电感为什么作为三大被动器件之一

线圈匝数指呈环形的导线缠绕物体的圈数，是电感器、变压器等电磁元件的核心参数，直接影响磁场强度、电感量及电压变换效果 [1-2]。其数值可通过经验计算法或霍尔效应法测量，前者通过分层称重推算总匝数，后者利用磁场叠加原理验证磁感应强度 [1]。计算公式涵盖空心线圈、环形磁芯等场景，例如电感量与线圈直径、长度及匝数平方相关。在电磁设备中，亥姆霍兹线圈实验表明，当两线圈间距等于半径且电流同向时，轴线磁场分布呈现均匀特性。变压器中电压比与线圈匝数比成正比，公式推导显示自感系数与匝数平方相关。工程应用中绕组结构的导线配置需符合电磁设备功率参数要求。电感线圈的绕组匝数与电感量呈正相关关系，在其他条件(如绕制方式、磁芯材质、线圈尺寸)不变的情况下，匝数越多，电感量越大，但这种关系并非简单的线性比例。具体来说，电感量与匝数的平方近似成正比，即匝数增加一倍，电感量约增加至原来的四倍，这是因为线圈产生的磁场强度与匝数成正比，而磁场能的储存量(与电感量相关)与磁场强度的平方成正比。但需注意，当匝数增加到一定程度后，若磁芯达到饱和状态，即使继续增加匝数，电感量增长也会变得缓慢，甚至不再增长，因为饱和的磁芯无法进一步增强磁场。此外，匝数过多会增加线圈的直流电阻和分布电容，可能导致电路损耗上升、高频性能下降，因此需根据实际电感量需求合理设计匝数，而非单纯追求多匝数。

电感作为三大被动器件之一，就功能而言，是一种电磁感应组件，也称为扼流器、电抗器、动态电抗器、线圈、扼流圈等，其主要功能是储蓄电能，线圈内电流产生磁场，该磁场再产生电流，可将电能转化为磁能存储起来，从而保证电压稳定。还有整理和筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰(EMI静噪滤波器)等功能。电感是一种重要的电子元件，它在电路设计中扮演着至关重要的角色。本文将介绍电感的基本原理、种类、核心参数和选型要点，帮助大家更好地理解和应用电感。

自感现象：当流经导体本身的电流发生变化时会产生的电磁感应现象。用金属导线做成线圈，流经线圈的电流发生变化时，会产生很明显的电磁感应现象,线圈自感应反向电动势阻碍电流的变化,起到平稳电流的作用。具体地，如果电感器在没有电流通过的状态下，电路接通时它将试图阻碍电流流过它;如果电感器在有电流通过的状态下，电路断开时它将试图维持电流不变。

从能量角度看就是，电感器能把电能转储为磁能，把磁能释放为电能。同一电感器对不同变化频率的电流阻碍效果不一样,其总体规律是:通低频，阻高频。额定电流是指电感器在允许的工作环境下能承受的最大电流值。电流通过会引起元件发热，元件温升电感量会下降，取元件电感量下降30%或器件温升40℃的电流值为额定电流。若工作电流超过额定电流，则电感器就会因发热而使性能参数发生改变，甚至还会因过流而烧毁。额定电流为其允许的最大工作电流，同系列产品，电感量增大，额定电流减少。对非磁性磁芯电感器来说，额定电流取决于直流电阻，直流电阻越小则温升越小，容许电流越大。

当电流通过线圈时，就会产生磁场，从而在线圈中存储磁能。电感的充电和放电过程就是磁场储存和释放的过程。电感的感值大小与线圈的匝数、线圈的面积以及周围环境的磁导率有关。一般来说，线圈的匝数越多，线圈的面积越大，周围的磁导率越高，电感的感值就越大。

