电路分析中用到的电感元件的特性

电压作用于电感所产生的电流。
1 t 1 t iL (t ) uL ( )d iL (0) uL ( )d L L 0
(7 11)
式(7－11)表示t>0的某时刻电感电流iL(t)等于电感电流的初始
值 iL(0) 加上 t=0 来自百度文库 t 时刻范围内电感电压在电感中所产生电流 之和，就端口特性而言，等效为一个直流电流源iL(0)和一个 初始电流为零的电感的并联，如图7－15所示。
流均不随时间变化时，电感相当于一个短路(u=0)。
在已知电感电流i(t)的条件下，用式(7－10)容易求出其 电压u(t)。
例如L=1mH的电电感上，施加电流为i(t)=10sin(5t)A时，
其关联参考方向的电压为
di d[10 sin( 5t )] 3 u( t ) L 10 dt dt 50 10 3 cos(5t )V 50 cos(5t )mV
也就是说，此时刻以前在电感上的任何电压对时刻 T
的电感电流都有一份贡献。这与电阻元件的电压或电流仅
取决于此时刻的电流或电压完全不同，我们说电感是一种 记忆元件。
例7－6电路如图7－16(a)所示，电感电压波形如图7－16(b)所 示，试求电感电流i(t),并画波形图。
图7－16
图7－16
解：根据图(b)波形，按照时间分段来进行积分运算
图9－13 电感器的几种电路模型
二、电感的电压电流关系
对于线性时不变电感元件来说，在采用电压电流关联 参考方向的情况下，可以得到
dψ d( Li ) di u( t ) L dt dt dt
(7 10)
此式表明电感中的电压与其电流对时间的变化率成正比， 与电阻元件的电压电流之间存在确定的约束关系不同，电感 电压与此时刻电流的数值之间并没有确定的约束关系。 在直流电源激励的电路中，磁场不随时间变化,各电压电
1 t iL ( t ) uL ( )d L 1 0 1 t uL ( )d uL ( )d L L 0 1 t iL (0) uL ( )d L 0
其中
(7 11)
1 0 iL (0) uL ( )d L
称为电感电压的初始值,它是从t=-∞到t=0时间范围内电感
i iL ( t＋) iL ( t－) 1 t＋ uL ( )d 0 L t－ 当uL ( )有界时
也就是说，当电感电压有界时，电感电流不能跃变， 只能连续变化，即存在以下关系
iL (t ) iL (t )
对于初始时刻t=0来说，上式表示为
iL ( 0 ) iL ( 0 )
p( t ) u( t )i ( t ) di i(t ) L dt
当p>0时，电感吸收功率；当p<0时，电感发出功率。
电感在从初始时刻t0到任意时刻t时间内得到的能量为
di ( ) W ( t0 , t ) p( )d L i ( ) d t0 t0 d i(t ) 1 2 L idi L[i ( t ) i 2 ( t0 )] i(t0 ) 2
§7－2 电感元件
常用的几种电感器
一、 电感元件
如果一个二端元件在任一时刻，其磁通链与电流之间的
关系由i－平面上一条曲线所确定，则称此二端元件为电
感元件。电感元件的符号和特性曲线如图 7－ 12(a)和 (b) 所 示。
图7-12 (a) 电感元件的符号 (b) 电感元件的特性曲线 (c) 线性时不变电感元件的符号 (d) 线性时不变电感的特性曲线
亨利是一个美国物理学家，他发明了电感 和制造了电动机。 他比法拉第先发现电磁感应现象，电感的 单位是用他的名字命名的。
ψ Li
dψ di u( t ) L dt dt
1 t iL (t ) uL ( )d L 1 t iL (0) uL ( )d L 0
uC (0 ) uC (0 )
1 WC ( t ) C u 2 ( t ) 2
iL (0 ) iL (0 )
实际电路中使用的电感线圈类型很多，电感的范围变 化很大，例如高频电路中使用的线圈容量可以小到几个微 亨(H ，1H=10-6H) ,低频滤波电路中使用扼流圈的电感可
以大到几亨。电感线圈可以用一个电感或一个电感与电阻
的串联作为它的电路模型。在工作频率很高的情况下，还 需要增加一个电容来构成线圈的电路模型，如图7－13所示。
4. 当4st 时，i(t)=0，根据式7－10可以得到
di 6 d( 0 ) u( t ) L 5 10 0 dt dt
根据以上计算结 果，画出相应的波形， 如图7－14(c)所示。 这说明电感电流为三
角波形时，其电感电
压为矩形波形。
图7－14
在已知电感电压uL(t)的条件下，其电流iL(t)为
其中
L L1 L2
(7 14)
2. 两个线性电感并联单口网络，就其端口特性而言，等效 于一个线性电感，其等效电感的计算公式推导如下：
图7－19
列出图7－19(a)单口网络的KCL方程，代入电感的电压 电流关系，得到端口的电压电流关系
1 i ( t ) i1 ( t ) i2 ( t ) L1 1 u ( ) d L2
图7-12
其特性曲线是通过坐标原点一条直线的电感元件称为 线性电感元件，否则称为非线性电感元件。线性时不变电 感元件的符号与特性曲线如图(c)和(d)所示，它的特性曲线 是一条通过原点不随时间变化的直线，其数学表达式为
ψ Li
(7 9)
式中的系数L为常量，与直线的斜率成正比，称为电 感，单位是亨[利],用H表示。
t
1 t u( )d L u( )d
t
1 1 1 其中 L L1 L2
L1 L2 由此求得 L L1 L2
