纯电感电路：电感对交流电的阻碍作用、感抗及扼流圈应用

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纯电感电路：电感对交流电的阻碍作用、感抗及扼流圈应用

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https://enjoyphysics.cn/Article3482

在学习交流电路时，电感是一个重要的概念。它不仅影响电流和电压的关系，还被广泛应用于各种电子设备中。本文将详细介绍纯电感电路的特性、感抗的计算方法以及扼流圈的应用，帮助读者深入理解这一物理现象。

一、电感对交流电的阻碍作用

如图 3-14 所示，将电感线圈 L 和白炽灯泡串联在电路中。通过双刀双掷开关 K，可以将电路连接到直流电源或交流电源上。实验中取直流电压和交变电压的有效值相等。实验表明，接通直流电源时，灯泡较亮；接通交流电源时，灯泡变暗。这表明电感对交流电有阻碍作用。

图 3-14

为什么电感对交流电有阻碍作用呢？当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，从而形成了对电流的阻碍作用。

二、感抗

在电工技术中，变压器、电磁铁等的线圈，一般是用铜线绕制的，铜的电阻率很小，在很多情况下，线圈的电阻比较小，可以忽略不计，而认为线圈只有电感。只有电感的电路称为纯电感电路。

现在我们用图 3-15 所示的电路来研究纯电感电路中电流与电压的关系。电路中的 L 是电阻可以忽略的电感线圈。改变交流电源的电压，通过 L 的电流就会随之改变。记录几组相应的电流和电压的数值，就会发现，在纯电感电路中，电流强度与电压成正比，即 I ∝ U。用 (\frac{1}{{{X_{\rm{L}}}}}) 作为比例常数，写成等式，就得到

[I = \frac{U}{{{X_{\rm{L}}}}}]

这就是纯电感电路中欧姆定律的表达式。把这个表达式与 I = (\frac{U}{R}) 相比较，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。

图 3-15

感抗的大小与哪些因素有关呢？在图 3-15 所示的实验中，如果把铁芯从线圈中取出，使线圈的自感系数减小，灯泡就会变亮；重新把铁芯插入线圈，使线圈的自感系数增大，灯泡又会变暗，这表明线圈的自感系数越大，感抗就越大。在图 3-15 所示的实验中，如果保持电源的电压不变，而改变交流电的频率，可以看到，频率越高，灯泡越暗，这表明交流电的频率越高，线圈的感抗也越大。

为什么线圈的感抗与线圈的自感系数和交流电的频率有关呢？感抗是由自感现象引起的，线圈的自感系数 L 越大，自感作用就越大，因而感抗越大；交流电的频率 f 越高，电流的变化率越大，自感作用也越大，因而感抗越大。进一步的研究指出，线圈的感抗 XL 与自感系数 L 和交流电的频率 f 间有如下的关系：

[{X_{\rm{L}}} = 2\pi fL]

由于 1 H = 1 V·s/A，1 H/s = 1 V/A = 1 Ω，因此上式中的 XL、f、L 的单位应分别用欧姆、赫兹、亨利。

三、扼流圈

我们知道，电阻是由导体本身的电阻率、长度和横截面积决定的，与通过的电流无关。XL = 2πfL 告诉我们，感抗却与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（图 3-16 甲）。线圈绕在闭合的铁芯上，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（图 3-16 乙）。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。

图 3-16