陳奮策 林冰冰

(福建教育學(xué)院，福建 福州 350025)

似穩(wěn)條件與無(wú)極燈工作原理

陳奮策 林冰冰1

(福建教育學(xué)院，福建 福州 350025)

文章從電磁場(chǎng)的理論出發(fā)，對(duì)似穩(wěn)條件包含的必要條件和充分條件進(jìn)行了分析，論證了似穩(wěn)電路與穩(wěn)恒電路相似，但也有一些例外；并以無(wú)極燈工作原理實(shí)例說(shuō)明例外所在。

似穩(wěn)電路；似穩(wěn)條件；無(wú)極燈；渦旋電場(chǎng)；位移電流

近代無(wú)線電電子學(xué)里，對(duì)不同的波段(從射頻到微波)，處理的方法都不一樣。在頻率較低時(shí)的交流電路中，通常使用具有集中參量的元件，電路的性質(zhì)與穩(wěn)恒電路有很多方面相似，這類電路稱為似穩(wěn)電路。與文獻(xiàn)[1-2]不同，本文從電磁場(chǎng)理論的高度，對(duì)似穩(wěn)條件做整體上的分析，指出似穩(wěn)電路與穩(wěn)恒電路有很多方面相似外，但也有一些例外；并以無(wú)極燈實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

一、似穩(wěn)條件與電磁場(chǎng)理論意義

(一)似穩(wěn)條件

我們知道電磁學(xué)中電路中的能量是通過(guò)電磁場(chǎng)來(lái)傳播的[3-5]，電磁能量在導(dǎo)體之外的空間沿著導(dǎo)線表面以光速傳到負(fù)載，然后沿著它側(cè)面輸入，似穩(wěn)電路也一樣。似穩(wěn)電路中與穩(wěn)恒電路的相似或不相似的區(qū)別在于基爾霍夫定律成立與否，似穩(wěn)電路成立的條件包括必要條件和充分條件。

1.電路成立的必要條件

即電磁波的波長(zhǎng)λ遠(yuǎn)大于電路的尺寸λ，電磁場(chǎng)的變化傳佈整個(gè)電路所需要的時(shí)間/l c遠(yuǎn)小于一個(gè)周期T；在/l c時(shí)間內(nèi)，電流、電荷和電磁場(chǎng)的分布都來(lái)不及發(fā)生顯著的變化；這種情況下，每一時(shí)刻電磁場(chǎng)的分布與同一時(shí)刻的電流、電荷的分布的關(guān)系，和穩(wěn)恒電路一樣，只是它們一起同步地做緩慢的變化。記電磁波通過(guò)l所需的時(shí)間/t l c=，電源的周期1/T f=遠(yuǎn)大于t，或電源的圓頻率。

2.似穩(wěn)電路成立的充分條件

似穩(wěn)電路成立的充分條件：交流電路中的電感和電容元件把磁場(chǎng)和電場(chǎng)集中在自己內(nèi)部很小的范圍內(nèi)。

(二)似穩(wěn)條件的電磁場(chǎng)理論解析

下面從電磁場(chǎng)理論來(lái)分析似穩(wěn)電路成立。我們知道，電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ)是以下的麥克斯韋方程組[4.5]。電磁場(chǎng)量滿足

它們和介質(zhì)電磁性質(zhì)方程構(gòu)成闡述電磁場(chǎng)性質(zhì)的完備方程組，介質(zhì)電磁性質(zhì)最簡(jiǎn)單的關(guān)系式是

根據(jù)麥克斯韋假設(shè)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦旋電場(chǎng)稱感生電場(chǎng)。感生渦旋電場(chǎng)E滿足②方程中

