基礎電子學(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?xún)Υ婊蚝纳⒛芰俊?/p>

我們已經(jīng)了解了電阻器和電容器的電氣特性，包括它們如何影響電路中的電流和電壓，以及它們的市售類(lèi)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備。電感是電感器以磁場(chǎng)形式儲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?chē)鷮σ苿?dòng)的電荷有影響的區域（吸引或排斥其他磁鐵或金屬的地方）是磁場(chǎng)。磁場(chǎng)在數學(xué)上被描述為矢量場(chǎng)。

磁場(chǎng)是看不見(jiàn)的，但通常被描述為磁通量線(xiàn)。通量線(xiàn)說(shuō)明了磁鐵周?chē)拇帕€(xiàn)。因此，磁力沿著(zhù)這些磁力線(xiàn)施加，該磁場(chǎng)的強度由磁力線(xiàn)的濃度決定。

在磁力線(xiàn)會(huì )聚（或靠得更近）的每個(gè)磁極附近，磁力也是最強的。

條形磁鐵周?chē)拇磐ň€(xiàn)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(guò)穿過(guò)垂直平面的直線(xiàn)。如果在平面上放置鐵填料等金屬，它們將在導線(xiàn)周?chē)纬梢粋€(gè)同心圓——這表明流過(guò)直導線(xiàn)的電流周?chē)袌A形的磁通線(xiàn)。

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

導線(xiàn)的環(huán)數越多，磁通線(xiàn)的數量越多，磁場(chǎng)越強。載流導線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)在導線(xiàn)附近也最強。

直的載流導線(xiàn)的磁通量線(xiàn)。

載流導線(xiàn)環(huán)的磁通量線(xiàn)。

當電荷靜止時(shí)，它們對相反的電荷施加靜電吸引力，對相同的電荷施加靜電排斥力。然而，當電荷運動(dòng)時(shí)，它們會(huì )對其他電荷施加磁力。

換句話(huà)說(shuō)，當電荷運動(dòng)時(shí)，它們的靜電力會(huì )轉化為磁力。磁性是由電荷的運動(dòng)引起的，被認為是電的一個(gè)特征。

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

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，因為磁通量線(xiàn)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，當電荷周?chē)拇帕€(xiàn)呈同心圓（例如單桿或無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)）時(shí)，施加磁力的移動(dòng)電荷可被視為單極子。

當電荷靜止時(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(xiàn)向內指向為負電荷或向外指向正電荷。固定電荷周?chē)鷽](méi)有磁場(chǎng)或磁通線(xiàn)。

描繪靜止電荷的電場(chǎng)線(xiàn)。

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

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

當電荷加速時(shí)，電通量線(xiàn)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?chē)拇艌?chǎng)將變得扭曲并以電磁輻射的形式****電磁能。

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

以恒定速度運動(dòng)的電子的電通量線(xiàn)和磁通量線(xiàn)。

磁場(chǎng)強度
磁場(chǎng)強度的單位是韋伯（Wb）。弱磁場(chǎng)的大小是麥克斯韋。1 個(gè)韋伯相當于 10 8 個(gè)麥克斯韋。

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

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

磁導率、順磁性、鐵磁性和抗磁性
磁通線(xiàn)可以穿過(guò)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(lèi)似于沿條形磁鐵的北極和南極排列的鐵填料。

然而，不同的材料對磁場(chǎng)的反應不同。

• 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(zhù)磁通線(xiàn)排列，很像條形磁鐵的鐵填充物。當抗磁性材料在磁場(chǎng)中自由保持時(shí)，它們將垂直于磁通線(xiàn)排列，與任何磁化相反。

當磁通量線(xiàn)穿過(guò)順磁性和鐵磁性材料時(shí)，磁性強度會(huì )隨著(zhù)它們靠近材料而增加。而當磁通線(xiàn)穿過(guò)抗磁性材料時(shí)，磁性會(huì )隨著(zhù)它們靠近材料而減弱。

大多數金屬是順磁性的，而大多數非金屬是抗磁性的。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。

磁導率是材料支持磁通量的能力，是材料響應磁場(chǎng)可以獲得的磁化程度的指標。例如，真空和空氣的導磁率是 1。鐵芯的導磁率范圍為 60 到 8000，具體取決于其純度。坡莫合金的磁導率可達 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)帶負電的粒子（稱(chēng)為電子）包圍。電子繞著(zhù)自己的軸旋轉。

原子中的大多數電子成對存在，它們以相反的方向旋轉，從而抵消了它們的磁效應。

當具有相反自旋的電子放在一起時(shí)，沒(méi)有凈磁場(chǎng)，因為正極和

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

如果未成對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 )導致未成對電子移動(dòng)，從而沿著(zhù)施加的磁通量線(xiàn)產(chǎn)生磁場(chǎng)。本質(zhì)上，順磁原子的未成對電子響應于外部磁場(chǎng)而重新排列并被吸引。

因此，當未成對的電子在材料內部產(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(méi)有不成對的電子。在原子中旋轉的電子會(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(xiàn)的方向排列。

應該注意的是，永磁體中的磁性也僅由于未成對電子的運動(dòng)而發(fā)生。

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

當移除施加的磁場(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，當電流流過(guò)環(huán)狀導線(xiàn)時(shí)，會(huì )感應出磁場(chǎng)。每當電流變化或改變方向時(shí)，該磁場(chǎng)都會(huì )通過(guò)感應反極性電壓來(lái)阻止電流流動(dòng)。

換句話(huà)說(shuō)，線(xiàn)圈以磁場(chǎng)形式存儲的能量被轉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(guò)它來(lái)阻止通過(guò)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。當通過(guò)線(xiàn)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(xiàn)圈上感應出 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象。設計用于在電路中提供電感的電子設備是電感器。

我們將在下一篇文章中詳細討論電感器及其信號行為。