基础电子学系列17 – 磁学、电磁学和电感

在前面的教程中，我们讨论了电子元器件的两种被动特性，电阻和电容，以及它们的电子元器件，电阻和电容。无源元件无法产生能量，但可以储存或耗散能量。

我们已经了解了电阻器和电容器的电气特性，包括它们如何影响电路中的电流和电压，以及它们的市售类型。然而，还有另一种无源电子元件也很重要，需要讨论：电感器。

电感器是在电路中提供电感的电子设备。电感是电感器以磁场形式储存能量并抵抗电流变化的能力。

要正确理解电感，首先要理解磁学和电磁学。

磁性
磁铁有两个磁极。磁铁的寻北极是它的北极，寻南的是它的南极。不同磁铁的异极相互吸引，同极或同极相互排斥。磁铁还会吸引某些金属，例如铁。

磁铁周围对移动的电荷有影响的区域（吸引或排斥其他磁铁或金属的地方）是磁场。磁场在数学上被描述为矢量场。

磁场是看不见的，但通常被描述为磁通量线。通量线说明了磁铁周围的磁力线。因此，磁力沿着这些磁力线施加，该磁场的强度由磁力线的浓度决定。

在磁力线会聚（或靠得更近）的每个磁极附近，磁力也是最强的。

条形磁铁周围的磁通线图。

电磁学
电和磁是相互联系的。电流和磁场的相互作用就是电磁。

例如，让我们想象电流流过穿过垂直平面的直线。如果在平面上放置铁填料等金属，它们将在导线周围形成一个同心圆——这表明流过直导线的电流周围有圆形的磁通线。

相反，如果导线的形状像一个环，则电流的磁通线将更类似于条形磁铁的磁通线。条形磁铁通常呈矩形，两端各有磁极。

导线的环数越多，磁通线的数量越多，磁场越强。载流导线周围的磁场在导线附近也最强。

直的载流导线的磁通量线。

载流导线环的磁通量线。

当电荷静止时，它们对相反的电荷施加静电吸引力，对相同的电荷施加静电排斥力。然而，当电荷运动时，它们会对其他电荷施加磁力。

换句话说，当电荷运动时，它们的静电力会转化为磁力。磁性是由电荷的运动引起的，被认为是电的一个特征。

由于电荷始终相互施加静电力或磁力，可以说电能、磁能和机械能是天然可以相互转换的。

偶极子和单极子
如前所述，磁铁有两个相反的磁极。偶极子是指一对相反的磁极，而单极子是一个孤立的磁极。从技术上讲，单极子不存在，因为磁通量线总是连接闭环中的两个相反的磁极（如在条形磁铁中）。