滿足⑤式的積分為零，似穩(wěn)電路與穩(wěn)恒電路相似。

在滿足電磁場(chǎng)方程⑥⑦情況下，似穩(wěn)電路的性質(zhì)與穩(wěn)恒電路相似。

二、似穩(wěn)電路與穩(wěn)恒電路不相似的例外

似穩(wěn)電路的性質(zhì)與穩(wěn)恒電路不相似的個(gè)別例外，不滿足⑥⑦方程，有兩種情況：

（一）感生電場(chǎng)較大

不滿足似穩(wěn)電路成立的必要條件⑥，似穩(wěn)電路的性質(zhì)與穩(wěn)恒電路不相似。

（二）位移電流較大

由于電流(包含傳導(dǎo)電流0I和位移電流dI)連續(xù)，如果電路中電流較大，即當(dāng)某時(shí)刻位移電流大小和方向等同于該時(shí)刻電路中的傳導(dǎo)電流，即位移電流密度位移電流

不滿足似穩(wěn)電路成立的充分條件⑦，似穩(wěn)電路的性質(zhì)與穩(wěn)恒電路不相似。

三、無(wú)極燈的工作原理與穩(wěn)恒電路不相似的例外

無(wú)極燈是綜合應(yīng)用光學(xué)、功率電子學(xué)、等離子體學(xué)、電介質(zhì)和磁性材料學(xué)等領(lǐng)域最新科技成果研制開(kāi)發(fā)出來(lái)的高新技術(shù)產(chǎn)品，是一種高光效、長(zhǎng)壽命、高顯色性的新型光源。無(wú)極燈沒(méi)有傳統(tǒng)光源的燈絲電極,依靠電磁感應(yīng)形成等離子氣體放電的基本原理而發(fā)光[6]。無(wú)極燈主要由頻率發(fā)生器、功率耦合器和玻璃泡殼三部分組成，通過(guò)電磁感應(yīng)方式將能量耦合到燈泡內(nèi)。燈泡內(nèi)充有適量的特種氣體，高頻能量使之電離或激發(fā)，激發(fā)后的原子從較高能級(jí)返回基態(tài)時(shí)，發(fā)出紫外光子，紫外光子激發(fā)泡殼內(nèi)壁的熒光粉產(chǎn)生可見(jiàn)光。下面我們以(電源)低頻230KHz無(wú)極燈為例子說(shuō)明。

無(wú)極燈的電磁感應(yīng)方式能量耦合有電感耦合和電容耦合兩種方式。

(一)電感耦合的方式與例外

1.電感耦合的方式

現(xiàn)有無(wú)極燈的功率耦合器一般是采用電感耦合的方式。如圖1，每個(gè)磁環(huán)上繞有N(如N=16)匝電線圈(電線圈與磁環(huán)構(gòu)成電感)。無(wú)極燈(與通常實(shí)驗(yàn)室電子儀器相當(dāng))的尺寸l為幾厘米到幾十厘米的量級(jí)，無(wú)極燈電源頻率f=230KHz，滿足似穩(wěn)的必要條件①，即

在穩(wěn)恒情況下，通以直流電流0I(如0I=1A)，磁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場(chǎng)的大小為，其中n為單位長(zhǎng)度電流圈數(shù)，μ為磁環(huán)的磁導(dǎo)率(如5000?μ高斯?米/安)，產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)

頻率發(fā)生器(未圖示)產(chǎn)生一定頻率為230KHz的正弦交變的電壓(約100伏)，加到電線圈的兩端，在交流電流變化的一個(gè)周期T內(nèi)，電磁波在時(shí)間內(nèi)沿著導(dǎo)線繞(傳播)N圈數(shù)，電流、電荷和電磁場(chǎng)的分布都來(lái)不及發(fā)生顯著的變化，每一內(nèi) (每一時(shí)刻)N圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的分布與同一內(nèi)(同一時(shí)刻)的N圈電流的分布的關(guān)系，近似和穩(wěn)。圖1低頻電感耦合無(wú)極燈示意圖恒電路一樣為，只是它們一起同步地做緩慢的變化。每個(gè)磁環(huán)上繞有的n匝交變電流，在似穩(wěn)情況下，在磁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生交變的大小為的交變磁場(chǎng)；交變的磁場(chǎng)又在燈泡內(nèi)產(chǎn)生交變的電場(chǎng)，該交變電場(chǎng)對(duì)燈泡內(nèi)電子加速，把電磁能量耦合到燈管內(nèi)。

