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        寄生電感怎么來的?

        最近在整理電感的內容,忽然就有個問題不明白了:寄生電感怎么來的呢?一段直直的導線怎么也會存在電感,不是只有線圈才能成為電感嗎?

        想到以前看的書,這個寄生電感的存在大家都默認是有的,貌似也沒有人懷疑這個東西是真的存在嗎(還是只有我沒懷疑)?說到芯片,就是引腳寄生電感,走線長點,就是引線電感這些東西,說到傳輸線,也說有寄生電感。那么它們到底是怎么來的呢?

        為了搞清這個問題,我查了一些資料,結合自己的思考,把我的想法分享給大家。

        電感的定義

        首先,要解決上面的問題,咱們必須得認真對待下電感的定義是什么這個問題了,這里要區別下我們用的電感這一元器件,我們想說的是電感的廣義定義,不僅僅是刻意做出的器件,還包括無意中形成的電感。

        上網查了一下,很多地方定義都不盡相同,先來看看百科的定義。

        百度百科定義:電感是閉合回路的一種屬性,是一個物理量。當電流通過線圈后,在線圈中形成磁場感應,感應磁場又會產生感應電動勢來抵制通過線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關系稱為電的感抗,也就是電感。

        有個關鍵詞,就是“閉合回路”,我們見過的電路,基本都是閉合的,不論是直接通過導線直連閉合,還是通過電容耦合過去形成通路。

        然而,這個定義不能讓我們理解一些問題。比如,我們經常說的引線電感,過孔電感等等。一段引線和過孔等,它們只是構成回路的一部分,然后我們卻能通過公式計算出來它們的電感值,說明引線和過孔的電感是固定的,它與回路的其它部分沒有關系。我們如何理解這種回路的局部電感呢?

        局部電感、導線的電感

        電流流過導線,會在導線的周圍產生磁場。當導線電流變化時,這個磁場也會變化,變化的磁場會產生電場,這個電場將阻礙電流的變化,而阻礙電流變化的這種能力,就可以理解為電感,因為導線是回路的一部分,所以這部分電感稱之為局部電感。

        實際上前面所說的回路的總體電感,應是整個回路所有導線相加所得的結果。

                                    

        上圖來源于《信號完整性與電源完整性分析-第二版》。

        本來寫到這里,也差不多能扯明白寄生電感,直導線電感怎么來的。不過,我相信,你現在覺得上面這些都是理所當然的,過個兩天,又一切歸于0。這幾句話更像是結論,并不知道是怎么來的,頭腦里面也不好建立一個圖像場景。

        為了更為清晰的理解,于是我又多想了,而且產生了新的問題:貌似我記得麥克斯韋方程組說了,變化的磁場產生的電場是環形電場的,怎么到這了變成了沿著導線了方向了呢?麥克斯韋那是不可能錯的了,上圖的作者都出書了,也不至于出錯吧。

        為了搞清楚,我又只能去翻翻麥克斯韋方程組了,這個方程組說實話,看了好多遍,看了忘,忘了看,不過好在,多看幾次,在似懂非懂的道路上,向懂的方向不斷進步。

        這里主要用到麥克斯韋方程組里面,磁生電的那一個公式,方程式子我就不列了(原因你懂的)。意思就是,任意取一個曲面,如果里面通過的磁感線數量發生變化,那么會在這個曲面感生出電場。示意圖如下(圖片來源于:長尾科技):

        知道了這些,那么上面那個問題(產生的電場是環形電場的,怎么到這了變成了沿著導線了方向了呢)就容易明白了,理解過程如下圖。

        我們在通電導線上面和下面對稱選兩個面,假如電流在曲面1產生的磁場向上,那么在曲面2產生的磁場方向就是向下的,兩者是相反的。如果電流減小,那么磁場B會減小,產生的環形電場如黃色線圈,兩個曲面的磁場方向不同,所以產生的環形電場是一個順時針,一個逆時針。兩個環形電場在導線上的疊加,電場方向就是沿導線向右的,也說明了此時是阻止電流變小的。

        總得來說,一段導線上如果有電流變化,那么會自己產生感應電動勢阻止電流的變化,這不就是電感么。

        總結:

        通過以上的內容,個人認為,我們常說的寄生電感,導線電感,等等,其實都是導線自己的變化電流產生變化磁場,而變化磁場又產生反向電場來阻止電流變化,這就是電感的屬性。

        麥克斯韋建立了電磁場理論,將電學、磁學、光學統一起來,理解起來是比較困難的,我大學學習的時候感覺就是天書。不過隨著工作多年,真正想搞清楚一些問題的時候,最終都會去翻一翻,理論與實際結合,感覺真的是不一樣,誰用誰知道啊。

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        • EMC小白 2023-03-15 10:36
          是的,電感本身就是存在的,只是很小,頻率很高時,反電動勢,反磁通就體現出來了,即電感特性體現出來
          回復
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