解密神秘的射频器件之电感

时间过得飞快，好不容易等来的小长假已经结束了。同学们开始劳碌的工作，学习。

作为2022年的开端，【射频学堂】继续普及基础知识，解密神奇的射频世界。

今天，我们一起来解密 电感，作为我们2022年学习的开端。

对于电阻和电容，我们很容易从名字上得到它的功能——阻止电流和容纳电荷，但是电感，就显得词不达意，是感谢电流呢？还是感觉电流。其实这里的感是感应电流。这个感应电流的存在才使得电感能够正常工作。

电感的发现

感应电流的发现其实是一个很了不起的发现。因为首先科学家发现的是电生磁，丹麦科学家奥斯特（Hans Christian Ørsted）在一次偶然的实验中发现在电流线的周围，小磁针发生了偏转。也就是说电流线的周围存在着磁场。电生磁 成为了当代科学家的共识，这个发现被安培(André-Marie Ampère)进一步总结出了著名的安培定律，也就是右手螺旋定律，靠右手来确定磁场的方向。

电生磁之后的另一个重大的发现就是磁生电。在电磁学历史上有一个伟大的科学家叫做法拉第，法拉第最伟大的贡献就是第一个发现了电磁感应现象，为之后麦克斯韦推导麦克斯韦方程组，并预言电磁波提供了坚实的实验基础，被称为电学之父和交流电之父。

电磁感应现象是指闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁感线运动，导体中就会产生电流的现象。如下图所示，当磁场通过线圈时，产生的感应电流会引起电流表指针的转动。

这个电磁感应现象就是发电机的基础。由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。我们之前的文章中讲到过，这个发电机的发明直接带来了第二次工业革命：电力革命。

于此同时，美国也有一位伟大的科学家约瑟夫·亨利，其实在法拉第实验的同时，亨利也在干相同的事情：1829年，他对电磁铁进行了改进，通过用电线代替铁芯绝缘，他能够在铁芯周围缠绕大量的电线，从而大大增加了磁铁的功率，并制作了一个可以支撑 2,063 磅的电磁铁，这是当时的世界纪录。在1931年，法拉第提出电磁感应定律的同时，亨利也在着手建造一个超级电磁体。当他还在选择合适的实验场地时，得知了法拉第实验成功的消息。不过亨利也没有放弃继续研究电和磁的关系，在实验中，亨利发现了自感应现象：当导体中的电流发生变化时，它周围的磁场就随着变化，并由此产生磁通量的变化，因而在导体中就产生感应电动势，这个电动势总是阻碍导体中原来电流的变化，此电动势即自感电动势。这个自感应想象就是电感的理论基础：阻碍电流的变化。

为了致敬亨利的伟大发现，我们把电感的单位名为亨利（H）：如果电路中电流的变化率为每秒 1 安培，则电路的电感为 1 亨利，这导致电动势为 1 伏。

电感的应用

最常用的电感的应用有两种：自感和互感。

自感就是上文中提到了利用自感应现象，自感是电路（通常是线圈）的特性，由于电流引起的磁效应，电流的变化会导致该电路中的电压发生变化。可以看出，自感适用于单个电路——换句话说，它是一个电感，通常在单个线圈内。这种效果用于单线圈或扼流圈。

自感公式：

感应电压VL的大小等于线圈匝数乘以单位时间内磁通量的变化量。

互感也是利用的电磁感应原理，其中一个电路中的电流变化会导致第二个电路两端的电压发生变化，这是由于连接两个电路的磁场的作用。这种效果用于变压器。

无论时自感还是互感，只有交流电才能起作用，只有变化的电流产生的变化的磁场才能引起感应电流，对于直流，电感就如同一个加长了的导线一样。

导线的电感

对于交流电来说，无论导线的是一根直线或者是线圈，都存在电感。通常线圈用于电感器，因为线圈不同匝之间的磁场链接增加了电感并使导线能够包含在更小的体积内。对于大多数低频应用，直导线的电感可以忽略不计，但随着频率增加到 VHF 区域及以上，导线本身的电感会变得很大，并且互连需要保持较短以尽量减少影响。

可以使用计算来相当准确地计算导线的电感，但线圈的电感稍微复杂一些，并且取决于多种因素，包括线圈的形状以及线圈内部和周围材料的常数。一般来说，可以根据麦克斯韦方程组的知识来计算电感。然而，所涉及的数学可能并不总是那么容易。除了这种高频信号之外，还需要考虑趋肤效应等方面，因为它会影响表面电流密度和磁场等问题，而这些可能涉及使用拉普拉斯方程。因此，可以应用一些实际的简化来提供更多可用的计算和方程来确定电感。例如，通常可以假设，在使用“细”导线的情况下，穿过导线的电流分布在导线的直径上是恒定的，这本身就可以大大简化计算导线的电感。

对于直导线的电感计算，可以参照下面公式给出电感的近似值

1. https://www.electronics-notes.com/articles/basic_concepts/inductance/inductive-reactance-formula-calculations.php
   

2. https://byjus.com/physics/induction/

3. https://physics.info/inductance/

4. https://www.britannica.com/biography/Joseph-Henry

5. https://baike.baidu.com/item/%E8%BF%88%E5%85%8B%E5%B0%94%C2%B7%E6%B3%95%E6%8B%89%E7%AC%AC/314733

6. https://byjus.com/physics/induction/

7. https://components101.com/articles/introduction-to-inductors

8. https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/inductance