电感器的结构类似于变压器，但只有一个绕组，其外形由电线一圈圈缠绕而成，一般由骨架、绕组、屏蔽罩、封装材料、磁芯或铁心等组成，电感的工作原理为当导线内通过交流电时，导线内部及周围产生交变磁通，从而起到“通直流、阻交流”的作用，由楞次定律可知该磁力线会阻止原本磁力线的变化，电感的作用与电容相反，常与电容在一起，组成LC滤波电路等。如果电感器在没有电流通过的状态下，电路接通时它将阻碍电流流过它;如果电感器在有电流通过的状态下，电路断开时它将维持电流不变。所以具有滤波、振荡、延迟、陷波等功能，还有筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等作用。它与电阻器或电容器能组成高通或低通滤波器、移相电路及谐振电路等，应用非常广泛。

当恒定电流流过线圈时，根据右手螺旋定则，会形成一个静磁场。而电感中流过交变电流，产生的磁场就是交变磁场，变化的磁场产生电场，线圈上就有感应电动势，产生感应电流：

电流变大时，磁场变强，磁场变化的方向与原磁场方向相同，根据左手螺旋定则，产生的感应电流与原电流方向相反，电感电流减小;

电流变小时，磁场变弱，磁场变化的方向与原磁场方向相反，根据左手螺旋定则，产生的感应电流与原电流方向相同，电感电流变大。

以上就是楞次定律，最终效果就是电感会阻碍流过的电流产生变化，就是电感对交变电流呈高阻抗。同样的电感，电流变化率越高，产生的感应电流越大，那么电感呈现的阻抗就越高;如果同样的电流变化率，不同的电感，如果产生的感应电流越大，那么电感呈现的阻抗就越高。简单来说，电感按功能可分成射频电感和功率电感;按工艺可分为绕线电感、层叠电感和薄膜电感;按材料可分为磁性电感和非磁性电感。

电感线圈，通过将导线(可能是漆包线或裸导线)一圈接一圈地绕在绝缘管(如绝缘体、铁芯或磁芯)上精心制成，其电感量与线圈的圈数、整体大小形状以及所使用的介质密切相关。电感量是电感线圈惯性的一种度量，并且与外加电流的大小无关。当交流电流通过电感导线时，会在导线内部及其周围产生交变磁通。这个交变磁通与电流之比，即定义为电感量，用符号L表示，数学公式为L = Φ/I。

如下左图所示，Ae代表磁芯的横截面积，Le表示磁路的长度，N则是绕线的匝数。磁导率μ由μ0和μr共同决定，其中μ0是真空中的磁导率，而μr是相对磁导率。通过这些参数，我们可以得出电感量与磁导率μ、绕线匝数N的平方以及磁芯横截面积Ae呈正比关系，而与磁路长度Le成反比。那么，为什么电感量是与绕线匝数N的平方而非N本身成正比呢?

匝数平方正比关系解释

让我们从电感的原始公式L = Φ/I出发进行思考。首先，我们假设每一匝绕线产生的磁通量是相同的。那么，对于N匝绕线，其产生的总磁通量Φ就等于N乘以单匝产生的磁通量Φ1。其次，对于单匝绕线的电感L1，它等于该匝产生的磁通量除以通过的电流I1。由于N匝绕线是N个L1的串联，所以总的电感L就等于N平方乘以单个L1。因此，电感量L与绕线匝数N的平方成正比。

接下来，我们再根据右图的公式进行推理：

根据公式Φ = BN*S，我们知道磁通量Φ与匝数N和面积S的乘积成正比。同时，BN表示单位长度的磁通密度，它等于匝数N乘以磁通密度B(当电流通过时，磁通密度会叠加)。

再来看安培环路定律，它表明磁场强度H环绕一个环路Le的积分等于穿过该环路的所有电流的总和。因此，总电流I总可以通过H*Le来计算，其中I总是穿越Le环路平面内的所有电流的总和。对于N匝线圈，其总电流I总等于N乘以单匝电流I，所以单匝电流I可以通过I总/N来计算。由此，我们可以进一步推导出电感L与匝数N的平方成正比。