一文详述电感基础
时间：2021-07-21 00:49:29
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[导读]当写完《射频集成电路及系统设计》第一课电容基础时，就开始着手电感基础的文章。对于电感，突然感觉不知道怎么去描述了？
当写完《射频集成电路及系统设计》第一课电容基础时，就开始着手电感基础的文章。对于电感，突然感觉不知道怎么去描述了？
到底什么是电感？
为什么叫做电感？
电感的特性是什么？
为什么能够“通直流，阻交流”？
很熟悉，却不知从何下手。就像朋友留言中所述，有些很熟悉的知识，理论，当你要写出来，真的很难。这个从侧面也印证了“费曼学习法”的有效性。
因此这篇文章就搁下了，直接跳过第一章，去了第二章关于傅里叶变换的部分。这一周在网络上搜集了很多关于电感的知识去复习，也买了一本关于中学物理的教材，今天拾笔，我们一起来完成这个电感基础，解答上文的那些疑问。
电容这个概念很容易理解，简单来说就是电荷的容量，它的特性我们也很容易去解释：通交流，阻直流。两块金属板没有接触，直流当然过不去了，当频率升高时，电流就成了电磁波，长了翅膀就可以飞过去了。
但是电感到底是什么呢？电感就是电流的感应。电流的感应是什么呢？奥斯特的实验告诉我们，电流周围会产生磁场使小磁针发生旋转。这个磁场就是感应磁场。
那有感应磁场就是电感了吗？No. 只有感应磁场也形成不了电感。但是不要忘记还有一个重要的发现，法拉第电磁感应实验：当在磁场在线圈中变化时，会产生感应电流。
下面这幅动图更生动形象的解释了这个现象。
在《麦克斯韦方程组竟然这么简单？！》我们介绍了这项发现的重大意义：发电机、电动机的出现直接引发了第二次工业革命，人类进入了电气时代。
电流生磁，动磁生电，这就是最美的公式“麦克斯韦方程组”最关键的部分，麦克斯韦预测了电磁波的存在，而这项伟大的发现直接改变了我们的生活，带领人类进入无线时代。
而这两种电磁现象也就构成了电感的物理基础，当电流变化时（交流电），产生的感应磁场也随着变化，有感应磁场变化产生感应电流。根据楞次定律，这个感应电流的方向刚好和原电流方向相反，所以也就产生了阻碍电流的效果。
为了更有效地说明这一现象，我们用最常见的螺旋线圈电感作为参考。
当电流在线圈中流动时，根据电生磁的原理，在线圈中会产生磁场，并且磁场向周围蔓延，当线圈中电流变化时，产生的磁场也在变化，相当于线圈在做切割磁场的运动，根据磁生电的原理，这个变化的磁场又会产生感应电流，根据楞次定律，感应电流产生的磁场又会阻碍原电流产生的磁场的变化。
这种阻碍作用就产生了个神奇的效果，电感上的电流不能发生突变，就如同电容上的电压不能发生突变一样。在电感中，电流的变化会滞后于电压变化，如下图所示。滞后多少呢？看那个直角关系，我们就能得到90°，这个滞后值。
上文从感性角度对电感特性进行了描述，那么理论上到底是不是这样子的呢？
我们先来看看电感的电压方程：
这个电流相位之后90°是从哪里来的呢？根据前面介绍的傅里叶变换，任何一个信号都可以表示成正弦曲线的傅里叶级数形式，简便起见，我们假设电路中电流为：
那么电压就是：
上面公式中的90度，就是为什么电感中电流滞后电压90°的原因。
对电感感觉枯燥难写的另一个原因是电感的单位。我们知道电容的单位法拉F就是为了纪念伟大的法拉第先生，但是电感的单位亨利H，为了纪念谁呢？约瑟夫 亨利 先生，这位被认为是继富兰克林之后美国最伟大科学家，我们大家可能都觉得有些陌生。约瑟夫亨利发明了继电器，比法拉第更早的发现了电磁感应现象，只是没有及时去申请专利，所以电磁感应就让给了法拉第，但是后人却把电感这个最代表电磁感应定律的单位给了亨利。生的早就是这么重要，如果早生个两百年，能不能给小木匠一个电学单位，比如1木电感。
