揭秘电磁学，第4部分-电感器

欢迎来到本系列博客的第4部分，希望为那些可能有机械工程、流体流动和热传导背景的人揭开电磁学的神秘面纱。在前面的3部分中，我们已经介绍了新兴市场世界的一些基本构建模块。不像你在学术界所期望的那样深入，但目的是为你提供至少一种直觉，最多是一种工作知识，关于EM的物理。更少的方程，更多的类比和多余的图片和动画是这个系列的座右铭!最终我们将接触到电动机，发电机，感应烹饪，悬浮，扬声器等，但现在一些更基本的-电感器。

环比线好

正如我们在第3部分在美国，移动的电荷会产生一个环绕它们的磁场。如果这些电荷在导线中移动，并且导线是环形的，那么当(蓝色)磁通量线相互折叠时，线圈内的磁场就会增强，从而增加磁通量:

一个线圈就像很多圈

为了将电流输入环路，环路必须由连接电池或其他电流源的单独电线连接。考虑一个线圈，导线端子在线圈的每一端。线圈的每一圈都类似于一个单独的回路。线圈本身类似于大量的循环堆叠在彼此的顶部。产生的磁场是各个环路磁场的叠加:

线圈是电磁铁最常见的形式，它是由电流产生的磁场。当然，即使是一根单独的带电流的电线也起到了电磁铁的作用，这只是当你把电线绕起来，然后把线圈叠在一起，每个线圈的磁场就会结合起来形成一个强磁场。(在线圈的核心添加铁磁材料可以进一步增强磁场，但更多信息将在下一篇博客中介绍)。

磁场储存能量

就像引力场一样，磁场储存能量，势能，以及能量被利用的潜力。磁场是根据以Wb(韦伯)测量的磁通量来定义的。正是这个性质，虽然不是流动的，但它是守恒的，就像热流(瓦特)是守恒的一样。

让我们重新回顾我们的类比表，进一步比较热流和磁场:

如前所述，术语“渗透”被用来代替“流动”来描述热传导和磁场。有足够的类比来保证使用一个单一的术语!

从热的角度来看，流动的，守恒的，都是瓦。从磁场的角度来看，它是韦伯。就像热流以W/m来描述流动的“密度”一样²，磁通密度以特斯拉(即Wb/m)为单位测量²)．看到术语通量和流量在热学和磁学描述中被不同地使用，这有点令人困惑，我归咎于历史。

上表还显示了这些性质的单位表示为能量(焦耳)。对于热流，是J/s。对于磁通量是J/A。假设产生磁场的电流是I(安培)，那么磁通量就是每安培产生磁场时在磁场中储存的能量。

电感是关于能量的

那么，如果磁通量是一种储存能量的形式，用什么方法可以量化导体在磁场中储存能量的程度呢?

答:电感

器件的电感(L)定义为:

我们所说的“多好”是指对于流过导体的给定电流I，那么在产生的磁通量φ中存在多少能量_米．如果说有许多线圈环和/或如果环有一个大的半径，那么电感将更高，将有更多的磁通量，因此更多的能量将存储在磁场中。

“电感”中的能量是从电流中“感应”出来的，进入磁场。电感用Henrys (H)测量，相当于Wb/A，从能量角度看J/A²．

诱导能量是有代价的

电流在导体中流动是由于将导体连接到电池上而施加在导体上的电场(V/m)。电场也是势能的一种形式。这些能量为磁场的产生提供了“燃料”。磁场如何从导体中的电场中“窃取”能量是电感。然而，这种能源盗窃是有代价的。

如果你忽略电感，然后说你在导体上施加一个固定的压降，电流将瞬间流动。

如果导体有一个电感(由于它被盘绕以冷凝磁场)，那么一旦一个固定的电压降施加在导体上，导体就会从电场中窃取能量，并将其倾倒在磁场中。这样可以延迟当前流的建立．

在施加的电压变化和由此产生的电流稳定状态之间存在滞后。电感器有时被称为“扼流圈”正是出于这个原因。

牛顿第三定律指出，每一个作用力都有一个反作用，电感就是一个例子。电流对磁场的实例化与产生磁场的电流相反(相反，它与迫使电流流动的电场相反)。经典的描述是麦克斯韦方程之一，归纳的麦克斯韦-法拉第方程

