2.4.5 自感磁场的能量

§4．5 自感磁场的能量

4．5．1、自感

(1)自感电动势、自感系数

回路本身的电流变化而在回路中产生的电磁感应现象叫自感现象。在自感现象中回路产生的电动势叫自感电动势。由法拉第电磁感定律

这里磁通是自身电流产生磁场的磁通，按照毕奥—萨尔定律，线圈中的电流所激发的磁场的磁感应强度的大小与电流强度成正比。因而应有。根据法拉第电磁感应定律，可得自感到电动势

式中L为比例系数，仅与线圈的大小、形状、匝数以及周围介质情况有关，称为自感系数。在国际单位制中，自感系数的单位是亨利。式中负号表示自感电动势的方向。当电流增加时，自感电动势与原有电流的方向相反；当电流减小时，自感电动势与原有电流的方向相同。要使任何回路中的电流发生改变，都会引起自感应对电流改变的反抗，回路的自感系数越大，自感应的作用就越强，改变回路中的电流也越困难。因此自感系数是线圈本身“电磁惯性”大小的量度。

(2)典型的自感现象及其规律

如图4-5-1所示电路由电感线圈L和灯泡A，以及电阻R和灯泡B组成两个支路连接在一个电源两端。A、B灯泡相同，当K闭合瞬时，L—A支路中，由于L的自感现象，阻碍电流增大，所以A不能立即发光，而是逐渐变亮，而B立即正常发光。当稳定后，电流不再变化时，L只在电路中起一个电阻的作用。流过L—A支路的电流，此时L中贮存磁场能为

(在后介绍)

当K断开瞬间，L中电流要减小，因而会产生自感电动势ε，在回来L—A—B—R中产生感应电流，从能量观点来看，L释放线圈中磁场能，转变成电能消耗在回路中，所以A、B灯泡应是在K断开后瞬间逐渐熄灭，其回路中电流时间变化如图4-5-2所示。

4．5．2、磁场的能量

见图4-5-3，当K闭合后，回路中电流ι将从零不断增加，而自感系数为L的线圈中将产生自感电动势阻碍电流的增加，和合起来产生电流通过电阻R

即       

式中是变化的，方程两边乘以并求和图5-2-1

显然，方程的左边是电源输出的能量，而方程右边第一项是在电阻R上产生的焦耳热，那剩下的一项显然也是能量，是储存在线圈中的磁场能，下面我们求它的更具体的表达式：

K刚闭合时，=0，而当电路稳定后，电流不再变化，自感电动势变为零，稳定电流(忽略电源内阻)，这个求和式的求和范围从0到I，令，y=并以为横作标，y为纵坐标做一坐标系，则y=在坐标系中为第一象限的角平分线。在横作标处取，很小，可认为对应的y为常量，窄条面积，把从0到I的所有窄条面积加起来即为y=与轴所夹三角形面积，故

代入可知储存线圈内的能量。

从公式看，能量是与产生磁场的电流联在一起的，下面我们求出直螺线管的自感系数从而证实能量是磁场的。设长直螺线管长为l，截面积为S，故绕有N匝线圈，管内为真空。当线圈中通有电流I时，管内磁场的磁感应强度，通过N匝线圈的磁通量

与相比较，可得

将代        ，

代入磁场能量式

单位体积的磁场能量为       

与电场的能量密度相比较，公式何等相似。从电学、磁学公式中，我们知道对应于，公式的相似来源于电场，磁场的对称性。

磁场的能量密度公式告诉我们，能量是与磁场联系在一起的。只要有磁场，就有，就有能量。另外，公式虽是从长直螺线管的磁场这一特例推导出来，但对所有磁场的均适用。

典型例题

例1、如图4-5-5所示的电路中，电池的电动势，内阻开始时电键K与A接通。将K迅速地由A移至与B接通，则线圈L中可产生的最大自感电动势多大？

分析：K接在A点时，电路中有恒定电流I，当K接至B瞬间时，线圈中自感所产生的感应电动势应欲维持这一电流，此瞬时电流I就是最大值，维持此电流的感应电动势就是最大自感电动势。

解：L为纯电路，直流电阻不计，K接在A时，回路稳定时电流I为

当K接到B点时，线圈中电流将逐渐减小至零，但开始时刻，电流仍为，根据欧姆定律，维持这电流的瞬时自感电动势为

以后电流变小，自感电动势也减小直至零。

例2、由半径毫米的导线构成的半径厘米的圆形线圈处于超导状态，开始时线圈内通有100安培的电流。一年后测出线圈内电流的减小量不足安培，试粗略估算此线圈电阻率的上限。

解：线圈中电流的减小将在线圈内导致自感电动势，故

(1)              

式中L是线圈的自感系数

在计算通过线圈的磁统量时，以导线附近即处的B为最大，而该处B又可把线圈当成无限长载流导线所产生的，即

＜

＜           (2)

而                (3)

把式(2)和式(3)代入式(1)，得

 ＜        (4)

把米，米，安培及

＜安培/秒

代入式(4)得

＜欧姆/米

这就是超导线圈电阻率的上限。