前面我们介绍的自感也叫电感。下面我们介绍另一个重要的变量互感。
那么为什么要研究互感呢?是因为吃的蟹可以在空中穿越,包括空气和临近的介质。两个或多个靠的比较近的磁元件,或多匝线圈供绕的磁元件,其中一个线圈产生的磁力线可以进入另一个磁芯中或匝链多线圈磁元件的另外线圈,并在另一个线圈中产生感应电动势,为了表达这个概念和量的大小,引入互感物理量。
下面我们来研究互感的几个特性。
第一个,线圈之间的互感。
为了表述方便起见,我们先定义磁芯当中的磁力线也就磁通Φ,那么他有两个下标,它的第一位下标也就下标1是表示产生电流的线圈的标号,第二位下标是表示产生的磁力线所磁链的线圈的标号。那么如图所示Φ11表示1号线圈N1线圈电流i1产生的,它的磁力线是磁链了N2线圈。Φ12表示1号线圈电流i1一产生的磁力线,而磁链的对象是N2线圈,所以用Φ12表示。同样Φ21表示 N2线圈的电流i2二产生的磁力线,而磁链了 N1线圈。Φ22表示N2线圈电流产生的磁力线磁链了N2线圈。那么这个表示有线圈产生的磁力线,其中Φ12和Φ21都是互感磁力线。
第二个重要的参数,互感系数。
请看公式
是表示线圈N1和N2之间的互感系数。那么产生磁力线的电流是i1,而磁力线匝链的线圈是N2。那么匝链的磁链用ψ12表示,所以
我们再看下面这个公式
产生互感磁链的电流是通过N2斜曲的电流i2,而磁力线磁链圈是N1线圈,所以这个匝链的磁链为ψ21,所以定义
。
根据前面的分析,M12和M21的定定义,那么通常M12和M21是不相等的。我们取它的几何平均数
我们称M为这两个线圈的互感系数,简称互感。
前面介绍了互感的意义,下面以环形线圈的互感为例进行分析。
先看右图,是在一个环形磁芯上,绕有匝数为N1和N2的两个线圈,磁芯的平均截面积为A,磁芯的平常周长l=2πr,两个线圈分别通i1和i2的电流,那么由有N1线圈产生的磁链匝链了N2线圈的磁链为ψ12,这M12等于由i1产生的,所以
经过推导以后
。从公式当中我们可以得到互感的话除了线圈的匝数、磁导率和线圈的结构是成关系,同样的道理可以得到
对于环形线圈这样的互感,它的M12和M21是相等的。
前面我们研究了环形线圈的互感,那么决定互感大小的因素有哪些呢?
我们通过分析有4个方面的因素。第一个,两线圈的匝数;第二个,线圈的几何尺寸;第三个,线圈间的相互位置;第4个,磁介质。我们从互感公式
可以得出上面4个结论。
需要注意的是,当磁性材料作为耦合磁介质时,由于磁导率不是常数,那么互感也不是常数。第二个,如果磁介质为非磁性材料像空气、木棒等,那么他们的互感作为常数。
前面我们讨论了互感,下面我们来研究互感电动势。
假设N1中的电流在线圈N2中产生的互感电动势称为
那么
其中
是N1中的电流在N2中产生的互感的磁链,那么线圈N2中的电流在线圈N1中产生的互感电动势,以此类推可以得到
其中
。
前面我们研究了互感电动势,下面我们来研究互感电路。主要是要推导电压平衡方程式。
请看右上角的图是一个同一个磁路里面绕了两个线圈N1和N2。
几种情况,先讨论两个电流从同名端流入的情况,产生的磁通方向相同。
那么我们看左下角的图,u1除了自感以外还有N2线圈通路i2电流以后对它产生的互感
所以
而第二个线圈u2的电压是怎样呢
大家关注的第二项
和
是另一个线圈对本线圈的影响。
下面我们看第二种情况,电流从异名端流入,自感电势与互感电势方向相反。
那么第一路线圈N1上的端电压
另一个线圈它的端电压
因此当电流从异名端流入的时候,另一个线圈对于本线圈产生的互感和原来的自感方向是抵消的,名端流入的时候端电压是减小的。
需要注意的是如果一个线圈中流过直流电流,即耦合的磁通不会发生变化,则在另一个线圈中是不会产生互感电动势的。因此我们在讨论互感电动势的时候,必须考虑流入的线圈的电流是发生变化的,才有互感电动势。