高中物理 第2章 楞次定律和自感現(xiàn)象 第2節(jié) 自感 自感與互感在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用及防護(hù)素材 魯科版選修3-2（通用）

1、自感與互感在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用及防護(hù) 自感現(xiàn)象自感現(xiàn)象是一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，它是由于線圈本身電流變化而引起的。流過(guò)線圈的電流發(fā)生變化，導(dǎo)致穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)，總是阻礙線圈中原來(lái)電流的變化，當(dāng)原來(lái)電流在增大時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與原來(lái)電流方向相反；當(dāng)原來(lái)電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與原來(lái)電流方向相同。因此，“自感”簡(jiǎn)單地說(shuō)，由于導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，叫做自感現(xiàn)象。自感的應(yīng)用自感現(xiàn)象在各種電器設(shè)備和無(wú)線電技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。渦流、日光燈的鎮(zhèn)流器、各種自感式傳感器、自感線圈、電焊機(jī)等等，都采用了自感原理。1、在日光燈中的應(yīng)用日光燈電路中的鎮(zhèn)流器就是利用自感現(xiàn)象制成的

2、。日光燈是怎樣工作的呢？當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合后，電源把電壓加在起動(dòng)器的兩極之間，使氖氣放電而發(fā)出輝光。輝光產(chǎn)生的熱量使U形動(dòng)觸片膨脹伸長(zhǎng)，跟靜觸片接觸而把電路接通。于是鎮(zhèn)流器的線圈和燈管的燈絲中就有電流通過(guò)。電路接通后，起動(dòng)器中的氖氣停止放電，U形動(dòng)觸片冷卻收縮，兩個(gè)觸片分離，電路自動(dòng)斷開(kāi)。在電路突然中斷的瞬間，在鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生一個(gè)很高的自感電動(dòng)勢(shì)，方向與原來(lái)電壓的方向相同，這個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)與電源電壓加在一起，形成一個(gè)瞬時(shí)高電壓，加在燈管兩端，使燈管中的水銀蒸氣開(kāi)始放電，于是日光燈管成為電流的通路開(kāi)始發(fā)光。在日光燈正常發(fā)光時(shí)，由于交變電流不斷通過(guò)鎮(zhèn)流器的線圈，線圈中就有自感電動(dòng)勢(shì)，它總是阻礙電流變化的，這

3、時(shí)鎮(zhèn)流器起著降壓限流作用，保證日光燈的正常工作。2、渦流為什么電動(dòng)機(jī)、變壓器等的鐵芯不是整塊金屬，而是用許多薄硅鋼片疊合而成呢？原來(lái)，把塊狀金屬放在變化的磁場(chǎng)中，或者讓它在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬塊內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流在金屬塊內(nèi)自成閉合回路，很像水的旋渦，因此叫做渦電流，簡(jiǎn)稱渦流。整塊金屬的電阻很小，所以渦流常常很強(qiáng)。們采用各種辦法減弱有害的渦流，但也可以利用渦流。如利用高頻感應(yīng)爐冶煉金屬，利用電磁灶加熱，利用電磁阻尼減小線圈（或指針）的擺動(dòng)等。3、感應(yīng)圈感應(yīng)圈是工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中用低壓直流電獲得交變高壓的一種裝置。它的主要部分是兩個(gè)繞在鐵芯MM上的絕緣導(dǎo)線線圈，如圖612所示。初級(jí)線圈直接繞

4、在鐵芯上，是比較少的幾匝粗導(dǎo)線線圈，次級(jí)線圈則由多匝細(xì)導(dǎo)線組成。感應(yīng)圈的初級(jí)線圈中有節(jié)奏地通過(guò)斷續(xù)的直流電。因此，各種電流斷續(xù)器是感應(yīng)圈的重要部件。圖中畫(huà)出的是一種最簡(jiǎn)單的斷續(xù)器，它就是一個(gè)鋼質(zhì)彈簧片D。彈簧片上裝有一小塊軟鐵P，稱為小錘；在小錘后面裝有一個(gè)螺絲釘W，當(dāng)電路中無(wú)電流時(shí)，彈簧片與螺絲釘接觸。開(kāi)關(guān)S接通電路后，電流流經(jīng)初級(jí)線圈，再經(jīng)小錘與螺絲釘，然后回到電池組的另一極，構(gòu)成閉合回路。這時(shí)，線圈中的鐵芯被磁化，并吸引小錘。于是，電流中斷。電流一停止，鐵芯就失去磁性，彈簧片將小錘彈回原來(lái)的位置，電路又重新接通。如此反復(fù)，小錘使初級(jí)線圈中的電流在1秒鐘內(nèi)斷續(xù)許多次。電流每次斷開(kāi)時(shí)，次級(jí)線

