纯电感电路中电压与电流的关系解析

　　电感简介：

　　电感（电感线圈）是用绝缘导线绕制而成的电磁感应元件，也是电子电路中常用的元器件之一。电感是用漆包线、纱包线或塑皮线等在绝缘骨架或磁心、铁心上绕制成的一组串联的同轴线匝，它在电路中用字母“L”表示，主要作用是对交流信号进行隔离、滤波或与电容器、电阻器等组成谐振电路。

　　电感器结构

　　1、骨架 骨架泛指绕制线圈的支架。一些体积较大的固定式电感器或可调式电感器（如振荡线圈、阻流圈等），大多数是将漆包线（或纱包线）环绕在骨架上，再将磁心或铜心、铁心等装入骨架的内腔，以提高其电感量。骨架通常是采用塑料、胶木、陶瓷制成，根据实际需要可以制成不同的形状。小型电感器（例如色码电感器）一般不使用骨架，而是直接将漆包线绕在磁心上。空心电感器（也称脱胎线圈或空心线圈，多用于高频电路中）不用磁心、骨架和屏蔽罩等，而是先在模具上绕好后再脱去模具，并将线圈各圈之间拉开一定距离。

　　2、绕组 绕组是指具有规定功能的一组线圈，它是电感器的基本组成部分。绕组有单层和多层之分。单层绕组又有密绕（绕制时导线一圈挨一圈）和间绕（绕制时每圈导线之间均隔一定的距离）两种形式；多层绕组有分层平绕、乱绕、蜂房式绕法等多种。

　　3、磁心与磁棒 磁心与磁棒一般采用镍锌铁氧体（NX系列）或锰锌铁氧体（MX系列）等材料，它有“工”字形、柱形、帽形、“E”形、罐形等多种形状。

　　4、铁心 铁心材料主要有硅钢片、坡莫合金等，其外形多为“E”型。

　　5、屏蔽罩 为避免有些电感器在工作时产生的磁场影响其它电路及元器件正常工作，就为其增加了金属屏幕罩（例如半导体收音机的振荡线圈等）。采用屏蔽罩的电感器，会增加线圈的损耗，使Q值降低。

　　6、封装材料 有些电感器（如色码电感器、色环电感器等）绕制好后，用封装材料将线圈和磁心等密封起来。封装材料采用塑料或环氧树脂等。

　　纯电感电路中电压与电流间的数量关系

　　由于电阻很小的线圈组成的交流电路，可以近似地看成是一个纯电感电路。

　　在直流电路中，影响电流跟电压关系的只有电阻。在交流电路中，情况要复杂一些，影响电流跟电压关系的，除了电阻，还有电感和电容。

　　电感对交流电的阻碍作用。为什么电感对交流电有阻碍作用呢？交流电通过电感线圈时，电流时刻在改变，电感线圈中必然产生自感电动势，阻碍电流的变化，这样就形成了对电流的阻碍作用。在电工技术中，变压器、电磁铁等的线圈，一般是用铜线绕的。铜的电阻率很小，在很多情况下，线圈的电阻比较小，可以略去不计，而认为线圈只有电感。只有电感的电路叫纯电感电路。

　　在纯电感电路中，电流强度跟电压成正比，即I∝U.用1/（XL）作为比例恒量，写成等式，就得到I=U/（XL）这就是纯电感电路中欧姆定律的表达式。把这个表达式跟I=U/R比，可以看出XL相当于电阻R。XL表示出电感对交流电阻碍作用的大小，叫做感抗，它的单位也是欧姆。

　　线圈的感抗XL跟自感系数L和交流电的频率f间有如下的关系：

　　XL=2лfL

　　由于1亨=1伏·秒／安，1亨／秒=1伏／安=1欧，因此上式中的XL、f、L的单位应分别用欧姆、赫兹、亨利。

　　电阻是由导体本身的电阻率、长度和横截面积决定的，跟通过的电流无关。XL=2лfL说明，感抗却跟通过的电流的频率有关。例如，自感系数是1亨的线圈，对于直流电，f=0，XL=0；对于50赫的交流电，XL=314欧；对于500千赫的交流电，XL=3.14兆欧。所以电感线圈在电路中有“通直流、阻交流”或“通低频、阻高频”的特性。在电工和电子技术中，用来“通直流、阻交流”的电感线圈，叫低频扼流圈。线圈绕在闭合的铁心上，匝数为几千甚至超过一万，自感系数为几十亨。这种线圈对低频交流电就有很大的阻碍作用。用来“通低频、阻高频”的电感线圈，叫高频扼流圈。线圈有的绕在圆柱形的铁氧体心上，有的是空心的，匝数为几百，自感系数为几个毫亨。这种线圈对低频交流电的阻碍作用较小，对高频交流电的阻碍作用很大。