ξ值是力(电动势，电动势)，是产生的同时，磁通量时间的变化．

它的符号是负的，表明它与产生磁场的电流的电压相反。但只有当磁场随时间变化时，才会出现纯瞬态响应行为。这种“反电动势”效应通常被称为伦茨定律。

在我看来，反应力/能量窃取是描述相同效果的两种方法。

涡轮类似于电感器

考虑到本系列博客针对的是那些可能想要了解电磁学的机械工程师，我将尽可能继续使用流体类比。

如在第2部分，电流流量只是电荷流量，类似于运动流体的质量流量。电线导体类似于流体流经的管道。

我们不用方程(上面我可能包含了太多的方程)，让我们想象在管道内放置一个涡轮机，并在管道末端施加一个固定的压降:

流体将在时间= 0s开始流动。当流体开始流动时，由于施加在涡轮上的流体力，涡轮开始旋转时，它的一些能量将被涡轮带走。当它旋转时，它从流体中吸收了更多的能量，降低了流体流动的速率(与没有涡轮相比)。

在某一点上，在涡轮旋转与通过它的流体流量一致的地方建立了一个平衡。

涡轮绕其流动轴线转动的惯量决定了它能从流体流动中获得多少能量，作为通过它的流体流速的函数，从而决定了流体流动与涡轮旋转达到平衡所需的时间。

这是一个动画模型Simcenter，涡轮的自旋上升和图表表明的速率，流量和能量储存在涡轮达到平衡:

电感器类似于涡轮

考虑一根导线，而不是一根输送流体的管子。不是固定的压降，而是固定的压降。我们用线圈代替涡轮机:

就像涡轮的转动惯量延迟了流动达到平衡，线圈的电感延迟了电流的建立:

左边的动画显示了电流密度J随着时间的推移而增加。右边的动画显示了磁场的形成，而不是它的通量φ_米，但其通量密度B， φ_米/ m²(=特斯拉)。

线圈的电感(几何形状的函数)是它在给定电流的情况下在磁场中存储一定量能量的能力。当所有的能量都从电场中被“偷走”时，电流稳定下来，储存在磁场中的能量总量不会改变。

能源的类比

注意电感能量和磁场能量与时间的关系图是如此相似。储存在旋转质量内的能量(例如涡轮)和电感器(例如线圈)有类似的定义:

旋转速率w (rad/s)本身与流速有关，流速类似于电流。惯量类似于电感。尽管前者与动能有关，后者与势能有关，但它们的公式是相同的。

尽管类比只能到此为止，而且当你深入到细节时，它们往往会被打破，但当你在已经理解现有主题的情况下引入一个新主题时，它们是一个有用的工具。

Anecjoke

我将术语“电感”描述为电气设备从其自身变化的电场中“诱导”能量的程度，从而产生流经它的电流，进入其自身的磁场。然而，这并不是术语“电感”的初衷。法拉第在1831年8月29日的原始实验中展示了一个有电流通过的线圈的磁场如何在另一个无源静态线圈中“诱导”电流流动，但这只是在较小的线圈插入较大的线圈时进行的。至于大线圈，它经历了一个改变当小线圈移动到小线圈时，磁场来自小线圈。因此，电动势被诱导在较大的线圈导致其自由电子移动，即电流流动。

因此，当另一个设备经历随时间变化的磁场(互感)时，可以在另一个设备中感应电流。或者在给定的器件中，由于其自身的磁场随时间变化(自感)，可以延迟变化的电流。

不是什么轶事，更像是评论。为了表示歉意，我用这首打油诗结尾:

我有个朋友是做白酒生产的，
有一个惊人的结构，
酒精沸腾了，
通过旧的磁铁线圈，
他说这是归纳法的证明。