电感式接近传感器的工作原理1——电感

1831年，英国科学家法拉第发现：闭合电路的一部分导体做切割磁场运动时，在导体上就会产生电。前提条件是电路、磁场是在相对变化的环境中，所以称为“动”磁生电，产生的电流叫做感应电流。

我们可以拿一个马达做个实验。一般普通的直流有刷马达，定子部分是永磁体，转子部分是线圈导体。手动旋转转子，意味着导体在做切割磁力线的运动，用示波器连接马达两个电极，可以测量到电压变化。发电机便是依据此原理制成的。

手动旋转马达转子看到电压

楞次定律：因磁通量的改变而产生的感应电流，其电流方向为对抗磁通量改变的方向。

对这句话的简单理解就是：当导体所处环境的磁场（外部磁场）变强的时候，它的感应电流产生的磁场与外部磁场效果相反，使得整体来看总磁场比外部磁场更弱。当导体所处环境的磁场（外部磁场）变弱的时候，它的感应电流产生的磁场与外部磁场效果相反，使得整体来看总磁场比外部磁场更强。

通过楞次定律，可以判断电路上感应电流的方向。

有了以上两个现象和一个定律的知识储备，我们来看电感是怎么工作的。最简单的电感就是螺旋管线圈：

螺旋管线圈电感（Solenoid）

在通电过程中的情况，我们截取螺旋管其中的一小段，可以看到两个线圈，线圈A和线圈B：

在通电过程中，电流变大时，情况如下：

线圈A上通过电流，假设其方向如蓝色实线所示，称为外部激励电流；

根据电生磁原理，外部激励电流产生磁场，磁场开始在周围空间蔓延，并覆盖至线圈B，相当于线圈B在切割磁力线，如蓝色虚线所示；

根据磁生电原理，线圈B上产生感应电流，其方向如绿色实线所示，方向与外部激励电流相反；

根据楞次定律，感应电流产生的磁场，是为了对抗外部激励电流的磁场，故如绿色虚线所示；

在通电稳定后，电流恒定时，情况如下:

在通电稳定后，线圈 A 的外部激励电流恒定，其产生的磁场也恒定，该磁场与线圈 B 没有相对运动，故没有磁生电，没有绿色实线所代表的电流。这个时候，电感对于外部激励来说，相当于是短路的

在理解了电感的工作方式之后，我们再来看电感最重要的特性——电感上的电流不能突变。

在开关闭合的瞬间，电感上的电流为0A，相当于电感开路，这是因为瞬间的电流急剧变化，会产生巨大的感应电流（绿色）来抵抗外部激励电流（蓝色）；

在达到稳态的过程中，电感上的电流大小按指数规律变化；

在达到稳态后，电感上的电流为I=E/R，相当于电感短路；

与感应电流相呼应的是感应电动势，它的作用是对抗E，所以称为Back EMF（反向电动势）。

电感是用于描述器件对抗电流变化的能力，如果对抗电流变化的能力越强，那么电感的感性越大，反之越小。

对于直流激励来说，最终电感呈现为短路状态（电压为0）。但在通电的过程中，电压和电流不为0，意味着有功率，累积这些能量的过程就是充电，它以磁场的方式储存起这些能量，在需要的时候（如外部激励不能维持稳态情况下的电流大小）释放能量。

电感是电磁领域的惯性器件，惯性器件都不喜欢变化，就像动力学里面的飞轮，一开始很难转起来，一旦转起来又很难停下来，期间都伴随着能量转换。

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