3.2　电感（特性）

电感是导体所拥有的另外一个固有特性，是导体对于电流变化的抵抗能力的抽象。电感只反映导体对流在其上电流变化的抵抗能力，是导体对电流变化的抵抗能力的抽象。由于导体电感的存在，如果存在多条路径，交流电流总是在多条路径上一起传输，路径的阻力越小（即电感越小），传输的交流电流的占比越大。电感只对流在其上的电流变化进行抵抗，不消耗流在其上电流的能量，但会在电流周围产生电磁场。

环路电感反映电流环路所具有的对电流变化的抵抗能力的大小。环路面积越大，则环路电流所产生的电磁场能量越大，电感就越大，对电流变化抵抗能力就越大；环路面积越大，在电磁场中环路所产生的感应电动势就越大。由于环路电感的存在，如果存在多条路径，无论是直流电流，还是交流电流，都在多条路径上一起传输，路径的阻力越小（即环路电感越小，环路面积越小），传输的电流的占比越大。

3.2.1　电感的概念

电感（Inductance）在电路图中一般表示为Ln（这可能是为了纪念物理学家海因里希·楞次的贡献）。Inductance的意思包括电感、感应现象、感应系数，在电路学中被翻译为电感（见图3.2）。

在电路学里，电感是导体对电流变化的抵抗力，也是导体的特性之一。电感这一特性是导体固有的。

当流过导体的电流变化时，在电流周围会产生变化的电磁场，该电磁场的变化反过来会使导体产生电动势，抵抗电流的改变，导体的这种特性就是电感。电感就是物体对电流变化抵抗能力的大小。物体的电感越大，物体对电流变化的抵抗力就越大。

电感还有另外一种定义描述：当导体上有电流时，电流周围就会产生闭合的磁力线，而且距离电流越远的空间，磁力线圈的密度就越小。这些磁力线的匝数以韦伯为单位计算，导体的电感是每安培电流所产生的磁力线的韦伯值。

其中：

L表示电感，单位为H；

N表示导体周围的磁力线匝数，单位为Wb；

I表示导体中的电流，单位为A。

从公式（3-2）可以看出，电感是关于物体上每安培电流周围磁力线匝数的度量。

提示

电感的单位亨利（Henry），标记为“H”，是以美国科学家约瑟·亨利命名的。

1亨特等于1韦伯每安培。1亨利算是很大的电感，用于电子电路的大多数电感器，其电感会小几个数量级。所以，常用的单位有：“微亨利”（microHenry，μH），1微亨利等于10^-6亨利；“纳亨利”（nanoHenry, nH），1纳亨利等于10^-9亨利；“皮亨利”（picoHenry, pH），1皮亨利等于10^-12亨利。

3.2.2　电感的物理意义

与电阻是导体的许多固有特性之一一样，为了便于研究导体的电感特性，我们把导体对电流变化的抵抗力单独抽象出来，称为电感。

就像在宇宙中的任何有质量物体固有抵抗运动变化的能力（我们称之为惯性）一样，导体本身也具有抵抗流经其上的电流变化的能力，即电感。物体固有的特性有许多，为了便于研究，我们将物体对运动变化的抵抗能力单独抽象出来，而不考虑其他能力或特性。

对于电感的概念，我们可以从以下几个方面进行深入理解：

●导体有很多固有特性，电感只是其中之一；

●所有的导体都有电感，只是电感的大小不同；

●导体的电感只与导体的几何尺寸和导体的材料有关；

●导体的电感的大小可以由导体上电流周围产生的闭合磁力线匝数除以电流计算得到；

●当流过导体的电流增加一倍，磁力线的匝数也增加一倍，而二者的比率不变，表明电感与导体上的电流大小无关，是导体的固有特性；

●导体的长度增加一倍，则同样的电流所产生的磁力线匝数增加一倍，表明导体越长，其电感越大；

●电感是电感器的理想抽象，抽象的目的是便于研究该特性。

注意

电路学里的电感与现实中的电感器不是一回事，电感只是一个抽象的概念，在现实中不存在只有电感特性的导体。比如上节所讲的电阻，也是导体的特性之一。

3.2.3　电感的性质

在高速信号传输技术范畴内，电感特性具有两个重要性质，一是对电流变化的阻碍能力，另一个是把导体上电流的电能全部转换为电磁场能存储起来，本身不消耗能量。

（1）电感的性质之一

电感对电流的变化具有抵抗作用，这种抵抗作用使得电感具有阻交流、通直流的性质。因此，当信号接收端和发送端之间存在多条路径时，信号的交流分量在多条路径上分流传输，路径的电感越小，所分流传输的交流分量的占比越大。

导体的电感对电流变化具有抵抗作用的原因在于，当导体上有电流通过时，在电流周围就会产生闭合的磁力线（磁场）。当电流变化时，电流周围的磁场就会发生变化，而变化的磁场反过来在导体两端产生电动势以抵抗电流的变化。

有一个典型情况，当流过导体的电流为一个恒定值时，虽然在电流周围形成了闭合的磁力线（磁场），但由于磁场的大小没有变化，导体两端就不会感应电动势，电流就不会遇到抵抗。

