螺旋线圈的分布电容及其磁电容效应VIP免费

AppliedPhysics应用物理,2013,3,44-49doi:10.12677/app.2013.32009PublishedOnlineMarch2013(http://www.hanspub.org/journal/app.html)DistributedCapacitanceofSpiralCoilsandItsMagneto-CapacitanceEffectYingyingWang1,JiansenGao2,XiaobinLuo1,YingZhang1,NingZhang1*1JiangsuKeyLaboratoryonOpto-ElectronicTechnology,MagneticElectronicsLaboratory,NanjingNormalUniversity,Nanjing2BasicTeachingDepartment,SuqianCollegeofJiangsuProvince,SuqianEmail:*zhangning@njnu.edu.cnReceived:Feb.20th,2013;revised:Mar.1st,2013;accepted:Mar.14th,2013Abstract:Thecharacteristicsofdistributedcapacitanceandimpedanceofhollowcoilsarestudiedtheoreticallyandexperimentally.Thefrequencycharacteristic,thenumberofturnsandwindingmodedependentcapacitorofthecoil,andtheimpedanceversusnumberofturnsofhollowcoilshavebeenmeasured,respectively.Thedistributedcapaci-tancehasbeenobservedalmostirrelevanttothenumberofturnsandthewindingwaysofthecoilswhenthenumberofturnsisgreaterthan10.Bymeasuringthemagneto-capacitanceeffectofspiralcoil,itwasfoundthatthedistributedcapacitanceofcoilrelatestothecoilmaterial,suggestingtheinfluenceofskineffect.Fromthecoilequivalentcircuit,combiningwiththeskineffect,anapproximateformulaofdistributedcapacitanceandimpedancehavebeenworkedout.Analysisshowedthatthedistributedcapacitanceofcoilmainlyoriginatesfromlinecapacitanceandthecapacitancebetweenturns.Keywords:SpiralCoil;DistributedCapacitance;Magnetocapacitance螺旋线圈的分布电容及其磁电容效应王莹莹1，高建森2，罗小彬1，张颖1，张宁1*1南京师范大学磁电子学实验室，江苏省光电技术重点实验室，南京2江苏省宿迁学院基础教学部，宿迁Email:*zhangning@njnu.edu.cn收稿日期：2013年2月20日；修回日期：2013年3月1日；录用日期：2013年3月14日摘要：本文对空心螺旋线圈的分布电容及阻抗特性进行了理论和实验研究，测量了螺旋线圈分布电容的频率特性及其与线圈匝数和绕线方式的依赖关系，以及螺旋线圈阻抗随匝数的变化规律。观察到当线圈匝数大于10时，分布电容的数值与匝数和绕线方式几近无关。通过测量线圈的(器件型)磁电容效应发现，线圈的分布电容与线圈材质有关，其机理可从趋肤效应得到解释。从线圈的等效电路出发，结合趋肤效应推出分布电容及阻抗的表达式。分析显示，线圈的分布电容主要来源于匝间电容。关键词：空心线圈；分布电容；磁电容1.引言螺旋线圈作为电感原件和传感器的研究可以追溯到大约一个世纪之前[1-4]。由于螺旋线圈可以广泛用于制造现代仪器设备，从而相关研究至今不衰[5-9]。但近年来螺旋线圈的研究始终较多地关注于磁芯线圈[10-12]。由于磁性材料的磁性能极易受外界干扰，因此磁芯线圈可展现更加丰富多彩的行为。但是，研究磁芯线圈并不能彻底阐明线圈的本征行为。在高频电磁场环境下，线圈的本征行为将变得突出，因此有必要对空心线圈给予仔细研究。*通讯作者。Copyright©2013Hanspub44螺旋线圈的分布电容及其磁电容效应螺旋线圈不仅是个电感元件，同时还具有一定的直流电阻和分布电容，这三者形成的等效电路如图1所示[7]。其中，分布电容对线圈整体阻抗的贡献至关重要。线圈分布电容的研究已见有诸多报道[13-17]，但对其成因迄今未有定论。实验发现，分布电容的数值不仅与频率有关，还与线圈匝数和线圈的绕线方式密切相关。文献[15]根据一定的电荷面密度求得两环间的电压差，进而算出两环间的分布电容，再在此基础上用螺旋线方程对每一小段圆弧的分布电容积分从而求得螺旋线的分布电容。文献[16]研究了由已知两圆环间电压，用矩量法解出环面电荷分布继而求出两环间分布电容。两种分布电容的计算方法都较繁琐，且均未给出分布电容随频率的变化。郭华等人曾对磁芯罗氏线圈间绕法和线圈匝数对分布电容影响进行过理论研究[17]，结果发现，在100kHz~1000kHz频率范围内，绕线方式和匝数会导致差别较大的分布电容，...