5、圈中出現(xiàn)某個(gè)方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；而在電路接通時(shí)，次級(jí)線圈又出現(xiàn)相反方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在小錘式斷續(xù)器中，當(dāng)電路開(kāi)斷時(shí)，小錘與螺絲釘之間出現(xiàn)火花，這火花使電流持續(xù)一段時(shí)間。因此，開(kāi)斷時(shí)間也就延長(zhǎng)了。為了減小火花，縮短開(kāi)斷時(shí)間，在線路中加裝一個(gè)電容器C，將它的一個(gè)極與小錘連接，另一個(gè)極接到螺絲釘?shù)闹е?。電路開(kāi)斷的瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)電流集中到電容器里。電容器兩極板帶電，減小了裂口處的火花，電路開(kāi)斷就會(huì)進(jìn)行得很快。由于電磁感應(yīng)，感應(yīng)圈初級(jí)線圈斷續(xù)地通過(guò)直流電流時(shí)，次級(jí)線圈就感應(yīng)出幾千伏乃至上萬(wàn)伏的交變高電壓。4、自感式料位數(shù)字傳感器大型鋼廠（如寶鋼）除塵器粉塵料倉(cāng)中料位的檢測(cè)技術(shù)一直是該領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)難題。目

6、前一般采用電容物位控制器或阻旋式物位控制器。料倉(cāng)中的料位需檢測(cè)出上、中、下三個(gè)位置，所以，在料倉(cāng)中一般都采用3只物位控制器進(jìn)行料位的檢測(cè)。電容式物位檢測(cè)器在陰雨季節(jié)由于潮氣及粉塵粘連等原因極易誤報(bào)警，可靠性差。阻旋式物位控制器，由于采用機(jī)械阻轉(zhuǎn)方式報(bào)警，壽命低，安裝與維護(hù)性能較差。為了達(dá)到壽命長(zhǎng)、報(bào)警可靠，國(guó)內(nèi)某公司不得不采用價(jià)格昂貴且有輻射污染的雷達(dá)射線式料位計(jì)。針對(duì)鋼廠粉塵具有磁質(zhì)性質(zhì)這一特性，設(shè)計(jì)出自感式數(shù)字信號(hào)報(bào)警傳感器，適用于鋼廠除塵器設(shè)備上粉塵料位的檢測(cè)。自感在傳感器的利用中，還有很多種。比如自感式電感傳感器。自感式電感傳感器可以用于測(cè)量位移和尺寸，也可以測(cè)量能夠轉(zhuǎn)換為位移量的其他

7、參數(shù)，如力、張力、壓力、壓差、應(yīng)變、轉(zhuǎn)短、速度和加速度等。自感的防護(hù)自感現(xiàn)象也有不利的一面，在自感系數(shù)很大而電流有很強(qiáng)的電路（如大型電動(dòng)機(jī)的定子繞組）中，在切斷電路的瞬間，由于電流強(qiáng)度在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生很大的變化，會(huì)產(chǎn)生很高的自感電動(dòng)勢(shì)，使開(kāi)關(guān)的閘刀和固定夾片之間的空氣電離而變成導(dǎo)體，形成電弧。所產(chǎn)生的電弧火花容易燒壞開(kāi)關(guān)，甚至危人員安全。因此，切斷這段電路時(shí)必須采用特制的安全開(kāi)關(guān)?；ジ鞋F(xiàn)象由一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化而使其它線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫互感現(xiàn)象。它的基本原理就是磁的耦合。無(wú)論在何處，只要存在兩個(gè)電流回路，就會(huì)有互感。一個(gè)回路的電流產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，而該磁場(chǎng)會(huì)影響第二個(gè)回路。兩個(gè)回路相

