在理化學(xué)研究所的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功利用量子效應(yīng)將稱(chēng)為電感器的電子元件縮小到微米級(jí)之后，手機(jī)充電器和其他設(shè)備預(yù)計(jì)會(huì)變得更小。
電感器是現(xiàn)代電路的基本構(gòu)建模塊，其應(yīng)用廣泛，包括信息處理、無(wú)線(xiàn)電路和移動(dòng)設(shè)備充電器。 它們基于英國(guó)物理學(xué)家邁克爾·法拉第 1831 年發(fā)現(xiàn)的感應(yīng)定律。盡管自那時(shí)以來(lái)物理學(xué)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但電感器的基本原理基本保持不變，它們基本上都是線(xiàn)圈。
與其他電路元件不同，電感器很難小型化，因?yàn)樗鼈兊碾姼须S著尺寸的增大而減小，因此如果將其尺寸減半，電感也會(huì)減半。
現(xiàn)在，RIKEN 應(yīng)急材料科學(xué)中心的 、 和他們的同事設(shè)計(jì)了一種相當(dāng)于商用電感器的微電感器英語(yǔ)作文，但元件體積小了約一百萬(wàn)倍。
他們通過(guò)使用一種依賴(lài)量子效應(yīng)產(chǎn)生電感的新機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。 基于這種機(jī)制的電感器可以很容易地縮小尺寸，因?yàn)樗鼈兊碾姼袑?shí)際上隨著橫截面積的減小而增加。
說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)的量子力學(xué)起源。這對(duì)于微型化電感器具有巨大潛力，電感器是當(dāng)代電路中最基本的組件之一。”
作者之一 Naoto 此前基于新興電磁學(xué)理論提出了一種新的電磁感應(yīng)機(jī)制，這是一種新形式的電磁學(xué)，源自特殊設(shè)計(jì)系統(tǒng)中傳導(dǎo)電子的量子力學(xué)特性。 在這項(xiàng)研究中，研究小組通過(guò)使用微米大小的磁鐵實(shí)現(xiàn)了這種效果。 產(chǎn)生磁性的電子自旋排列成螺旋圖案，模仿傳統(tǒng)感應(yīng)器的線(xiàn)圈。
指出這項(xiàng)研究的成功取決于RIKEN的協(xié)作環(huán)境。 “理論家和實(shí)驗(yàn)家之間的強(qiáng)有力合作對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目至關(guān)重要。特別是，實(shí)驗(yàn)家在制造先進(jìn)量子材料方面擁有豐富的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，”他說(shuō)。
該團(tuán)隊(duì)的納米級(jí)電感器只能在非常低的溫度下工作，因此他們現(xiàn)在正在尋找在高溫下表現(xiàn)相似的材料。 “對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，我們必須找到一種在室溫及以上溫度下產(chǎn)生電感的材料。我們已經(jīng)開(kāi)始尋找預(yù)期的材料，”他說(shuō)。
關(guān)于電感器的知識(shí)
電感是電氣和電子電路中的關(guān)鍵參數(shù)。 與電阻和電容一樣安培物理學(xué)家，它是一種基本的電氣測(cè)量，在一定程度上影響所有電路。
電感器用于電氣和電子系統(tǒng)和電路的許多領(lǐng)域。 元件可以采用多種形式并有多種名稱(chēng)：線(xiàn)圈、電感器、扼流圈、變壓器等。每種元件還可以有許多不同的變體：帶芯和不帶芯。 ，并且芯材可以是不同類(lèi)型的。
了解電感以及電感器和變壓器的不同形式和格式有助于了解電氣和電子電路中發(fā)生的情況。
電感器基礎(chǔ)知識(shí)
電感是電感器在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中存儲(chǔ)能量的能力。 建立磁場(chǎng)需要能量，當(dāng)磁場(chǎng)下降時(shí)需要釋放能量。 由于與電流相關(guān)的磁場(chǎng)，電感器產(chǎn)生與電路中電流變化率成正比的反向電壓。
電感是由電路內(nèi)流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)引起的。 通常，使用線(xiàn)圈，因?yàn)榫€(xiàn)圈增加了磁場(chǎng)的耦合并增強(qiáng)了效果。
電感器的使用方法有兩種：
自感：自感是電路（通常是線(xiàn)圈）的一種特性，由于電流引起的磁效應(yīng)，電流的變化導(dǎo)致電路中電壓的變化。 可以看出，自感適用于單個(gè)電路——換句話(huà)說(shuō)，它是一種電感，通常在單個(gè)線(xiàn)圈中。 這種效果適用于單個(gè)線(xiàn)圈或扼流圈。