（2）电感的性质之二

导体的电感特性将流过其上的电能转换为电磁能存储起来，电感本身不消耗能量。于是，电流的变化通过电感产生电磁场，进而对存在于该电磁场内的导体产生电磁干扰。

电感具有将电能转化为电磁能的作用，变化的磁场产生电场，即变化的电磁场。当导体上的电流变化时，会在电流周围形成变化的电磁场，这时如果在该电磁场内存在某个闭合的环路，则在环路上必然感应电动势而产生电流。

注意

电感对电流变化的抵抗作用与电阻对电流的阻碍作用是有区别的：电阻阻碍电流的流动特性是将电流的能量全部转化为热能而耗散掉；电感则纯粹是抵抗电流的变化，抵抗过程并不消耗电能，当电流增加时，它会将电能以磁场的形式暂时储存起来，等到电流减小时，它会将磁场的能量释放出来。

3.2.4　互感和环路电感

当导体A附近存在另外的导体B时，导体A上电流所产生的环绕在电流周围的磁力线，也有部分环绕在导体B的周围，这样，导体A和导体B具有相互作用，这种相互作用叫作互感。

如图3.3所示，导体A上电流产生的磁力线部分地环绕在导体B的周围。

我们把一个导体中流过单位安培电流时所产生的环绕在另外一个导体周围的磁力线匝数，称为两个导体间的互感（mutual inductance）。因此，两个导体的距离越近，导体间的互感越大。

还有一种情况是，当导线A和导线B同属一个环路时，我们称导体A和导体B的电感为环路电感，环路电感总是取决于环路面积，当电流环路面积小时，虽然导线A和导线B各自的电感可能很大，但是由于两个导线的距离非常近，其环路电感也会非常小。

例如距离很近的双股电缆A、B，它们材料相同、几何尺寸相同且二者靠的非常近，这时导线A上的电流与导线B上的电流总是方向相反，因此导线A上电流所产生的磁力线基本包围导线B，导线B上电流产生的磁力线也基本包围导线A，由于两个电流产生的磁场磁力线方向相反、大小基本相当，则相互抵消（见图3.4）。

环路电感有一个重要的性质，当存在多条传输路径时，电流在多条路径上分流传输，环路电感越小，则其上流经的电流越大，因为环路电感越小，就意味着电流流动受到的阻力越小。

3.2.5　电感与趋肤效应

趋肤效应（skin effect）是指对于导体中的交流电流，靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。

以实心圆棒的导体为例，只考虑导体的电感和阻抗时，对于直流电流，电流在导体中是均匀分布的；但是对于交流电流，电流在导体中不是均匀分布的，而是随着电流的频率增加，电流逐渐向导体的表面集中，从而影响导体的阻抗大小。

电流在实心圆棒导体中流动，导体内部和外部都有磁力线圈，外部磁力线圈从不穿过导体，也不随电流频率的变化而变化，仅与实心圆棒导体中电流的大小有关。

但是，导体内部的磁力线圈与频率有何关系呢？

为了方便研究，我们在实心圆棒导体中取两个横截面积完全相等的电流圆柱体和圆筒体，如图3.5的右图所示。

图3.5中左图为均匀的实心导体棒，其中电流方向为垂直向纸的里面，右图为两个横截面积完全相等的圆筒体和圆柱（阴影部分），虚线为磁力线。

先考虑圆棒中电流为直流的情况。电流均匀分布于圆棒中，由于中心圆柱体和外部圆筒体的截面积相等，则二者中的电流值大小也相同。由于磁力线圈一定是环绕在电流周围，而且电流周围的磁力线匝数仅仅与它们所环绕的电流大小有关，因此，在外部圆筒体的外面的空间范围内，二者产生的、环绕在圆筒体外部的磁力线匝数与环绕在中心圆柱体外部的磁力线匝数一样多，而且在圆筒体的里面没有源自外部圆筒体电流的磁力线圈。

在中心圆柱体外面至外部圆筒体内壁之间的空间范围内，存在源自中心圆柱体内电流所产生的磁力线圈，距离中心圆柱体越近的空间，其磁力线圈密度越大，即同样大小的截面积，越接近圆柱体中心，其自感就越大。

如果圆棒中电流值保持不变，但把电流由直流改为交流，在圆柱体内，相同截面积的导体，越靠近圆柱体中心，其自感越大，其交流阻抗也越大。当有多条传输路径时，交流电沿多条路径分流传输，路径的阻抗越低，流经其上的交流电流占比越大，而圆柱体表面的交流阻抗最小，所以，交流电总是趋于导体的表面流动。

这里有一个重要的结论：截面积相同、长度相等的导线，其表面积越大，则其自感越小，对同样频率的交流信号的阻抗也越小。

交流电的频率越高，内部阻抗越大，电流就更加趋向在导体的表面流动，电流频率越高，圆棒中心处的阻抗越大，电流越是向导体表面集中。这就是趋肤效应的原因。

趋肤效应使导线内部实际上电流很小，电流集中在临近导线外表的某薄层，使导体中通过电流时的有效截面积减小，从而使其有效电阻变大，而导线电阻的增加，使它的损耗功率也增加。