　　电感对交流电的阻碍作用。为什么电感对交流电有阻碍作用呢？交流电通过电感线圈时，电流时刻在改变，电感线圈中必然产生自感电动势，阻碍电流的变化，这样就形成了对电流的阻碍作用。在电工技术中，变压器、电磁铁等的线圈，一般是用铜线绕的。铜的电阻率很小，在很多情况下，线圈的电阻比较小，可以略去不计，而认为线圈只有电感。只有电感的电路叫纯电感电路。

　　在纯电感电路中，电流强度跟电压成正比，即I∝U.用1/（XL）作为比例恒量，写成等式，就得到I=U/（XL）这就是纯电感电路中欧姆定律的表达式。把这个表达式跟I=U/R比，可以看出XL相当于电阻R。XL表示出电感对交流电阻碍作用的大小，叫做感抗，它的单位也是欧姆。

　　线圈的感抗XL跟自感系数L和交流电的频率f间有如下的关系：

　　XL=2лfL

　　由于1亨=1伏·秒／安，1亨／秒=1伏／安=1欧，因此上式中的XL、f、L的单位应分别用欧姆、赫兹、亨利。

　　电阻是由导体本身的电阻率、长度和横截面积决定的，跟通过的电流无关。XL=2лfL说明，感抗却跟通过的电流的频率有关。例如，自感系数是1亨的线圈，对于直流电，f=0，XL=0；对于50赫的交流电，XL=314欧；对于500千赫的交流电，XL=3.14兆欧。所以电感线圈在电路中有“通直流、阻交流”或“通低频、阻高频”的特性。在电工和电子技术中，用来“通直流、阻交流”的电感线圈，叫低频扼流圈。线圈绕在闭合的铁心上，匝数为几千甚至超过一万，自感系数为几十亨。这种线圈对低频交流电就有很大的阻碍作用。用来“通低频、阻高频”的电感线圈，叫高频扼流圈。线圈有的绕在圆柱形的铁氧体心上，有的是空心的，匝数为几百，自感系数为几个毫亨。这种线圈对低频交流电的阻碍作用较小，对高频交流电的阻碍作用很大。

　　交流电路中，纯电感电路的电压和电流的相位相差90°，所以在电阻、电感（即线圈，略掉了线圈直流电阻的影响））串联的电路中，其电抗Rx（即总的电阻）与电阻R。感抗RL（RL=2πfL）的关系是Rx=√（R^2+RL^2），则总电压V与电阻上的电压VR和电感上的电压VRL关系也满足这个关系，即V=√（VR^2+VRL^2）。

　　交流电路电感电流与电压相位的关系

　　电感电压比电流超前90°（或π/2），即电感电流比电压滞后90°，如何理解这句话呢，可以作以下解释

　　电感电路电压与电流的关系是通过磁通来联系起来的，u=NdΦ/dt，NΦ=Li，N是线圈匝数，L是线圈的电感，对固定线圈是一个常数，以上两个公式可推导出u=Ldi/dt，这个公式的意义就是变化的电流产生了电压，也可以说是变化的电压产生了电流，数量上的关系就是电压等于电流的变化率，就是斜率，电压的点电流为零，电流的点电压为零，就是那一时刻电流或电压的变化率为零，切线与X轴是平行，电流或电压没有变化，所以电压或电流就是零。

　　根据磁惯性的概念，“磁场惯性”导致电感上的电流滞后于电压：电感上的电流滞后于电压的物理意义，是电流通过线圈（电感）时要形成新的磁场，当新磁场建立的时候，老磁场的磁惯性会阻碍新磁场建立，即阻碍电流流过。所以当电压加上去以后，电流不能马上形成，需要电流通过一段时间来克服磁惯性，所以就产生了滞后现象。而滞后90度，则是因为电压在90度时开始翻转，即电压方向发生改变，就导致电流的改变滞后了90度。