8、互作用，其相互作用的系數(shù)隨距離的增加快速地減小。兩個(gè)電路之間的互感耦合相當(dāng)于一個(gè)連接在電路A和電路B之間的微小變壓器。無(wú)論何處，對(duì)于兩個(gè)相鄰電流回路的相互作用，可以看成是一個(gè)變壓器的初級(jí)和次級(jí)，從面得到互感?；ジ鞋F(xiàn)象在電子和電子技術(shù)中應(yīng)用很廣，通過(guò)互感，線圈可以使能量或信號(hào)由一個(gè)線圈很方便的傳遞到另外一個(gè)線圈。利用互感現(xiàn)象原理我們可以制成變壓器，感應(yīng)圈等。1、互感器的作用為保證電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需要對(duì)電力系統(tǒng)及其電力設(shè)備的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，以便對(duì)其進(jìn)行必要的計(jì)量、監(jiān)控和保護(hù)?；ジ衅饔蛇B接到電力傳輸系統(tǒng)一次和二次之間的一個(gè)或多個(gè)電流或電壓傳感器組成，用以傳輸正比于被測(cè)量的量，供給測(cè)量?jī)x器

9、、儀表和繼電保護(hù)或控制裝置?；ジ衅鞯闹饕饔糜幸韵聨讉€(gè)方面。（1）將電力系統(tǒng)一次側(cè)的電流、電壓信息傳遞到二次側(cè)與測(cè)量?jī)x表和計(jì)量裝置配合，可以測(cè)量一次系統(tǒng)電流、電壓和電能。（2）當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，互感器能正確反映故障狀態(tài)下電流、電壓波形，與繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置配合，可以對(duì)電網(wǎng)各種故障構(gòu)成保護(hù)和自動(dòng)控制。（3）通常的測(cè)量和保護(hù)裝置不能直接接到高電壓、大電流的電力回路上?；ジ衅鲗⒁淮蝹?cè)高壓設(shè)備與二次側(cè)設(shè)備及系統(tǒng)在電氣方面隔離，從而保證了二次設(shè)備和人身安全，并將一次側(cè)的高電壓、大電流變換為二次側(cè)的低電壓、小電流，使計(jì)量和繼電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化。互感器技術(shù)互感器是按比例變換電壓或電流的設(shè)備?；ジ衅鞯墓δ苁菍⒏?/p>

10、電壓或大電流按比例變換成標(biāo)準(zhǔn)低電壓（100V）或標(biāo)準(zhǔn)小電流（5A或1A，均指額定值），以便實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x表、保護(hù)設(shè)備及自動(dòng)控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、小型化?；ジ衅鬟€可用來(lái)隔開(kāi)高電壓系統(tǒng)，以保證人身和設(shè)備的安全。2、納米晶精密電流互感器技術(shù)對(duì)于大電流、高精度的電流互感器，磁芯材料的磁特性是產(chǎn)生誤差的一個(gè)很大的影響因素。以往較常用的材料是坡莫合金，但坡莫合金高昴的價(jià)格限制了其大規(guī)模應(yīng)用。納米晶軟磁材料是目前最為理想的制造大電流、高精度電流互感器磁芯的材料。納米晶軟磁材料的高磁導(dǎo)率（初始磁導(dǎo)率060000）和低損耗特性很好地滿足了電流互感器對(duì)比值差和相位差的要求。磁芯材料的溫度穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量精度有很大的影響。對(duì)納

11、米晶軟磁材料進(jìn)行溫度穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，在工作磁感應(yīng)強(qiáng)度低于0.8T、使用溫度低于120時(shí)，磁芯的值隨溫度的升高而略有增加，這有利于減小互感器的測(cè)量誤差。采用納米晶軟磁材料生產(chǎn)的精密電流互感器不僅重量要比坡莫合金輕1/3，而且精度可達(dá)0.2s級(jí)水平。納米晶精密電流互感器可用于變電站、電度表、UPS電源等中。納米晶精密電流互感器的材料與制備技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在材料與器件性能上具有比傳統(tǒng)軟磁材料更加突出的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)應(yīng)用范圍廣闊，具有較好的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化優(yōu)勢(shì)。3、光電互感器的應(yīng)用光電互感器是智能電網(wǎng)必須的一個(gè)設(shè)備，我國(guó)的光電互感器產(chǎn)品已經(jīng)具有世界水平，國(guó)內(nèi)此類(lèi)產(chǎn)品應(yīng)用比較成熟，在應(yīng)用上領(lǐng)先于國(guó)外。這是廣

