【電與磁6】電感器是甚麼？光管的原理是怎樣的？

我們日常見到的摩打、光管，表面上好像各自運作，但背後都靠同一套電磁感應的基本規律：變化的磁場會產生電，產生的電又會盡力抵抗那個變化。把這個核心念頭記住，你會發現很多平常看似複雜的現象其實有簡單的解釋。

法拉第與楞次：變化會生電，生出的電會反抗

先講最核心的兩條規律。法拉第定律（簡單說）指出：當穿過一個線圈的磁通量改變時，線圈內會產生電壓（我們叫做感應電動勢）。這個「磁通量改變」可以由磁場強度改變、線圈面積改變、或者線圈相對磁場轉動造成。

接着是楞次定律，它告訴我們一個方向性的規則：感應出來的電流方向，會試圖抵消造成它的那個磁通量變化。換句說，系統會自發地反抗外來的變化。把這兩條放在一起，就是很多電磁裝置運作的基本邏輯。

摩打為何會轉：電動機其實想當發電機

平常我們說電動機把電能變成機械能：電流通過線圈，磁場和電流互相作用（可以用費林明的左手定律記方向），線圈受到力而轉動。這個是表面故事。更深一層的看法是：當你通電，線圈在磁場中受力而開始轉時，線圈本身的轉動同時會改變穿過它的磁通量，於是它又會感應出一個電壓。如果線圈的轉動方向使這個感應電壓與原來外加的電壓方向相反，那麼這個感應電壓就會抵抗原本的電流。換句話說，摩打在轉動時會自動產生一個「反電動勢」（back EMF），企圖削弱通過它的電流。

把它用生活比喻：想像你用手推一個滑行的車子，車子本身有個飛輪，飛輪的慣性想保持轉動；同時飛輪也會把推力回饋到你手上，使你感到一股阻力。線圈的感應電壓就像那股回饋的阻力——它是電路對改變的「反抗」。

這個觀點有實用的意義：如果摩打不轉，電流會很大；當摩打轉得越快，產生的反電動勢越大，電流反而越小，系統達到一個平衡。這就是為什麼在摩打啟動瞬間會吸取較大電流，跑起來後電流下降的原因。

電感：電流的慣性

電感器（inductor）就是一個把電磁感應概念放大、專門用來對付電流變化的元件。電感通常是把線圈繞在一個鐵芯上，實際上可以把它看成一個小型電磁鐵。當電流嘗試改變時，線圈會透過法拉第與楞次的效應在自己兩端產生電壓，這個電壓正好抵抗電流的改變。

生活化一點來說，電感就像電路中的「慣性」，類似機械世界中的質量或飛輪：你要快啲改變一個運動物體的速度，需要較大的力；同樣地，要快啲改變電路中的電流，也會在電感那裡誘發較大的電壓去反抗。當電流緩慢改變時，電感的反抗較小；當電流突然改變時，電感會感生很大的電動勢。

如果在電感內加入鐵芯，磁通更容易形成，電感的效應更強；因此一般標示有鐵芯的電感在圖上會用特別符號表示。電感在電路中常作為濾波元件、儲能元件，或是像光管電路裡的穩流器（ballast）一樣，幫助控制啟動與工作電流。

光管點亮的祕密：穩流器與starter如何合作

與傳統燈膽（白熾燈）不同，光管（如我們常見的日光燈）不是直接靠把一條細絲發燙發光。光管內裝有低壓惰性氣體（通常含有汞蒸氣），靠氣體被擊穿放電來發光。這種放電一旦開始，管內電阻會大大下降，電流就可以穩定通過，燈就持續發光；但啟動那一刻，如何把原本絕緣的氣體打通，卻需要一個較高的瞬間電壓。

這就是穩流器（電感）與starter（起動器）出場的理由。Starter通常是一個簡單的雙金屬片開關，當電路剛接通時，starter閉合，讓電流流過預熱燈絲（或流過某條路徑）。因為starter會在內部機械動作下反覆快速開合，它會在很短時間內造成電流的大幅變化。電流快速變化經過電感（穩流器）時，根據法拉第定律，電感兩端會感生出很高的電壓，這個瞬間高電壓足以把光管內的氣體打通，產生放電。

打通之後，光管變成低電阻狀態，整個電流主要流經光管，starter的開關作用就不再需要；因此一旦燈點亮，即使移除starter，燈都會繼續亮，但如果燈關掉再開，沒有starter就通常無法重新打著。這解釋了為什麼starter和穩流器在光管整套設備中是必要的——starter製造短促、劇烈的電流變化，電感把這個變化放大成高電壓，完成點燈動作。

光管與燈膽：效率與設計選擇

理解了發光原理，就清楚為何光管比白熾燈節電。白熾燈靠把燈絲加熱到高溫再發光，過程中多數能量以熱散失，光的部分只佔少量；相反光管是利用氣體放電和螢光粉轉換，比起發熱來說更直接把能量用於發光，因此效率更高。不過光管需要比較複雜的啟動電路（穩流器與starter），設計上也要處理汞等材料與啟動壽命的問題。

把抽象變成直觀的比喻

為了更容易記住，上面幾個概念可以用幾個比喻聯想：電流的改變像水流的速率變化；電感就是水管中的慣性或蓄水箱，突然要改變水速會被它「吸」或「推回」。法拉第定律像是一個規則：速度變了會在水管裡產生壓力差（電壓）；而楞次定律則像那個水箱的反作用力，總會朝着抵消速率改變的方向反應。摩打會轉，是因為通電引起磁力把線圈推動；線圈轉動又像水箱轉動，會反過來產生一股力（反電動勢）抵抗原先的推動。