但是，当电荷周围的磁力线呈同心圆（例如单杆或无线电天线）时，施加磁力的移动电荷可被视为单极子。

当电荷静止时，它会施加径向均匀分布在各个方向的静电力。这种均匀分布的径向电场线向内指向为负电荷或向外指向正电荷。固定电荷周围没有磁场或磁通线。

描绘静止电荷的电场线。

当电荷以恒定速度移动时，电通量线呈径向并指向内部或外部。但是，它们并不是均匀分布的。

由于电荷的运动，部分静电能将转化为磁能，同心圆磁通线将沿着垂直于电荷运动方向的平面出现。

当电荷加速时，电通量线呈放射状，但会汇聚并集中在电荷附近。由于电荷的加速，电荷周围的磁场将变得扭曲并以电磁辐射的形式****电磁能。

因此，每当有加速充电时，一些能量就会以电磁波的形式损失掉。

以恒定速度运动的电子的电通量线和磁通量线。

磁场强度
磁场强度的单位是韦伯（Wb）。弱磁场的大小是麦克斯韦。1 个韦伯相当于 10 8 个麦克斯韦。

磁场中磁力的强度是由某一时刻磁场的通量密度或强度决定的。某点的磁通密度是磁场中设定点处每平方米或每平方厘米的磁力线数。通量密度以单位测量，如特斯拉和高斯。

1 特斯拉的磁场强度定义为每平方米的 1 韦伯磁场。磁场强度的一个高斯定义为每平方厘米磁场的一个麦克斯韦。1 特斯拉相当于 10 4高斯。

磁导率、顺磁性、铁磁性和抗磁性
磁通线可以穿过所有材料。事实上，地球本身就是一块巨大的磁铁。沿地球南北极排列的条形磁铁类似于沿条形磁铁的北极和南极排列的铁填料。

然而，不同的材料对磁场的反应不同。

• 顺磁性材料在磁场中被磁化，如果该磁场被移除则消磁。

• 铁磁材料被磁化，即使磁场被移除，它们也会保持磁化状态。

• 抗磁性材料根本不会被磁场磁化。

当顺磁性或铁磁性材料在磁场中自由保持时，它们将沿着磁通线排列，很像条形磁铁的铁填充物。当抗磁性材料在磁场中自由保持时，它们将垂直于磁通线排列，与任何磁化相反。

当磁通量线穿过顺磁性和铁磁性材料时，磁性强度会随着它们靠近材料而增加。而当磁通线穿过抗磁性材料时，磁性会随着它们靠近材料而减弱。

大多数金属是顺磁性的，而大多数非金属是抗磁性的。铁、镍、钴和其他稀土金属具有铁磁性。这包括几种铁、镍和稀土金属与其他元素的合金（例如坡莫合金，它是一种镍铁磁性合金）和铁氧体（由铁、氧和其他元素制成的化合物）。磁石是一种天然存在的磁铁，是铁和氧的铁氧体化合物。

磁导率是材料支持磁通量的能力，是材料响应磁场可以获得的磁化程度的指标。例如，真空和空气的导磁率是 1。铁芯的导磁率范围为 60 到 8000，具体取决于其纯度。坡莫合金的磁导率可达 1,000,000。

磁性的成因
那么，为什么某些材料会受到磁场的影响而另一些则不会呢？

材料是由原子组成的。原子由带正电的原子核组成，原子核被一个或多个带负电的粒子（称为电子）包围。电子绕着自己的轴旋转。

原子中的大多数电子成对存在，它们以相反的方向旋转，从而抵消了它们的磁效应。

当具有相反自旋的电子放在一起时，没有净磁场，因为正极和

如果未配对，原子或分子中的电子具有净磁场，使其成为微观磁铁。顺磁性和铁磁性材料由具有不成对电子的原子或分子组成。

如果未成对电子暴露于垂直于其速度方向和磁场方向的磁力，则会导致未成对电子移动，从而沿着施加的磁通量线产生磁场。本质上，顺磁原子的未成对电子响应于外部磁场而重新排列并被吸引。

因此，当未成对的电子在材料内部产生净磁场时，顺磁性和铁磁性材料可以在磁场中被磁化。

在抗磁性材料中，没有不成对的电子。在原子中旋转的电子会受到外加磁场的作用力，从而产生与外加磁场相反的弱磁场。这就是为什么当抗磁性材料在磁场中自由保持时，它们会垂直于所施加的磁通量线的方向排列。

应该注意的是，永磁体中的磁性也仅由于未成对电子的运动而发生。

保持力
保持力或剩磁是测量材料即使在移除外部磁场后仍保持磁化的能力。

当移除施加的磁场时，顺磁性材料会立即退磁，但铁磁性材料即使在移除磁场后仍保持磁性。

保持性表示为材料在去除外部磁场后保留的磁通密度的百分比。因此，如果在施加外部磁场时，材料的磁通密度为“y”特斯拉，而在移除外部磁场后，它保持“x”特斯拉的磁通密度，则保持率为 100 * x/y .

电感
我们已经知道，当电流流过环状导线时，会感应出磁场。每当电流变化或改变方向时，该磁场都会通过感应反极性电压来阻止电流流动。

换句话说，线圈以磁场形式存储的能量被转换回与电流大小或方向变化相反的电场。一种材料的属性，通过它来阻止通过它的电流的大小或方向的任何变化，是电感。

电感的单位是亨利。当通过线圈的电流以每秒 1 安培的速率变化时，电感是一个亨利，在线圈上感应出 1 伏特的电压。亨利是一个大单位。更典型的是，电感以毫亨或微亨表示。

电感在电子电路中可能是一种有用的现象。设计用于在电路中提供电感的电子设备是电感器。

我们将在下一篇文章中详细讨论电感器及其信号行为。