基礎電子學系列17 – 磁學、電磁學和電感

在前面的教程中，我們討論了電子元器件的兩種被動特性，電阻和電容，以及它們的電子元器件，電阻和電容。無源元件無法產生能量，但可以儲存或耗散能量。

我們已經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，以及它們的市售類型。然而，還有另一種無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，首先要理解磁學和電磁學。

磁性
磁鐵有兩個磁極。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。磁鐵還會吸引某些金屬，例如鐵。

磁鐵周圍對移動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。磁場在數學上被描述為矢量場。

磁場是看不見的，但通常被描述為磁通量線。通量線說明了磁鐵周圍的磁力線。因此，磁力沿著這些磁力線施加，該磁場的強度由磁力線的濃度決定。

在磁力線會聚（或靠得更近）的每個磁極附近，磁力也是最強的。

條形磁鐵周圍的磁通線圖。

電磁學
電和磁是相互聯系的。電流和磁場的相互作用就是電磁。

例如，讓我們想象電流流過穿過垂直平面的直線。如果在平面上放置鐵填料等金屬，它們將在導線周圍形成一個同心圓——這表明流過直導線的電流周圍有圓形的磁通線。

相反，如果導線的形狀像一個環，則電流的磁通線將更類似于條形磁鐵的磁通線。條形磁鐵通常呈矩形，兩端各有磁極。

導線的環數越多，磁通線的數量越多，磁場越強。載流導線周圍的磁場在導線附近也最強。

直的載流導線的磁通量線。

載流導線環的磁通量線。

當電荷靜止時，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，當電荷運動時，它們會對其他電荷施加磁力。

換句話說，當電荷運動時，它們的靜電力會轉化為磁力。磁性是由電荷的運動引起的，被認為是電的一個特征。

由于電荷始終相互施加靜電力或磁力，可以說電能、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，磁鐵有兩個相反的磁極。偶極子是指一對相反的磁極，而單極子是一個孤立的磁極。從技術上講，單極子不存在，因為磁通量線總是連接閉環中的兩個相反的磁極（如在條形磁鐵中）。

但是，當電荷周圍的磁力線呈同心圓（例如單桿或無線電天線）時，施加磁力的移動電荷可被視為單極子。

當電荷靜止時，它會施加徑向均勻分布在各個方向的靜電力。這種均勻分布的徑向電場線向內指向為負電荷或向外指向正電荷。固定電荷周圍沒有磁場或磁通線。

描繪靜止電荷的電場線。

當電荷以恒定速度移動時，電通量線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，部分靜電能將轉化為磁能，同心圓磁通線將沿著垂直于電荷運動方向的平面出現。

當電荷加速時，電通量線呈放射狀，但會匯聚并集中在電荷附近。由于電荷的加速，電荷周圍的磁場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，一些能量就會以電磁波的形式損失掉。

以恒定速度運動的電子的電通量線和磁通量線。

磁場強度
磁場強度的單位是韋伯（Wb）。弱磁場的大小是麥克斯韋。1 個韋伯相當于 10 8 個麥克斯韋。

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

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

磁導率、順磁性、鐵磁性和抗磁性
磁通線可以穿過所有材料。事實上，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，不同的材料對磁場的反應不同。

• 順磁性材料在磁場中被磁化，如果該磁場被移除則消磁。

• 鐵磁材料被磁化，即使磁場被移除，它們也會保持磁化狀態。

• 抗磁性材料根本不會被磁場磁化。

當順磁性或鐵磁性材料在磁場中自由保持時，它們將沿著磁通線排列，很像條形磁鐵的鐵填充物。當抗磁性材料在磁場中自由保持時，它們將垂直于磁通線排列，與任何磁化相反。

當磁通量線穿過順磁性和鐵磁性材料時，磁性強度會隨著它們靠近材料而增加。而當磁通線穿過抗磁性材料時，磁性會隨著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，為什么某些材料會受到磁場的影響而另一些則不會呢？

材料是由原子組成的。原子由帶正電的原子核組成，原子核被一個或多個帶負電的粒子（稱為電子）包圍。電子繞著自己的軸旋轉。

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，沒有凈磁場，因為正極和

如果未配對，原子或分子中的電子具有凈磁場，使其成為微觀磁鐵。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方向的磁力，則會導致未成對電子移動，從而沿著施加的磁通量線產生磁場。本質上，順磁原子的未成對電子響應于外部磁場而重新排列并被吸引。

因此，當未成對的電子在材料內部產生凈磁場時，順磁性和鐵磁性材料可以在磁場中被磁化。

在抗磁性材料中，沒有不成對的電子。在原子中旋轉的電子會受到外加磁場的作用力，從而產生與外加磁場相反的弱磁場。這就是為什么當抗磁性材料在磁場中自由保持時，它們會垂直于所施加的磁通量線的方向排列。

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而發生。

保持力
保持力或剩磁是測量材料即使在移除外部磁場后仍保持磁化的能力。

當移除施加的磁場時，順磁性材料會立即退磁，但鐵磁性材料即使在移除磁場后仍保持磁性。

保持性表示為材料在去除外部磁場后保留的磁通密度的百分比。因此，如果在施加外部磁場時，材料的磁通密度為“y”特斯拉，而在移除外部磁場后，它保持“x”特斯拉的磁通密度，則保持率為 100 * x/y .

電感
我們已經知道，當電流流過環狀導線時，會感應出磁場。每當電流變化或改變方向時，該磁場都會通過感應反極性電壓來阻止電流流動。

換句話說，線圈以磁場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。一種材料的屬性，通過它來阻止通過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。當通過線圈的電流以每秒 1 安培的速率變化時，電感是一個亨利，在線圈上感應出 1 伏特的電壓。亨利是一個大單位。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。