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线圈中磁场能量的产生与稳定性

时间:2023-06-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:如图4-75所示,在开关S闭合的瞬间,线圈内的磁通发生变化,因而产生自感电动势,电路中的电流i不能立刻由0变到稳定值I。这样,电源电动势E不仅要供给电路中因产生热量所消耗的电能,还要反抗自感电动势做功,并把它转化成磁场能储存在线圈中。电流达到稳定值以后,磁通也达到稳定值,自感现象随之结束,电源不再反抗自感电动势做功,线圈中的磁场能量达到了稳定值。磁场能量和电场能量有以下相同的特点。

线圈中磁场能量的产生与稳定性

磁场和电场一样具有能量,这在自感实验(见图4-64b)中已经得到了证明。在切断电源的瞬间,灯泡并不立即熄灭,而是发出短暂的强光,将电感线圈中所储存的磁场能转换成灯泡的热能释放出来。

如图4-75所示,在开关S闭合的瞬间,线圈内的磁通发生变化,因而产生自感电动势,电路中的电流i不能立刻由0变到稳定值I。由于自感电流总要阻碍原电流的变化,可以判定,线圈的A端为自感电动势的正极,自感电动势的极性与电源电动势的极性刚好相反。这样,电源电动势E不仅要供给电路中因产生热量所消耗的电能,还要反抗自感电动势做功,并把它转化成磁场能储存在线圈中。电流达到稳定值以后,磁通也达到稳定值,自感现象随之结束,电源不再反抗自感电动势做功,线圈中的磁场能量达到了稳定值。

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图4-75 线圈中的磁场能

因此,电感线圈也是一个储能元件。理论和实验证明,线圈中的磁场能量为

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式中 L——线圈的电感,单位为H;

I——线圈中的电流,单位为A;

W——线圈中磁场能量,单位为J。

式(4-22)表明,当线圈中通有电流时,线圈中就要储存磁场能量,说明通电线圈从外界吸收能量。线圈中储存的磁场能量的大小与电流的平方成正比。通过线圈的电流越大,储存的能量就越多。在通有相同电流的线圈中,电感L越大的线圈,储存的能量越多。因此,线圈的电感L也反映了它储存磁场能量的能力。

磁场能量和电场能量有以下相同的特点。(www.xing528.com)

1)磁场能量和电场能量在电路中的转化都是可逆的。例如,随着电流的增大,线圈的磁场增强,储存的磁场能量增多;随着电流的减小,磁场减弱,磁场能量通过电磁感应的作用又转化为电能。因此,电感器和电容器一样是储能元件,而电阻器是耗能元件。

2)磁场能量的计算公式,在形式上与电场能量的计算公式相同。

【例4-15】有一个电感线圈,电感L为0.005mH,当通过线圈的电流从100A增加到200A时,试求线圈储存的磁场能量增加了多少?

解:通过线圈的电流为100A时,线圈中的磁场能量为

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通过线圈的电流为200A时,线圈中的磁场能量为

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那么,线圈中磁场能量的增量为

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