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電容和電感是怎樣儲能的

描述

電容、電感是如何儲能的?

這個問題是很多電子初學者都想知道的原理。其中,由于電感的儲能方式現(xiàn)在依舊存在很多的爭論,所以本文中的觀點純屬于個人對電感的理解。

在講解電感的儲能方式之前,先看看電容是如何儲能的。在項目二的視頻中可以了解到,電容儲存的能量時電壓,而在能量的角度上,我們可以把電壓稱之為“電場”。故,電容是一個儲存電場的物質(zhì)。

電場是什么?

電場什么?它是如何產(chǎn)生的?電場是“電荷”及“變化磁場”周圍空間里存在的一種特殊物質(zhì)。在電容儲存的電場,主要就是“正負兩極板之前的電荷所產(chǎn)生的電場”。

電容是如何儲存電場的?

當電容沒有儲存有電壓時,電容兩極板之間的電荷是處于一個平衡態(tài);如圖1所示:

圖1

而當電容儲存有電壓時,其兩極板之間的電荷便不再是一個平衡態(tài),如圖2所示。這說明,電容上存在電場是因為電容兩極板上的電荷不守恒導致的。

圖2

現(xiàn)在假設有一個容量無窮大的電容,其上面存在著+5V的電壓,當將其與一個10uF的電容并聯(lián)時,10uF的電容上也會儲存有+5V的電壓。如圖3所示:

圖3

從圖3可以知道,電容在儲存電場的過程,實際上是電源上的電荷破壞了電容上自身的電荷平衡導致的。而當電容的電荷平衡被破壞時,電容上即存在了電場,這時我們就稱電容上儲存有了電壓。

電容電感_電感 電容_電容和電感

從以上內(nèi)容可總結:電容儲存的是電場,而電場是因為電容上的電荷平衡被“電壓源”打破而導致的。這就是電容儲存電壓的基本原因。

而當電容在放電時,該過程其實就是正負兩極板之前進行了電子轉換,使兩極板之間再次達到電荷平衡的過程,這就是電容放電的基本原理。詳細的內(nèi)容將在視頻中講解。

電感的儲能方式

這時,若將電感與電容進行類比,很多人可能會立刻想到:電感在沒有儲存有能量時,應該也是存在著某種物質(zhì)的平衡。作者本人當時在想這個問題時產(chǎn)生了一個概念,即:“磁荷平衡”。

但是很遺憾,其實人類現(xiàn)在也還沒證明磁荷的存在。但是電感在平衡狀態(tài)時,確實是存在“某種磁場物質(zhì)”平衡的。這個物質(zhì)叫做“磁疇”。

對于磁疇的概念,在這里不進行詳細的描述。但是其與電容的儲能方式是類似的。只不過“磁疇”是在磁場世界中的物質(zhì),其對應著電場中的電荷。

大家在沒有對“磁疇”進行深度了解時,可以簡單地把磁疇理解成“磁介質(zhì)中存在的無數(shù)個隨機排布的小磁鐵”,這一堆小磁鐵在沒有磁場的環(huán)境中,會相互抵消各自的磁場并處于一個平衡態(tài),使“磁介質(zhì)”對外不表現(xiàn)磁性,如圖4所示:

圖4

由此可以知道,當沒有電感流過電流時,電感中的磁芯內(nèi)部的“磁疇”也是處于平衡態(tài)的。這與“沒有存有電壓的電容電容和電感,其兩極板之間的電荷處于平態(tài)衡”是一樣的。

圖5 平衡態(tài)的磁疇分布

而當電感上流過電流時電容和電感,由于電流會存在磁場,當電流的磁場經(jīng)過磁芯時,電流磁場會打破“磁疇”的平衡狀態(tài),使“磁疇”同時趨向于外部磁場的方向。進而導致磁芯此時會對外表現(xiàn)出磁場。而這個磁芯磁場從無—>有的過程,其實就是電感儲存磁場的過程。

圖6 存有磁場的磁疇分布

從圖6可以看到,電感的磁芯由于電流磁場的原因,而導致內(nèi)部的磁疇分布失衡。當磁疇分布失衡時,磁芯就會對外表現(xiàn)出磁場。這時我們就稱電感存有能量了。其與“電容存有電壓時,兩極間的電荷不守恒”的情況類似。

而當外部的電源去掉時,電感上的磁疇就會恢復原來的平衡狀態(tài)。此時磁芯上的磁場就會慢慢變小,由于變化的磁場會產(chǎn)生電場,這個電場就是電感續(xù)流的原因。這個過程與電容放電的過程是類似的。

文章由啟和科技編輯


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