互感：互感是一種感應(yīng)效應(yīng)，由于連接兩個(gè)電路的磁場(chǎng)，一個(gè)電路中的電流變化會(huì)導(dǎo)致第二個(gè)電路上的電壓變化。 此效果與變壓器一起使用。
電感單位定義
當(dāng)在電路圖上或方程中表示電感時(shí)，通常使用符號(hào)“L”。 在電路圖中，電感器通常標(biāo)記為L(zhǎng)1、L2等。
電感的SI單位是亨利H，可以通過(guò)電流和電壓的變化率來(lái)定義。
電感的作用
當(dāng)電流在導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)，無(wú)論是直導(dǎo)體還是線(xiàn)圈形式，都會(huì)在導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，這會(huì)影響電路制造后電流的形成方式。
就電感如何影響電路而言，它有助于研究電路如何工作，首先是直流，然后是交流。 盡管它們遵循相同的定律并具有相同的效果，但它有助于說(shuō)明直流示例更簡(jiǎn)單，并且該示例可以用作交流示例的基礎(chǔ)。
直流電：當(dāng)電路連接時(shí)，電流開(kāi)始流動(dòng)。 當(dāng)電流增加到其穩(wěn)定值時(shí)，它產(chǎn)生的磁場(chǎng)累積到其最終形狀。 當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電壓，根據(jù)楞次定律，該電壓預(yù)計(jì)會(huì)返回到線(xiàn)圈本身。
帶電池和電阻的電路中的電感器
電路的時(shí)間常數(shù) T（以秒為單位）將包括電感值 L 和相關(guān)的電路電阻 R 歐姆，并且可以計(jì)算為 L/R。 T 是電流 I 安培升至最終穩(wěn)態(tài) V/R 值 0.63 的時(shí)間。 磁場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量為 1/2 LI 2。
向電感器施加穩(wěn)定電壓時(shí)電流上升
當(dāng)電流被切斷時(shí)安培物理學(xué)家，這意味著電路的電阻實(shí)際上突然上升到無(wú)窮大。 這意味著 L/R 之比變得非常小，磁場(chǎng)下降得非常快。 這代表磁場(chǎng)發(fā)生了很大的變化，因此電感器試圖保持電流流動(dòng)，并建立反電動(dòng)勢(shì)來(lái)抵抗由磁場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量引起的電流。 電壓意味著開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)上可能會(huì)出現(xiàn)火花，尤其是當(dāng)觸點(diǎn)打開(kāi)時(shí)。 這可能會(huì)導(dǎo)致任何機(jī)械開(kāi)關(guān)出現(xiàn)接觸凹痕和磨損。 在電子電路中，這種反電動(dòng)勢(shì)會(huì)損壞半導(dǎo)體器件，因此經(jīng)常采用降低這種反電動(dòng)勢(shì)的方法。
交流電：對(duì)于交流電通過(guò)電感器的情況，使用相同的基本原理，但由于波形是重復(fù)的，我們傾向于查看電感器響應(yīng)方式略有不同，因?yàn)檫@樣更方便。
就其本質(zhì)而言，交替波形總是在變化。 這意味著產(chǎn)生的磁場(chǎng)始終在變化，并且始終存在感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)。 結(jié)果，電感器由于其電感而阻止交流電流流過(guò)它。 這是除了由電線(xiàn)的歐姆電阻引起的電阻之外的。
這意味著，如果電感器具有低歐姆電阻，它將以非常小的損耗通過(guò)直流，但會(huì)對(duì)任何高頻信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗。 電感器的這一特性可用于確保任何高頻信號(hào)不會(huì)通過(guò)電感器。
電感的另一個(gè)方面是電感器和電容器的電抗可以在電路中共同作用以相互抵消。 這稱(chēng)為諧振，廣泛用于帶通濾波器。
電線(xiàn)和線(xiàn)圈的電感
直線(xiàn)和線(xiàn)圈都有電感。 通常，線(xiàn)圈用于電感器，因?yàn)榫€(xiàn)圈不同匝之間的磁場(chǎng)鏈接增加了電感并允許將電線(xiàn)包含在較小的體積中。
對(duì)于大多數(shù)低頻應(yīng)用，直導(dǎo)線(xiàn)的電感可以忽略不計(jì)，但隨著頻率增加到 VHF 區(qū)域及以上，導(dǎo)線(xiàn)本身的電感變得很大，互連線(xiàn)必須保持較短，以盡量減少影響。
雖然有一些計(jì)算方法可以精確計(jì)算導(dǎo)線(xiàn)的電感，但線(xiàn)圈的電感稍微復(fù)雜一些，并且取決于多種因素，包括線(xiàn)圈的形狀以及線(xiàn)圈內(nèi)部和周?chē)牧系某?shù)。