高中物理 第2章 楞次定律和自感现象 第2节 自感 自感与互感在现实生活中的应用及防护素材 鲁科版选修3-2（通用）

高中物理 第2章 楞次定律和自感现象 第2节 自感 自感与互感在现实生活中的应用及防护素材 鲁科版选修3-2（通用）

自感与互感在现代生活中的应用及防护 ‎ 自感现象 自感现象是一种特殊的电磁感应现象，它是由于线圈本身电流变化而引起的。‎ 流过线圈的电流发生变化，导致穿过线圈的磁通量发生变化而产生的自感电动势，总是阻碍线圈中原来电流的变化，当原来电流在增大时，自感电动势与原来电流方向相反；当原来电流减小时，自感电动势与原来电流方向相同。因此，“自感”简单地说，由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫做自感现象。‎ 自感的应用 自感现象在各种电器设备和无线电技术中有广泛的应用。涡流、日光灯的镇流器、各种自感式传感器、自感线圈、电焊机等等，都采用了自感原理。‎ ‎1、在日光灯中的应用 日光灯电路中的镇流器就是利用自感现象制成的。日光灯是怎样工作的呢？当开关闭合后，电源把电压加在起动器的两极之间，使氖气放电而发出辉光。辉光产生的热量使U形动触片膨胀伸长，跟静触片接触而把电路接通。于是镇流器的线圈和灯管的灯丝中就有电流通过。电路接通后，起动器中的氖气停止放电，U形动触片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开。在电路突然中断的瞬间，在镇流器两端产生一个很高的自感电动势，方向与原来电压的方向相同，这个自感电动势与电源电压加在一起，形成一个瞬时高电压，加在灯管两端，使灯管中的水银蒸气开始放电，于是日光灯管成为电流的通路开始发光。在日光灯正常发光时，由于交变电流不断通过镇流器的线圈，线圈中就有自感电动势，它总是阻碍电流变化的，这时镇流器起着降压限流作用，保证日光灯的正常工作。‎ ‎2、涡流 为什么电动机、变压器等的铁芯不是整块金属，而是用许多薄硅钢片叠合而成呢？‎ 原来，把块状金属放在变化的磁场中，或者让它在磁场中运动时，金属块内将产生感应电流。这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的旋涡，因此叫做涡电流，简称涡流。整块金属的电阻很小，所以涡流常常很强。们采用各种办法减弱有害的涡流，但也可以利用涡流。如利用高频感应炉冶炼金属，利用电磁灶加热，利用电磁阻尼减小线圈（或指针）的摆动等。‎ ‎3、感应圈 ‎　　感应圈是工业生产和实验室中用低压直流电获得交变高压的一种装置。它的主要部分是两个绕在铁芯MM′‎ 上的绝缘导线线圈，如图6－12所示。初级线圈直接绕在铁芯上，是比较少的几匝粗导线线圈，次级线圈则由多匝细导线组成。感应圈的初级线圈中有节奏地通过断续的直流电。因此，各种电流断续器是感应圈的重要部件。图中画出的是一种最简单的断续器，它就是一个钢质弹簧片D。弹簧片上装有一小块软铁P，称为小锤；在小锤后面装有一个螺丝钉W，当电路中无电流时，弹簧片与螺丝钉接触。开关S接通电路后，电流流经初级线圈，再经小锤与螺丝钉，然后回到电池组的另一极，构成闭合回路。这时，线圈中的铁芯被磁化，并吸引小锤。于是，电流中断。电流一停止，铁芯就失去磁性，弹簧片将小锤弹回原来的位置，电路又重新接通。如此反复，小锤使初级线圈中的电流在1秒钟内断续许多次。电流每次断开时，次级线圈中出现某个方向的感应电动势；而在电路接通时，次级线圈又出现相反方向的感应电动势。‎ 在小锤式断续器中，当电路开断时，小锤与螺丝钉之间出现火花，这火花使电流持续一段时间。因此，开断时间也就延长了。为了减小火花，缩短开断时间，在线路中加装一个电容器C，将它的一个极与小锤连接，另一个极接到螺丝钉的支柱上。电路开断的瞬间产生的感应电流集中到电容器里。电容器两极板带电，减小了裂口处的火花，电路开断就会进行得很快。由于电磁感应，感应圈初级线圈断续地通过直流电流时，次级线圈就感应出几千伏乃至上万伏的交变高电压。