电感的本质是什么

什么是电感？

电感器件一般是指螺线圈，由导线圈一圈靠一圈地绕在绝缘管上，绝缘管可以是空心的，也可以包含铁芯或磁粉芯。

为什么把’线’绕成’圈’就是电感？

电感的工作原理非常抽象，为了解释什么是电感，我们先从基本的物理现象看起。

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

通电直导线产生的磁场方向：右手握住通电直导线，大拇指指向电流方向，四指指向就是磁感线的环绕方向。

通电螺线圈产生的磁场方向：右手四指顺电流方向，大拇指指向螺线管N极，螺线管外磁力方向由N极指向S极。

奥斯特实验：磁针放在通电导线下方，磁针会发生转动。

2. 磁生电现象

法拉第实验：闭合电路的一部分导体做切割磁场运动时，在导体上你就会产生电。前提条件是电路、磁场是在相对变化的环境中，所以称为动生感应电动势，产生的电流叫做感应电流。

我们可以拿一个马达做实验，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感线运动，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。

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。简单理解就是：当导体所处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，可以判断感应电流的方向。

二、螺线管线圈——解释电感的工作方式

最简单的电感就是螺线管线圈：

 在通电过程中，我们截取其中一小段，可以看到两个线圈，线圈A和线圈B：

通电过程中情况如下：

1. 线圈A通过电流，假设其方向如蓝色实现所示，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，其方向如绿色实现所示，方向与外部激励电流方向相反；
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；

通电稳定后情况如下(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，没有绿色实现所代表的电流。此时电感对于外部激励来说，相当于短路。

通电断开时情况如下：在通电断开时，电感线圈中的电流要减小，电流的磁场要减弱（磁通量减少）根据楞次定律，线圈中磁通量减小所引起的的感应电流的磁场要与原方向相同（阻碍磁通量减小），所以感应电流方向与原电流方向相同。

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——电杆上的电流不能突变。

 上图右侧横坐标时间，纵坐标电感上的电流。以开关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I=E/R，相当于电感短路；
4. 与感应电流向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）；

四、到底什么是电感？

电感是用于描述器件对电流变化的能力，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，它以磁场的方式存储起这些能量，在需要的时候（如外部激励不能维持稳态情况下的电流太小）释放能量。

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。

感抗：当电感接入交流电时，电感内部产生的感应电动势对定向移动的电荷具有阻碍作用，这种阻碍作用会影响电路的电压和电流的相位关系。感抗越大，表示电感对交流电的阻碍作用越强，电感内部的感应电动势越大，电感器的电压与电流的相位差越大。

频率越高，感抗越大，感应电动势越大。

电感基础1——为什么把‘线’绕成‘圈’就是电感？什么是电感？