Inductor-2---電感器的充放電過程

引言：如Inductor-1：電感器的模型和參數中所說明的那樣，電感器是單純地纏繞電線而制成的，因而在施加電壓時基本上會有電流流過。 但是，電感器是旨在利用基于電磁感應的作用的元器件，并非只是單純地有電流流過就可以。 本節闡述施加直流電壓和交流電壓時電感器的作用。

1. 施加直流電壓時

如電路圖2-1所示，當開關閉合向電感器施加直流電壓時，電流會流向電感，隨著流向電感(繞組)的電流的變化而產生的磁束也會隨之變化，并在電感上產生電動勢(感應電動勢)。 基本上電感器是單獨的繞組，因而將其叫做“自感”。 此電動勢向著與電流相反的方向產生，阻礙電流的增加。 相反，一旦開關斷開而電流開始減少，電感器就會阻止電流減少。 電流(IL)表示如下情況，即在開關閉合時電流會流出，但因電動勢電流增加受阻之故，電流會以某個時間常數升高，在升高之后則依賴于電阻成分而會有恒電流流過，一旦開關斷開電流就會下降，但會按同樣的方式在某個時間常數成為零。 電壓(VL)表示開關閉合時和斷開時電感器的電動勢。 如式中所示，電感器上產生的電動勢與電流的變化率(ΔI/Δt)成正比。

其中：

V：電動勢(V)

L：電感值(H)

?I/?t：電流的變化率(A/s)

圖2-1：對電感充放電示意圖

圖2-2：電感電流電壓波形圖

根據上述過程模擬出電流波形圖2-2所示，開關閉合時電流會比較緩慢地增加，因而電動勢只會上升至電源電壓。開關斷開時，電流會在瞬時被切斷，因而與開關打開時相比，電流急劇減少，單位時間的變化率增大，因而會產生更高的電動勢。另外，開關斷開時電流沒有瞬時成為零，是因為在開關的端子間因電感上產生的高電壓而有放電電流流過的原因。能夠產生如此高的電動勢，是電感器是“能夠將電能轉換成磁能并蓄積在電感器內部”的。蓄積起來的能量可用下式來表示，與電感值的大小成正比。

其中：

W：能量(J)

L：電感值(H)

I：電流(A)

2. 施加交流電壓時

上述說明中描述了電感器上產生的電動勢的大小與流向電感器的電流的變化率成正比，如圖2-3這在交流波形時也是一樣的。

圖2-3：對電感施加交流電

圖2-4：電流電壓相位差90°

(1) 首先，當電流從零上升時, 電流的變化率最大，因而電壓會增大，但電壓會隨著電流的上升速度放慢而下降，并在電流到達最大的時點(電流的變化率為零)電壓成為零。

(2) 當電流從最大值開始降時，開始產生負電壓，在電流成為零時(電流的變化率為最大)電壓最低。

在對此電流和電壓的波形進行觀察時，如果電流波形為正弦波，則電壓波形也為正弦波，此外還可弄清電流波形相比電壓波形滯后1/4周期(電流的相位滯后 90°)的情況。針對電流的變化大就會有較大的電壓產生這種情況，也可弄清越是電流的變化率大的高頻電流，其產生的電壓就越會越大。但是，實際的電感器電壓與交流電源的電壓是一樣的，因而如果以電壓為基準思考，則可以說在恒壓下頻率升高時流過的電流減小。也就是說，交流時頻率越升高，流過的電流越不易通過，電感器發揮類似電阻那樣的作用。我們將此叫做線圈的感抗(XL)。感抗與流過的電流可用下式來表示：

其中：

XL：感抗(Ω)

f：頻率(HZ)

L：電感值(H)

V：交流電壓(V)

I：交流電流(A)