純電感電路中電壓與電流的關系解析

　　電感簡介：

　　電感（電感線圈）是用絕緣導線繞制而成的電磁感應元件，也是電子電路中常用的元器件之一。電感是用漆包線、紗包線或塑皮線等在絕緣骨架或磁心、鐵心上繞制成的一組串聯的同軸線匝，它在電路中用字母“L”表示，主要作用是對交流信號進行隔離、濾波或與電容器、電阻器等組成諧振電路。

　　電感器結構

　　1、骨架 骨架泛指繞制線圈的支架。一些體積較大的固定式電感器或可調式電感器（如振蕩線圈、阻流圈等），大多數是將漆包線（或紗包線）環繞在骨架上，再將磁心或銅心、鐵心等裝入骨架的內腔，以提高其電感量。骨架通常是采用塑料、膠木、陶瓷制成，根據實際需要可以制成不同的形狀。小型電感器（例如色碼電感器）一般不使用骨架，而是直接將漆包線繞在磁心上?？招碾姼衅鳎ㄒ卜Q脫胎線圈或空心線圈，多用于高頻電路中）不用磁心、骨架和屏蔽罩等，而是先在模具上繞好后再脫去模具，并將線圈各圈之間拉開一定距離。

　　2、繞組 繞組是指具有規定功能的一組線圈，它是電感器的基本組成部分。繞組有單層和多層之分。單層繞組又有密繞（繞制時導線一圈挨一圈）和間繞（繞制時每圈導線之間均隔一定的距離）兩種形式；多層繞組有分層平繞、亂繞、蜂房式繞法等多種。

　　3、磁心與磁棒 磁心與磁棒一般采用鎳鋅鐵氧體（NX系列）或錳鋅鐵氧體（MX系列）等材料，它有“工”字形、柱形、帽形、“E”形、罐形等多種形狀。

　　4、鐵心 鐵心材料主要有硅鋼片、坡莫合金等，其外形多為“E”型。

　　5、屏蔽罩 為避免有些電感器在工作時產生的磁場影響其它電路及元器件正常工作，就為其增加了金屬屏幕罩（例如半導體收音機的振蕩線圈等）。采用屏蔽罩的電感器，會增加線圈的損耗，使Q值降低。

　　6、封裝材料 有些電感器（如色碼電感器、色環電感器等）繞制好后，用封裝材料將線圈和磁心等密封起來。封裝材料采用塑料或環氧樹脂等。

　　純電感電路中電壓與電流間的數量關系

　　由于電阻很小的線圈組成的交流電路，可以近似地看成是一個純電感電路。

　　在直流電路中，影響電流跟電壓關系的只有電阻。在交流電路中，情況要復雜一些，影響電流跟電壓關系的，除了電阻，還有電感和電容。

　　電感對交流電的阻礙作用。為什么電感對交流電有阻礙作用呢？交流電通過電感線圈時，電流時刻在改變，電感線圈中必然產生自感電動勢，阻礙電流的變化，這樣就形成了對電流的阻礙作用。在電工技術中，變壓器、電磁鐵等的線圈，一般是用銅線繞的。銅的電阻率很小，在很多情況下，線圈的電阻比較小，可以略去不計，而認為線圈只有電感。只有電感的電路叫純電感電路。

　　在純電感電路中，電流強度跟電壓成正比，即I∝U.用1/（XL）作為比例恒量，寫成等式，就得到I=U/（XL）這就是純電感電路中歐姆定律的表達式。把這個表達式跟I=U/R比，可以看出XL相當于電阻R。XL表示出電感對交流電阻礙作用的大小，叫做感抗，它的單位也是歐姆。

　　線圈的感抗XL跟自感系數L和交流電的頻率f間有如下的關系：

　　XL=2лfL

　　由于1亨=1伏·秒／安，1亨／秒=1伏／安=1歐，因此上式中的XL、f、L的單位應分別用歐姆、赫茲、亨利。

　　電阻是由導體本身的電阻率、長度和橫截面積決定的，跟通過的電流無關。XL=2лfL說明，感抗卻跟通過的電流的頻率有關。例如，自感系數是1亨的線圈，對于直流電，f=0，XL=0；對于50赫的交流電，XL=314歐；對于500千赫的交流電，XL=3.14兆歐。所以電感線圈在電路中有“通直流、阻交流”或“通低頻、阻高頻”的特性。在電工和電子技術中，用來“通直流、阻交流”的電感線圈，叫低頻扼流圈。線圈繞在閉合的鐵心上，匝數為幾千甚至超過一萬，自感系數為幾十亨。這種線圈對低頻交流電就有很大的阻礙作用。用來“通低頻、阻高頻”的電感線圈，叫高頻扼流圈。線圈有的繞在圓柱形的鐵氧體心上，有的是空心的，匝數為幾百，自感系數為幾個毫亨。這種線圈對低頻交流電的阻礙作用較小，對高頻交流電的阻礙作用很大。

