自感和RL电路是怎么回事
硬件工程师笔记 2023-03-16

自感与RL电路。如果有一个电路并通入电流,就相当于制造了一个磁场。如果电流变化,磁场也会变化,那么电路就会产生感应电动势EMF来抵抗这种改变(楞次定律);我们用自感来描述电路抵抗它自己产生的磁通量变化的能力。任何电路都会有自感,即使一个简单回路,只用导线绕一圈,它都会产生磁场,总会有磁通量;或大或小,但绝不为零。


自感。自感是它对自己的作用,由于电流产生的磁通量总和电流大小有关,电流加倍磁通量加倍,所以我们把磁通量与电流的比例系数定义为L,即自感;自感不是电流的函数,它只跟几何形状有关。一个数例,N=2800,r=5cm,l=0.6m,它的自感L=0.1H。


RL电路。t=0,开关闭合,电流想要增长(磁场增大),但自感说“不要着急啊”(楞次定律)。自感开始和流过它并试图增大的电流做斗争,会有一个时刻自感放弃抵抗,束手就擒,如果等得够久的话;此时电流达到最大值。所以回路中的电流是慢慢升到最大值的。


“So sad,and embarrassing”,“几乎读到的每一本电路书在求解RL电路上都错了,他们建议用基尔霍夫定律,而不是法拉第定律”,因为KVL是电场沿着电路的闭合路径积分为0,但是当有磁通量变化时,它是不可能是0的,它只能是-L*di/dt。那么,我们绕着简单的RL电路绕一圈,写E*dl对闭合回路的积分。从电池正极开始,沿着电流方向:首先遇到电感,假设电感无内阻(超导体材料),那么它的电势差为0——“这就是常见电路书错误的原因,自感中没有内阻,两端电势差是0”。电阻的电势差为IR,电池因为内部电场方向和电流方向相反,所以它是-V。这是电场对电路闭合回路的积分,它整个等于-L*di/dt(负号就是楞次定律的全部含义)。0+IR-V=-L*di/dt,这就是RL电路中应用法拉第定律唯一正确的方式。经常在课本上的看到的是IR-V+L*di/dt=0,但这不是基尔霍夫定律的应用,虽然方程结果是对的,但物理含义错误。现在要对电路电源短路,当I=Imax时。此时楞次又出来了,电流想减小,可自感不同意,它想要反抗这种改变;于是电流是慢慢下降到0的。这种一阶线性微分方程,应该用可分离变量方法能搞定;我试着用以前看过的二阶线性微分方程的特征方程解法,没把常数解出来,懒得查书了,这种方法应该也可以,毕竟“知道了特征方程就知道了电路的一切”。



电感储存的能量。当I=Imax时,对电源短路,电流不是一下子变成0,它是慢慢下降到0的。所以电阻会产生热量,可通过算电阻消耗的热量推算出电感储存的能量,即1/2*L*I^2。同是储能元件,电感和电容比较相似:电感由于楞次定律要抵抗电流的变化,所以它必须做功,电容是把两个相反电荷挪开一定距离,所以它也必须做功。


当RL电路用AC驱动,即V=V0*coswt时。理解下求解方程后的结果,希望变得直观。a.最大电流为V0/sqrt(R^2+(wl)^2),因为cos总在±1之间振荡;b.只看分母sqrt(R^2+(wl)^2),wl单位是欧姆,扮演电阻角色。如果w大、wl会变大,电流会变小,是因为di/dt会很大,那么EMF会变大,电流会变小;如果L变大、wl同样变大,电流也会变小,是因为L*di/dt变大,EMF变大,电流变小。C.看下相位角tanφ=wl/R,w或者l变大,感应电动势EMF=L*di/dt就会变大,自感抵抗电流增大的能力会变强,电流滞后电压就会越多。


……可能画PCB常会听到的不要弄个环出来(天线),就跟电磁感应有关系。因为如果电路板周围有变化的磁场,这个环会有感应电动势,会有涡流,来阻止磁场改变;用最小接地环测电源纹波也是一样的道理。


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