电感基础1——为什么把‘线’绕成‘圈’就是电感？什么是电感？

电感的工作原理非常抽象，为了解释什么是电感，我们从基本的物理现象看起。

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一、两个现象和一个定律——电生磁、磁生电和楞次定律

1. 电生磁现象

高中物理有过实验：在通电导体旁放置小磁针，小磁针的指向发生偏转，这说明电流周围存在磁场。这个现象是1820年，由丹麦物理学家奥斯特（Oersted）发现的。

图1-通电导体（直线）周围存在磁场

如果我们把导体绕成圈，每圈导体产生的磁场得以重合，磁场整体就会变强，可以吸引起小物体。图中，线圈通电电流2~3A，注意漆包线有额定电流限制，否则会高温导致融化：

图2-通电导体（线圈）吸引小物体

2. （动）磁生电现象

1831年，英国科学家法拉第发现：闭合电路的一部分导体做切割磁场运动时，在导体上就会产生电。前提条件是电路、磁场是在相对变化的环境中，所以称为“动”磁生电，产生的电流叫做感应电流。

我们可以拿一个马达做个实验。一般普通的直流有刷马达，定子部分是永磁体，转子部分是线圈导体。手动旋转转子，意味着导体在做切割磁力线的运动，用示波器连接马达两个电极，可以测量到电压变化。发电机便是依据此原理制成的。

图3-手动旋转马达转子看到电压

3. 楞次定律

楞次定律：因磁通量的改变而产生的感应电流，其电流方向为对抗磁通量改变的方向。

对这句话的简单理解就是：当导体所处环境的磁场（外部磁场）变强的时候，它的感应电流产生的磁场与外部磁场效果相反，使得整体来看总磁场比外部磁场更弱。当导体所处环境的磁场（外部磁场）变弱的时候，它的感应电流产生的磁场与外部磁场效果相反，使得整体来看总磁场比外部磁场更强。

通过楞次定律，可以判断电路上感应电流的方向。

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二、螺旋管线圈——解释电感的工作方式

有了以上两个现象和一个定律的知识储备，我们来看电感是怎么工作的。

最简单的电感就是螺旋管线圈：

图4-螺旋管线圈电感（Solenoid）

在通电过程中的情况

我们截取螺旋管其中的一小段，可以看到两个线圈，线圈A和线圈B：

图5-螺旋管的一小段-线圈A和线圈B

在通电过程中，情况如下：

1. 线圈A上通过电流，假设其方向如蓝色实线所示，称为外部激励电流；
2. 根据电生磁原理，外部激励电流产生磁场，磁场开始在周围空间蔓延，并覆盖至线圈B，相当于线圈B在切割磁力线，如蓝色虚线所示；
3. 根据磁生电原理，线圈B上产生感应电流，其方向如绿色实线所示，方向与外部激励电流相反；
4. 根据楞次定律，感应电流产生的磁场，是为了对抗外部激励电流的磁场，故如绿色虚线所示；

在通电稳定后的情况（直流）

在通电稳定后，线圈A的外部激励电流恒定，其产生的磁场也恒定，该磁场与线圈B没有相对运动，故没有磁生电，没有绿色实线所代表的电流。这个时候，电感对于外部激励来说，相当于是短路的。

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三、电感的特性——电流不能突变

在理解了电感的工作方式之后，我们再来看电感最重要的特性——电感上的电流不能突变。

图6-电感上的电流变化

图中，右侧曲线横坐标是时间，纵坐标是电感上的电流大小。以开关（Switch）闭合的瞬间，作为时间原点。

可以看到：

1. 在开关闭合的瞬间，电感上的电流为0A，相当于电感开路，这是因为瞬间的电流急剧变化，会产生巨大的感应电流（绿色）来抵抗外部激励电流（蓝色）；
2. 在达到稳态的过程中，电感上的电流大小按指数规律变化；
3. 在达到稳态后，电感上的电流为I=E/R，相当于电感短路；
4. 与感应电流相呼应的是感应电动势，它的作用是对抗E，所以称为Back EMF（反向电动势）；

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四、到底什么是电感？

电感是用于描述器件对抗电流变化的能力，如果对抗电流变化的能力越强，那么电感的感性越大，反之越小。

对于直流激励来说，最终电感呈现为短路状态（电压为0）。但在通电的过程中，电压和电流不为0，意味着有功率，累积这些能量的过程就是充电，它以磁场的方式储存起这些能量，在需要的时候（如外部激励不能维持稳态情况下的电流大小）释放能量。

图7-电感上的能量

电感是电磁领域的惯性器件，惯性器件都不喜欢变化，就像动力学里面的飞轮，一开始很难转起来，一旦转起来又很难停下来，期间都伴随着能量转换。

（全文完，这是一篇“感性”认识电感的文章）

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