圖1 低頻電感耦合無(wú)極燈示意圖

2.與穩(wěn)恒電路不相似的例外Ⅰ

(二)電容耦合方式與例外

1.電容耦合的方式

另一種利用電容耦合方式制作功率耦合器[7]，實(shí)現(xiàn)無(wú)極燈的發(fā)光。電容功率耦合器包括兩電極板平行設(shè)置的電容，電容的兩電極板之間填充有電介質(zhì)。電容可以是串聯(lián)或并聯(lián)。

圖2 低頻電容耦合示意圖

如圖2(實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于圖1中磁環(huán)部分的一段)，頻率發(fā)生器(未圖示)產(chǎn)生一定頻率230KHz的正弦交變的高電壓，加到電線圈1的兩端，通過(guò)導(dǎo)線連接在電容的兩端電極板上，電容通過(guò)通以交變電流的N匝導(dǎo)線導(dǎo)線纏繞圖2低頻電容耦合示意圖在磁性環(huán)2上，3是燈管的一部分。電容在正弦交變的高電壓的作用下均產(chǎn)生了交變的“位移電流”，“位移電流”使電流連續(xù)，交變電流和“位移電流”產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。

無(wú)極燈的頻率在230KHz，滿足似穩(wěn)電路的要求，類比電感耦合情況，在交流電流變化的一個(gè)周期T內(nèi)，電磁波在時(shí)間內(nèi)沿著導(dǎo)線繞(傳)N圈數(shù)，電流、電荷和電磁場(chǎng)的分布都來(lái)不及發(fā)生顯著的變化，每一內(nèi)N圈電流產(chǎn)生的“位移電流”的分布是同一內(nèi)某一時(shí)刻的1圈“位移電流”的N倍。N圈交變電流(含傳導(dǎo)電流和位移電流)在磁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)；交變的磁場(chǎng)又在燈泡內(nèi)產(chǎn)生交變的電場(chǎng)，把電磁能量耦合到燈管內(nèi)；即可以通過(guò)電容提供電容耦合，又可以提供電感耦合。

2.與穩(wěn)恒電路不相似的例外Ⅱ

如上所述，在無(wú)極燈電容器中有較強(qiáng)的電場(chǎng)，分布的范圍大；因電流連續(xù)，位移電流總是與導(dǎo)線中的傳導(dǎo)電流相等，位移電流較大不可忽略的，滿足⑨式，不滿足似穩(wěn)電路成立的必要條件⑦，即位移電流密度位移電流較大不滿足似穩(wěn)電路成立的必要條件⑦，是似穩(wěn)電路的性質(zhì)與穩(wěn)恒電路不相似的又一種例外Ⅱ。

以上用電磁場(chǎng)理論分析了似穩(wěn)電路的性質(zhì)與穩(wěn)恒電路的相似面，以及與穩(wěn)恒電路不同的例外，并以無(wú)極燈耦合時(shí)的實(shí)例進(jìn)行論證。不同的電路性質(zhì)要用不同的處理的方法，例如，似穩(wěn)電路分析可以用基爾霍夫定律；處理無(wú)極燈耦合時(shí)基爾霍夫定律失效，可以用變壓器耦合理論[6]。

[1]張吉旭.淺析似穩(wěn)條件，集總條件與電路方程的關(guān)系[J].甘肅科技縱橫,2010(1).

[2]張百新,趙振華.談交變電路中電路理論近似應(yīng)用的條件[J].浪陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2007(3).

[3]楊通銘.穩(wěn)恒及似穩(wěn)電路中電磁能的傳輸[J].黔東南民族師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2006(3).

[4]趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京:人民教育出版社,1978.

[5]郭碩鴻.電動(dòng)力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1997.

[6]陳育明,陳大華,李維德,等.LVD無(wú)極燈[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2009.

[7]陳奮策.發(fā)明專利“一種無(wú)極燈的耦合發(fā)光方法及其結(jié)構(gòu)”(專利號(hào)201110156582.9).

0441.3

A

1673-9884(2015)01-0120-04

2014-10-25

2012年福建省科技廳工業(yè)科技重點(diǎn)項(xiàng)目(2012H0008)

陳奮策(1954- )，男，福建福州人，福建教育學(xué)院教授，博士。