12、州中鈺科技有限公司的數(shù)字化變電站事業(yè)部總經(jīng)理葉繼紅在“第二屆中國(guó)國(guó)際智能電網(wǎng)建設(shè)分布式能源及儲(chǔ)能技術(shù)設(shè)備展覽會(huì)”上接受我們的采訪中談到的。作為變電站智能化最重要的產(chǎn)品，隨著國(guó)家智能電網(wǎng)發(fā)展需求的擴(kuò)大，作為廣東經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的民營(yíng)企業(yè)，比其他國(guó)有企業(yè)機(jī)制更靈活，電子互感器市場(chǎng)迎來(lái)了發(fā)展新機(jī)遇。4、大功率電動(dòng)機(jī)中過(guò)載保護(hù)的電流互感器的應(yīng)用電流互感器將大電流變成小電流的互感器。在正常使用情況下其比差和角差都應(yīng)在允許范圍內(nèi)。電流互感器原理是依據(jù)電磁感應(yīng)原理的。電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。電流互感器原理是依據(jù)電磁感應(yīng)原理的。電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。它的一次繞組匝數(shù)很少，串在需要測(cè)量的電

13、流的線路中，因此它經(jīng)常有線路的全部電流流過(guò)，二次繞組匝數(shù)比較多，串接在測(cè)量?jī)x表和保護(hù)回路中，電流互感器在工作時(shí)，它的2次回路始終是閉合的，因此測(cè)量?jī)x表和保護(hù)回路串聯(lián)線圈的阻抗很小，電流互感器的工作狀態(tài)接近短路。交流電流的測(cè)量設(shè)備是否運(yùn)行在額定電流值，設(shè)置電流測(cè)量裝置是必要的技術(shù)措施。有關(guān)規(guī)定40KW以上的設(shè)備，必須裝設(shè)電流表進(jìn)行監(jiān)控。交流電流的測(cè)量有直接測(cè)量和經(jīng)電流互感器擴(kuò)大測(cè)量的方式。直接測(cè)量就是將適當(dāng)?shù)碾娏鞅泶与娏骰芈?。交流電度的測(cè)量為了擴(kuò)大交流電度表的量程，工廠最常用的是采用電流互感器的方法來(lái)擴(kuò)大量程。電力拖動(dòng)線路中的保護(hù)大功率電動(dòng)機(jī)中的過(guò)載保護(hù)，往往由于電流大，而無(wú)法購(gòu)到相應(yīng)的熱繼電

14、器，在這樣的情況下，一般采用加裝電流互感器的方法來(lái)解決。其實(shí)質(zhì)是將大電流變換成小電流用5A以內(nèi)的熱繼電器足可滿足過(guò)載保護(hù)的要求。怎樣防護(hù)互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象，即由一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化而使其它線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。但是自感在某些情況下也會(huì)帶來(lái)不利的影響，在這種情況下我們應(yīng)該設(shè)法減少互感的耦合。連接器在運(yùn)作的過(guò)程中很容易出現(xiàn)互感現(xiàn)象的發(fā)生，連接器互感現(xiàn)象的出現(xiàn)很容易導(dǎo)致電流及信號(hào)系統(tǒng)的失控，值得關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變連接器接地有效減少互感現(xiàn)象。我們說(shuō)通過(guò)改變接地模式，可以減小特定線路之間的互感。如果將地線移至距離環(huán)路更遠(yuǎn)的地方將會(huì)減小其互感?；ジ械淖兓c距離的對(duì)數(shù)值成正比。額外增加的地會(huì)有更直接的效果。由于地線與環(huán)路X和Y緊密耦合，地線上的電流對(duì)環(huán)路Y有很大的影響。如果我們能將地線上的電流分為兩半，互感LX、Y幾乎會(huì)減少一半。通過(guò)在信號(hào)X上方增加一條地線，把地線上的電流分為兩半，電流將分為兩部分，分別流經(jīng)每一條地線。相應(yīng)地，互感LX、Y也會(huì)減小。增加更多的地線將進(jìn)一步分散地線電流，但是不再像最初那樣將電流一分為二。此外，在信號(hào)X和Y之間插入地線與在它們之外增加地線有很大的差別。耦合到連接器上任意給定線路噪聲來(lái)自其他每個(gè)線。簡(jiǎn)單地減少連接器上的信號(hào)個(gè)數(shù)就能減小總的串?dāng)_。另一方面，將