什么是电感以及其作用

[导读]电感，作为闭合回路的一种固有属性，描述了导线内电流变化时，在导线及其周边所产生的交变磁通。它定义为磁通量与生成该磁通的电流之比，用公式表示即为L=Φ/I。其中，NBS/I表示磁通量与电流的比值，而dΦ/dI则反映了磁通量随电流变化的速率。

1. 电感基础概念

电感，作为闭合回路的一种固有属性，描述了导线内电流变化时，在导线及其周边所产生的交变磁通。它定义为磁通量与生成该磁通的电流之比，用公式表示即为L=Φ/I。其中，NBS/I表示磁通量与电流的比值，而dΦ/dI则反映了磁通量随电流变化的速率。

电感的特性详解：

在直流电路中，电感呈现出极低的电阻，几乎相当于短路状态。然而，当交流电流流过时，电感会展现出其独特的阻止电流变化的能力。具体而言，流过电感的电流不会发生瞬间突变，而是逐渐变化。正是基于这一特性，电感在电子产品中扮演着重要角色，如作为滤波线圈、谐振线圈等，为电路的稳定性和性能提供有力支持。

电感，作为电子工程中的一项关键参数，对于理解电路行为和设计具有不可或缺的作用。它反映了电路中磁场能量存储与转换的能力，与电容、电阻等元件共同构成了电子系统的基础。电感的基本单位是亨利，其大小取决于线圈匝数、线圈面积、线圈长度以及线圈中的电流变化率等多个因素。在电路中，电感通常用于滤波、谐振、阻抗匹配以及信号处理等关键环节。

电感器的定义与工作原理

电感器，一种基于电磁感应原理的元件，能够存储电能并转化为磁能。当通过的电流发生变化时，电感器会产生电动势，这一特性使其具有抵抗电流变化的能力。实际上，任何能够产生自感或互感作用的器件，都可以被归类为电感器。

电感器的结构简单，可以是仅由导线空心绕制的几圈，或者是在磁芯上绕制的几圈导线。尽管结构相似，但不同绕制匝数或是否使用磁芯的电感器，其电感量会有所不同。具体来说，绕线匝数越多，电感量会相应增大;而在相同匝数的情况下，增加磁芯后，电感量也会有所提升。

2.1 电感的构成

电感，这一在电子工程中不可或缺的元件，其构成主要包括线圈和铁芯。线圈，作为电感的基础，通过匝数、面积、长度以及电流变化率等多个因素影响电感的大小。而铁芯，则起到了增强磁场、提高电感系数的作用。在电路中，这样的构成使得电感能够有效地进行磁场能量的存储与转换，从而在滤波、谐振、阻抗匹配以及信号处理等多个方面发挥关键作用。

图1.1展示了电感器(绕线)的实物模型，其中线圈是电感的核心部分，负责传导电流并产生磁场。线圈的材质和结构对电感性能有着显著影响。例如，单股漆包线适用于一般应用，而扁平线则在大电流场合下表现更佳。此外，多股细漆包线通过降低表面电阻来减少损耗，这在无线充电系统中尤为关键，因为高频交流电流会引发趋肤效应，增加损耗。

在选择磁芯材料时，我们通常考虑合金磁材料、磁粉芯和铁氧体等。铁氧体又可分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两类。锰锌铁氧体在低频场合下表现出色，而镍锌铁氧体则更适合高频应用。此外，屏蔽也是电子设备中不可或缺的一环，因为电感器的漏磁通与其他线圈的磁耦合可能导致电感值变化，进而产生噪声。有效的屏蔽措施对于确保电感性能的稳定至关重要。

①无屏蔽型电感器

②树脂屏蔽(半屏蔽)型电感器

③全屏蔽型电感器

④金属一体成型电感器

这四种类型的电感器在屏蔽效果上各有差异，选择时需根据具体应用场景和性能需求进行考量。

图1.2展示了电感器的屏蔽模型，包括无屏蔽型、树脂屏蔽(半屏蔽)型、全屏蔽型以及金属一体成型电感器。这些不同类型的电感器在屏蔽效果上有所不同，因此选择时必须根据实际的应用场景和性能要求来仔细考虑。

3.2 电感的关键参数

电感量、额定电流、直流电阻(DCR)以及工作温度。

4.3 电感相关知识点

1.3.1 保管期限

通常，电感产品应在交货后的12个月内使用，部分产品则要求在6个月内使用。若超过规定期限，必须确认其可焊性后方可使用。

1.3.2 失效模型

电感的失效可能由以下几种情况引起：

(1) 过电流超出规格范围，导致线圈断线，使电感进入开路状态。

(2) 过电流超出规格范围，无法维持线圈间的绝缘，进而导致电感值降低。

(3) 在(2)的情况发生后，若更大的过电流通过，电感将再次进入开路状态。

1.3.3 电感值

电感值被规定为1、1.5、2.2、3.3…等数值，这是基于无源器件公差的标准数列来考虑的。

5.1 安培环路定理

这一重要的物理定理，揭示了电流与磁场之间的深刻联系。它指出，在电流产生的磁场中，矢量H沿任意闭合曲线的积分等于该闭合曲线所包围的所有电流的代数和。这一发现为磁场的研究提供了有力的理论支持，是物理学发展历程中的一块重要基石。

以环形线圈为例，我们进一步探讨安培环路定理的应用。假设环内介质均匀，线圈匝数为N，我们选取磁力线方向作为闭合回线的方向，并沿着以r为半径的圆周闭合路径l进行积分。根据安培环路定理的公式，我们可以得到该路径上的磁场强度积分结果。这一应用不仅加深了我们对安培环路定理的理解，还展示了其在解决实际问题时的有效性。

6.2 磁芯的磁化

物质的磁化离不开外磁场的作用，而被磁化的物质则被称为磁介质。当铁磁物质被置于磁场中时，其磁感应强度会显著增强，这一现象被称为铁磁物质的磁化。电流是产生磁场的原因，但不同介质中电流产生的磁感应强度各有差异。例如，在相同条件下，铁磁介质中的磁感应强度远大于空气介质。为了量化这种差异，我们引入了磁导率μ这一概念，它表征了物质的导磁能力。在介质中，μ越大，该介质中的磁感应强度B也就越大。确立了磁导率的概念后，我们可以得出磁感应B与磁场强度H之间的比值仅与产生磁场的电流有关，即B=μH。

理想电感是储能器件，本身不消耗能量，只是吸收或释放磁场能量。

理想电容是储能器件，本身不消耗能量，只是吸收或释放电场能量。

电流激励电感产生的电压与通过电流的变化率成正比;电感通直阻交。

电压激励电容产生的电流与电压的变化率成正比;电容隔直通交。

电感阻止通过的电流跃变，而是平滑连续地向目标流值变化。

电容阻止两端电压跃变，而是平滑连续地向目标电压值变化。

正弦电流通过电感时，两端产生相同频率的正弦电压。

正弦电压激励电容时产生相同频率的正弦电流。

通过电感的交流信号频率越大，信号通过电感受到的阻力越大;直流信号通过时，阻力为0，等效于短路。

激励电容的交流信号频率越大，信号通过电容受到的阻力越小;直流信号激励时，阻力为无穷大，等效于断路。

电感器件的电感值L越大，存储磁场能量的能力越强;阻止通过电流跃变的能力越强;交流信号通过的阻力越大。

电容器件的电容值C越大，存储电场能量的能力越强;阻止激励电压跃变的能力越强;交流信号通过的阻力越小。