我们了解了导线上是否有电感,而且有哪些电感,以及怎么来计算等等问题。那么导线上的那么多乱七八糟的电感有什么作用?它又是如何影响传输线的?
作为电感,主要对导线有如下两个作用:
1. 当周围磁力线匝数发生变化时导体两端会产生感应电动势(电磁感应):
V = ΔN/Δt = L*ΔI/Δt = L*dI/dt。
它的意思是:当导线自身电流发生变化时,它通过自感产生了自感电动势,并导致阻碍导线自身电流的变化。
所以从原理来说,这相当于一个电感器的作用,会阻碍导线中电流的变化:当导线中电流变大时会阻碍电流变大,同样在导线中电流变小时会阻碍其电流变小。
2. 当导线边上有相邻的导线,则会通过互感在相邻导线上产生感应电动势,从而形成感应电压噪声(感性串扰产生的是电压噪声,容性串扰产生的是电流噪声)。
电感与导线中电流分布有关么?
我们知道当导线中通过直流电流时,导线中的电流分布是均匀的,计算的磁力线匝数重点关注导线外的磁力线,事实上如下图金箍棒的横截面所示导线内部也存在磁力线(上篇所述的内电感),是导线自感的一部分。
导线内部和外部磁力线圈都会影响自感,我们称它们为:内部自感和外部自感。
如下左图所示当电流聚集在金箍棒的中间I1或者分散在边缘I2(I1 = I2),它们的自感一样么?
如上右图所示,I1和I2的磁力线只是分别围绕在I1和I2的外面,I1和I2电流大小相等,那么在I2圈外呈现的I1和I2的磁力线匝数(电感)相同;但是在导线内部I1存在着相比于I2更多的磁力线匝数(内部自感部分),这些多出来的磁力线匝数就是I1相对于I2更大的电感量。
如下图所示为电流在导线内部和外部的磁场强度,导线内部的磁场产生内部自感,而导线外部的磁场产生外部自感;外部自感比内部自感大得多,因此传输线每单位长度电感近似于外部自感。
电感对电流分布的影响
我们知道了圆导线(当然也包括扁导线)的电感为内部自感和外部自感之和,其内部自感是会变化的:
1. 当用一根载流导线去靠近另一根载流导线时,那么两根导线的磁场会相互影响,使得导线上的电流分布不均匀,如果两根导线的电流方向相反,那么在两根导线相对的表面上电流密度最大,这称为邻近效应(下面章节具体分析)。
2. 当一个导线的载流频率增加,那么导线中电流会趋于集中到导线的外表面,从而内电感会不断减小,而外电感保持不变,从而导致总电感下降,但是对总电感的影响并不大;这种电流分布趋于到导线外表面的现象,称为趋肤效应。
但是为什么外部自感不会变化呢?
因为内电感的变化源于导线内部电流分布的变化,但是内部电流分布再怎么变化,也不会跑到导线外面来,所以从导线外面看来,其内部电流大小和方向都没发生任何变化,当然外部磁力线也不可能发生变化,即外部自感也不变。