　　電感對交流電的阻礙作用。為什么電感對交流電有阻礙作用呢？交流電通過電感線圈時，電流時刻在改變，電感線圈中必然產生自感電動勢，阻礙電流的變化，這樣就形成了對電流的阻礙作用。在電工技術中，變壓器、電磁鐵等的線圈，一般是用銅線繞的。銅的電阻率很小，在很多情況下，線圈的電阻比較小，可以略去不計，而認為線圈只有電感。只有電感的電路叫純電感電路。

　　在純電感電路中，電流強度跟電壓成正比，即I∝U.用1/（XL）作為比例恒量，寫成等式，就得到I=U/（XL）這就是純電感電路中歐姆定律的表達式。把這個表達式跟I=U/R比，可以看出XL相當于電阻R。XL表示出電感對交流電阻礙作用的大小，叫做感抗，它的單位也是歐姆。

　　線圈的感抗XL跟自感系數L和交流電的頻率f間有如下的關系：

　　XL=2лfL

　　由于1亨=1伏·秒／安，1亨／秒=1伏／安=1歐，因此上式中的XL、f、L的單位應分別用歐姆、赫茲、亨利。

　　電阻是由導體本身的電阻率、長度和橫截面積決定的，跟通過的電流無關。XL=2лfL說明，感抗卻跟通過的電流的頻率有關。例如，自感系數是1亨的線圈，對于直流電，f=0，XL=0；對于50赫的交流電，XL=314歐；對于500千赫的交流電，XL=3.14兆歐。所以電感線圈在電路中有“通直流、阻交流”或“通低頻、阻高頻”的特性。在電工和電子技術中，用來“通直流、阻交流”的電感線圈，叫低頻扼流圈。線圈繞在閉合的鐵心上，匝數為幾千甚至超過一萬，自感系數為幾十亨。這種線圈對低頻交流電就有很大的阻礙作用。用來“通低頻、阻高頻”的電感線圈，叫高頻扼流圈。線圈有的繞在圓柱形的鐵氧體心上，有的是空心的，匝數為幾百，自感系數為幾個毫亨。這種線圈對低頻交流電的阻礙作用較小，對高頻交流電的阻礙作用很大。

　　交流電路中，純電感電路的電壓和電流的相位相差90°，所以在電阻、電感（即線圈，略掉了線圈直流電阻的影響））串聯的電路中，其電抗Rx（即總的電阻）與電阻R。感抗RL（RL=2πfL）的關系是Rx=√（R^2+RL^2），則總電壓V與電阻上的電壓VR和電感上的電壓VRL關系也滿足這個關系，即V=√（VR^2+VRL^2）。

　　交流電路電感電流與電壓相位的關系

　　電感電壓比電流超前90°（或π/2），即電感電流比電壓滯后90°，如何理解這句話呢，可以作以下解釋

　　電感電路電壓與電流的關系是通過磁通來聯系起來的，u=NdΦ/dt，NΦ=Li，N是線圈匝數，L是線圈的電感，對固定線圈是一個常數，以上兩個公式可推導出u=Ldi/dt，這個公式的意義就是變化的電流產生了電壓，也可以說是變化的電壓產生了電流，數量上的關系就是電壓等于電流的變化率，就是斜率，電壓的最高點電流為零，電流的最高點電壓為零，就是那一時刻電流或電壓的變化率為零，切線與X軸是平行，電流或電壓沒有變化，所以電壓或電流就是零。

　　根據磁慣性的概念，“磁場慣性”導致電感上的電流滯后于電壓：電感上的電流滯后于電壓的物理意義，是電流通過線圈（電感）時要形成新的磁場，當新磁場建立的時候，老磁場的磁慣性會阻礙新磁場建立，即阻礙電流流過。所以當電壓加上去以后，電流不能馬上形成，需要電流通過一段時間來克服磁慣性，所以就產生了滯后現象。而滯后90度，則是因為電壓在90度時開始翻轉，即電壓方向發生改變，就導致電流的改變滯后了90度。