‎ ‎4、自感式料位数字传感器 大型钢厂（如宝钢）除尘器粉尘料仓中料位的检测技术一直是该领域内的一项难题。目前一般采用电容物位控制器或阻旋式物位控制器。料仓中的料位需检测出上、中、下三个位置，所以，在料仓中一般都采用3只物位控制器进行料位的检测。电容式物位检测器在阴雨季节由于潮气及粉尘粘连等原因极易误报警，可靠性差。阻旋式物位控制器，由于采用机械阻转方式报警，寿命低，安装与维护性能较差。为了达到寿命长、报警可靠，国内某公司不得不采用价格昂贵且有辐射污染的雷达射线式料位计。‎ 针对钢厂粉尘具有磁质性质这一特性，设计出自感式数字信号报警传感器，适用于钢厂除尘器设备上粉尘料位的检测。‎ 自感在传感器的利用中，还有很多种。比如自感式电感传感器。自感式电感传感器可以用于测量位移和尺寸，也可以测量能够转换为位移量的其他参数，如力、张力、压力、压差、应变、转短、速度和加速度等。‎ 自感的防护 自感现象也有不利的一面，在自感系数很大而电流有很强的电路（如大型电动机的定子绕组）中，在切断电路的瞬间，由于电流强度在很短的时间内发生很大的变化，会产生很高的自感电动势，使开关的闸刀和固定夹片之间的空气电离而变成导体，形成电弧。所产生的电弧火花容易烧坏开关，甚至危人员安全。因此，切断这段电路时必须采用特制的安全开关。‎ 互感现象 由一个线圈中的电流发生变化而使其它线圈产生感应电动势的现象叫互感现象。‎ 它的基本原理就是磁的耦合。无论在何处，只要存在两个电流回路，就会有互感。一个回路的电流产生一个磁场，而该磁场会影响第二个回路。两个回路相互作用，其相互作用的系数随距离的增加快速地减小。两个电路之间的互感耦合相当于一个连接在电路A和电路B之间的微小变压器。无论何处，对于两个相邻电流回路的相互作用，可以看成是一个变压器的初级和次级，从面得到互感。‎ 互感现象在电子和电子技术中应用很广，通过互感，线圈可以使能量或信号由一个线圈很方便的传递到另外一个线圈。利用互感现象原理我们可以制成变压器，感应圈等。‎ ‎1、互感器的作用 ‎　　为保证电力系统的安全、经济运行，需要对电力系统及其电力设备的相关参数进行测量，以便对其进行必要的计量、监控和保护。互感器由连接到电力传输系统一次和二次之间的一个或多个电流或电压传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。‎ ‎　　互感器的主要作用有以下几个方面。‎ ‎　　（1）将电力系统一次侧的电流、电压信息传递到二次侧与测量仪表和计量装置配合，可以测量一次系统电流、电压和电能。‎ ‎　　（2）当电力系统发生故障时，互感器能正确反映故障状态下电流、电压波形，与继电保护和自动装置配合，可以对电网各种故障构成保护和自动控制。‎ ‎　　（3）通常的测量和保护装置不能直接接到高电压、大电流的电力回路上。互感器将一次侧高压设备与二次侧设备及系统在电气方面隔离，从而保证了二次设备和人身安全，并将一次侧的高电压、大电流变换为二次侧的低电压、小电流，使计量和继电保护标准化。‎ 互感器技术 互感器是按比例变换电压或电流的设备。互感器的功能是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压（100V）或标准小电流（‎5A或‎1A，均指额定值），以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。‎ ‎2、纳米晶精密电流互感器技术 ‎　　对于大电流、高精度的电流互感器，磁芯材料的磁特性是产生误差的一个很大的影响因素。以往较常用的材料是坡莫合金，但坡莫合金高昴的价格限制了其大规模应用。纳米晶软磁材料是目前最为理想的制造大电流、高精度电流互感器磁芯的材料。纳米晶软磁材料的高磁导率（初始磁导率μ0≧60000）和低损耗特性很好地满足了电流互感器对比值差和相位差的要求。‎ ‎　　磁芯材料的温度稳定性对测量精度有很大的影响。