螺线管式电磁铁长直密绕螺线管的自感系数数怎样计算的呢?

《工程电磁场导论》p121介绍了这个问题,然而解答过程中有一步令人困惑不已:求磁链时,必须注意,与 d\phi_{i} 相交链的电流不是 I ,仅是它的一部分 I^{'} ,且I^{'}=\frac{\pi\rho^{2}}{\pi R_{1}^{b}}I=\frac{\rho^{2}}{R_{1}^{2}}I 因此,与 d\phi_{i} 相应的元磁链为d\psi_{i}=\frac{I^{'}}{I}d\phi_{i} 内导体中的自感磁链总量为\psi_{i}=\int d\psi_{i} 所谓与 d\phi_{i} 相交链的电流不是 I ,仅是它的一部分 I^{'} ,符合直观认知;而与 d\phi_{i} 相应的元磁链为 d\psi_{i}=\frac{I^{'}}{I}d\phi_{i} 就真的让人费解了。在网上搜索了一些资料,对这步的解释都含糊其辞,无法令人耳目一新。究其原因,对于回路的磁通和线圈的磁链是有清晰定义的(对应所谓外自感),但是对于三维分布的电流密度,或者说有一定截面积的导体回路,并没有清晰定义过相应的磁通和磁链(对应所谓内自感),以致不知道如何正确着手分析和计算。在介绍计算三维导体的自感系数的方法前,应当对自感系数这个物理概念做出一定的分析。什么是自感?常见的一种引入方式,是由穿过闭合回路的磁通正比于回路电流这个事实(可以理论证明),来定义比例系数为自感系数。但是从更本质的角度看,自感和互感是关联磁场能的一个物理量,就像电容是关联电场能的物理量一样,即\frac{1}{2}LI^{2}=\int_{V}\frac{1}{2}H\cdot BdV\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot(1) 等式右边事实上可以推导出左边,把等式左侧的比例系数L 定义为自感系数是合理的。按照公式 (1) 来计算同轴电缆的自感系数,得到的结果跟课本中相同。根据公式 (1) ,可以推导出两种不同的计算有一定截面积的导体回路的磁链的公式,分别为\psi=\frac{1}{I}\int id\Phi (磁链法)\psi=\frac{1}{I}\int \phi di (平均磁通法)这两种方法都从磁通和电流不完全链结的概念出发,对磁通匝链数作某种有权重的平均,只不过计算中磁通和电流的地位对调。其中磁链法常见于电工学中。因为两者存在一定程度上对易的关系,而且考虑到磁力管更容易描述(因为磁场是闭合曲线,而电流管可能延申至无穷远,在同轴电缆里就是这种情况),只推导磁链法的表达式。令 L=\frac{\psi_{eff}}{I} 则 \psi_{eff}=\frac{1}{I}\int_{V}H\cdot BdV (这就是有一定截面积的导体回路的磁链的定义)交链的磁力管与电流管考虑一对相互交链的磁力管和电流管(所谓管,是指场量与管的任意截面元矢量的点积为常量,对于磁场,就是磁通不变,对于电流密度,就是电流大小不变)\int_{V}H\cdot BdV= \int_{V}H\cdot BdSdl= \int_{S}(\oint_L H\cdot dl) BdS 其中,第二步是把体积元作分解,并考虑到B 和 dl 的方向一致(磁力管足够细,以致不需要考虑管本身的截面积);第三步是因为对磁力管,磁通 BdS 不变,提到环路积分外侧。根据安培环路定则, \oint_L H\cdot dl 等于与磁力管回路交链的电流,由此得到\psi_{eff}=\frac{1}{I}\int_{S}(\oint_L H\cdot dl) BdS=\frac{1}{I}\int id\Phi 这里重新强调一下第三个等号后的式子中各个物理量的含义: d\Phi 是我们所划分出来的磁力管的任意截面的磁通, i 是与这个磁力管交链的电流大小,积分遍及的区域是所有磁场存在的空间,而系数的分母 I 是整个闭合回路的电流(上述公式都是对似稳或者静态的情况成立,因此根据电荷守恒律可知,对回路任意截面而言 I 是定值)。证明了磁链法的公式,我们就能用这个公式来计算同轴电缆内导体单位长度的内自感了。过程比较简单,所以只提一下大致思路:把内导体中的磁场划分为一系列同心圆磁力管,每个磁力管只与该圆内的电流交链,而回路电流已知,表达式都化为径向变量 \rho 的函数,从0积分至内导体半径即可。上述内容参考赵凯华《也谈“三维导体”的自感系数》,文中对平均磁通法也有详细的证明。}
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