三局部教師演示一、自感現(xiàn)象的演示1．通電自感在如圖3-9所示的實(shí)驗(yàn)中，先閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RP的阻值，使同樣規(guī)格的兩個(gè)燈A1和A2的明亮程度相同，再調(diào)節(jié)變阻器RP1，使兩個(gè)燈都正常發(fā)光。然后斷開開關(guān)S；再接通電路觀察，跟變阻器R串聯(lián)的燈A2與跟有鐵芯的線圈L串聯(lián)的燈A1比照兩燈點(diǎn)亮的過程有何不一樣，并說明原因。2．?dāng)嚯娮愿性谌鐖D3-10所示的實(shí)驗(yàn)中，把燈A和帶鐵芯的線圈L并聯(lián)在直流電路中，接通電路，燈A正常發(fā)光，再斷開電路，觀察燈A是否同時(shí)熄滅，并解釋看到的現(xiàn)象。

圖3-9 圖3-10二、互感現(xiàn)象的演示如圖3-11所示，自耦調(diào)壓器的鐵芯上只有一個(gè)繞組為N1，原、副繞組是共用的，副繞組N2是原繞組的一局部，它可以輸出連續(xù)可調(diào)的交流電壓。調(diào)節(jié)滑動(dòng)端的位置，就改變了N2，即改變了輸出電壓U2。在使用前，將手柄上的指針調(diào)至輸出電壓為零。演示時(shí)，接通電源后，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)手柄調(diào)節(jié)