对纳米晶软磁材料进行温度稳定性研究发现，在工作磁感应强度低于0.8T、使用温度低于‎120℃‎时，磁芯的μ值随温度的升高而略有增加，这有利于减小互感器的测量误差。采用纳米晶软磁材料生产的精密电流互感器不仅重量要比坡莫合金轻1/3，而且精度可达0.2s级水平。纳米晶精密电流互感器可用于变电站、电度表、UPS电源等中。‎ ‎　　纳米晶精密电流互感器的材料与制备技术已经比较成熟，在材料与器件性能上具有比传统软磁材料更加突出的优势，市场应用范围广阔，具有较好的产业化和市场化优势。‎ ‎3、光电互感器的应用 光电互感器是智能电网 必须的一个设备，我国的光电互感器产品已经具有世界水平，国内此类产品应用比较成熟，在应用上领先于国外。这是广州中钰科技有限公司的数字化变电站事业部总经理叶继红在“第二届中国国际智能电网建设分布式能源及储能技术设备展览会”上接受我们的采访中谈到的。作为变电站智能化最重要的产品，随着国家智能电网发展需求的扩大，作为广东经济发达地区的民营企业，比其他国有企业机制更灵活，电子互感器市场迎来了发展新机遇。‎ ‎4、大功率电动机中过载保护的电流互感器的应用 电流互感器将大电流变成小电流的互感器。在正常使用情况下其比差和角差都应在允许范围内。电流互感器原理是依据电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。电流互感器原理是依据电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的2次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。交流电流的测量设备是否运行在额定电流值，设置电流测量装置是必要的技术措施。有关规定40KW以上的设备，必须装设电流表进行监控。交流电流的测量有直接测量和经电流互感器扩大测量的方式。直接测量就是将适当的电流表串接电流回路。交流电度的测量为了扩大交流电度表的量程，工厂最常用的是采用电流互感器的方法来扩大量程。电力拖动线路中的保护大功率电动机中的过载保护，往往由于电流大，而无法购到相应的热继电器，在这样的情况下，一般采用加装电流互感器的方法来解决。其实质是将大电流变换成小电流用‎5A以内的热继电器足可满足过载保护的要求。‎ 怎样防护互感现象 互感现象，即由一个线圈中的电流发生变化而使其它线圈产生感应电动势的现象。但是自感在某些情况下也会带来不利的影响，在这种情况下我们应该设法减少互感的耦合。连接器在运作的过程中很容易出现互感现象的发生，连接器互感现象的出现很容易导致电流及信号系统的失控，值得关注。研究发现，通过改变连接器接地有效减少互感现象。‎ 我们说通过改变接地模式，可以减小特定线路之间的互感。如果将地线移至距离环路更远的地方将会减小其互感。互感的变化与距离的对数值成正比。‎ 额外增加的地会有更直接的效果。由于地线与环路X和Y紧密耦合，地线上的电流对环路Y有很大的影响。如果我们能将地线上的电流分为两半，互感LX、Y几乎会减少一半。通过在信号X上方增加一条地线，把地线上的电流分为两半，电流将分为两部分，分别流经每一条地线。相应地，互感LX、Y也会减小。增加更多的地线将进一步分散地线电流，但是不再像最初那样将电流一分为二。‎ 此外，在信号X和Y之间插入地线与在它们之外增加地线有很大的差别。耦合到连接器上任意给定线路噪声来自其他每个线。简单地减少连接器上的信号个数就能减小总的串扰。另一方面，将连接器上的信号分成几组。通过在各组之间插入地线即可减少其相互干扰。分组有效地减少了对特定的接收器产生严重串扰的线路数量，串扰基本上与地线之间的信号线数目成正比。‎ 在连接器边沿增加额外的地线减少串扰几乎不起作用，在连接器边沿采用大的接地效果也一样。使用这些准则可以帮助估算连接器不同的接地排列时的性能，当提出不同的变更之后，我们可以预测将会发生什么情况，减少连接器互感现象的发生。‎ 互感现象的发生最近在汽车召回事故分析中常有闪现，汽车连接器互感现象研究正成为当下的热点话题。‎