(7 15)
q Cu
dq du i(t ) C dt dt
1 t uC ( t ) iC ( )d C 1 t uC (0) iC ( )d C 0
1.当t<0时，u(t)=0，根据式7－11可以得到
t 1 t 3 iL ( t ) u( )d 2 10 0dA 0 L
2.当0<t<1s时，u(t)=1mV，根据式7－11可以得到
t 1 t 3 iL ( t ) u( )d iL (0) 2 10 10 3 d 0 2tA 2tA 0 L 当 t 1s 时 iL (1s) 2A
图7－15
1 t 1 t iL (t ) uL ( )d iL (0) uL ( )d L L 0
(7 11)
从式(7－11)可以看出电感具有两个基本的性质。 (1)电感电流的记忆性。 从式（6－8）可见，任意时刻T电感电流的数值iL(T)，
要由从-到时刻T 之间的全部电压来确定。
图7－14 例7－5
图7－14 例7－5
解 ： 根 据 图 6 － 15(b) 波 形 ， 按 照 时 间 分 段 来 进 行 计 算 1.当t0时，i(t)=0，根据式7－10可以得到
di 6 d( 0 ) u( t ) L 5 10 0 dt dt
2.当0t3s时，i(t)=2103t，根据式7－10可以得到
t 1 t 3 iL ( t ) u( )d iL ( 2) 2 10 10 3 d 0 2( t 2)A 2 L 当 t 3s 时 iL ( 3s) 2A
5.当3s<t<4s时，u(t)=-1mV，根据式7－11可以得到
t 1 t 3 iL ( t ) u( )d u( 3) 2 10 ( 10 3 )d 2A 2( t 3)A 3 L 当 t 4s 时 iL (4s) 0A
四、电感的串联和并联
1. 两个线性电感串联单口网络，就其端口特性而言，等效 于一个线性电感，其等效电感的计算公式推导如下：
列出图7－18(a)的KVL方程，代入电感的电压电流关系， 得到端口电压电流关系
图7－18
di di di di u u1 u2 L1 L2 ( L1 L2 ) L dt dt dt dt
3.当1s<t<2s时，u(t)=-1mV，根据式7－11可以得到
t 1 t 3 iL ( t ) u( )d iL (1) 2 10 10 3 d 2A 2( t 1)A 1 L 当 t 2s 时 iL ( 2s) 0A
4.当2s<t<3s时，u(t)=1mV，根据式7－11可以得到
用后一瞬间的电感电流值。
(7 12)
利用电感电流的连续性，可以确定电路中开关发生作
例7－7 图7－17(a)所示电路的开关闭合已久，求开关在t=0断 开时电容电压和电感电流的初始值uC(0+)和iL(0+)。
图7－17
图7－17
解：由于各电压电流均为不随时间变化的恒定值，电感相
当于短路；电容相当于开路，如图(b)所示。 此时
根据以上计算结果，可以画出电感电流的波形如图7－ 16(c)所示，由此可见任意时刻电感电流的数值与此时刻
以前的电感电压均有关系。
图7－16
在幻灯片放映时，请用鼠标单击图片放映录像。
(2)电感电流的连续性
从电感电压、电流的积分关系式可以看出,电感电压在
闭区间[t1,t2]有界时，电感电流在开区间(t1,t2)内是连续的。
10V iL ( 0 ) 1A 4 6
6 uC (0 ) 10V 2V = 4V 4 6
当开关断开时，电感电流不能跃变；电容电压不能跃变。
iL (0 ) iL (0 ) 1A
uC (0 ) uC (0 ) 4V
三、电感的储能
在电压电流采用关联参考方向的情况下，电感的吸收 功率为
t t
若电感的初始储能为零，即i(t0)=0,则任意时刻储存在
电感中的能量为
1 2 WL ( t ) Li ( t ) 2
(7 13)
此式说明某时刻电感的储能取决于该时刻电感的电流 值，与电感的电压值无关。电感电流的绝对值增大时，电
感储能增加；电感电流的绝对值减小时，电感储能减少。
由于电感电流确定了电感的储能状态，称电感电流为 状态变量。 从式(7－13)也可以理解为什么电感电流不能轻易跃变， 这是因为电感电流的跃变要伴随电感储存能量的跃变，在 电压有界的情况下，是不可能造成磁场能量发生突变和电 感电流发生跃变的。
3 di d ( 2 10 t) u( t ) L 5 10 6 10 10 3 V = 10mV dt dt
图7－14 例7－5
3. 当3st4s时， i(t)=24103-6103t，根据式7－10 可以得到
3 3 di d ( 24 10 6 10 t) 6 u( t ) L 5 10 dt dt 30 10 3 V = 30mV
1 2 WL ( t ) Li ( t ) 2
二端电阻，二端电容和二端电感是三种最基本的电路元件。 它们是用两个电路变量之间的关系来定义的。这些关系从下 图可以清楚看到。在四个基本变量间定义的另外两个关系是
dq ( t ) i(t ) dt d ψ( t ) u( t ) dt
四个基本电路变量之间的关系
电感电压的数值与电感电流的数值之间并无确定的关 系，例如将电感电流增加一个常量k，变为i(t)=k+10sin5tA
时，电感电压不会改变，这说明电感元件并不具有电阻元
件在电压电流之间有确定关系的特性。
例7－5 电路如图7－14(a)所示，已知L=5H电感上的电流 波形如图7－14(b)所示，求电感电压u(t),并画出波形图。