电容电感电阻构成了电路的最基本的元器件，到此为止，我们基本上介绍完了。但是其中奥妙，不是这一篇文章能够说的透的。反复咀嚼，也许能理解的更透彻。
到底什么是电感？
为什么叫做电感？
电感的特性是什么？
为什么能够“通直流，阻交流”？
很熟悉，却不知从何下手。就像朋友留言中所述，有些很熟悉的知识，理论，当你要写出来，真的很难。这个从侧面也印证了“费曼学习法”的有效性。
因此这篇文章就搁下了，直接跳过第一章，去了第二章关于傅里叶变换的部分。这一周在网络上搜集了很多关于电感的知识去复习，也买了一本关于中学物理的教材，今天拾笔，我们一起来完成这个电感基础，解答上文的那些疑问。
电容这个概念很容易理解，简单来说就是电荷的容量，它的特性我们也很容易去解释：通交流，阻直流。两块金属板没有接触，直流当然过不去了，当频率升高时，电流就成了电磁波，长了翅膀就可以飞过去了。
但是电感到底是什么呢？电感就是电流的感应。电流的感应是什么呢？奥斯特的实验告诉我们，电流周围会产生磁场使小磁针发生旋转。这个磁场就是感应磁场。
那有感应磁场就是电感了吗？No. 只有感应磁场也形成不了电感。但是不要忘记还有一个重要的发现，法拉第电磁感应实验：当在磁场在线圈中变化时，会产生感应电流。
下面这幅动图更生动形象的解释了这个现象。
在《麦克斯韦方程组竟然这么简单？！》我们介绍了这项发现的重大意义：发电机、电动机的出现直接引发了第二次工业革命，人类进入了电气时代。
电流生磁，动磁生电，这就是最美的公式“麦克斯韦方程组”最关键的部分，麦克斯韦预测了电磁波的存在，而这项伟大的发现直接改变了我们的生活，带领人类进入无线时代。
而这两种电磁现象也就构成了电感的物理基础，当电流变化时（交流电），产生的感应磁场也随着变化，有感应磁场变化产生感应电流。根据楞次定律，这个感应电流的方向刚好和原电流方向相反，所以也就产生了阻碍电流的效果。
为了更有效地说明这一现象，我们用最常见的螺旋线圈电感作为参考。
当电流在线圈中流动时，根据电生磁的原理，在线圈中会产生磁场，并且磁场向周围蔓延，当线圈中电流变化时，产生的磁场也在变化，相当于线圈在做切割磁场的运动，根据磁生电的原理，这个变化的磁场又会产生感应电流，根据楞次定律，感应电流产生的磁场又会阻碍原电流产生的磁场的变化。
这种阻碍作用就产生了个神奇的效果，电感上的电流不能发生突变，就如同电容上的电压不能发生突变一样。在电感中，电流的变化会滞后于电压变化，如下图所示。滞后多少呢？看那个直角关系，我们就能得到90°，这个滞后值。
上文从感性角度对电感特性进行了描述，那么理论上到底是不是这样子的呢？
我们先来看看电感的电压方程：
这个电流相位之后90°是从哪里来的呢？根据前面介绍的傅里叶变换，任何一个信号都可以表示成正弦曲线的傅里叶级数形式，简便起见，我们假设电路中电流为：
那么电压就是：
上面公式中的90度，就是为什么电感中电流滞后电压90°的原因。
对电感感觉枯燥难写的另一个原因是电感的单位。我们知道电容的单位法拉F就是为了纪念伟大的法拉第先生，但是电感的单位亨利H，为了纪念谁呢？约瑟夫 亨利 先生，这位被认为是继富兰克林之后美国最伟大科学家，我们大家可能都觉得有些陌生。约瑟夫亨利发明了继电器，比法拉第更早的发现了电磁感应现象，只是没有及时去申请专利，所以电磁感应就让给了法拉第，但是后人却把电感这个最代表电磁感应定律的单位给了亨利。生的早就是这么重要，如果早生个两百年，能不能给小木匠一个电学单位，比如1木电感。
电容电感电阻构成了电路的最基本的元器件，到此为止，我们基本上介绍完了。但是其中奥妙，不是这一篇文章能够说的透的。反复咀嚼，也许能理解的更透彻。
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