电容、电感是如何储能的

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作者:Tsign Chen

今天所分享的内容是:电容、电感是如何储能的?

这个问题是很多电子初学者都想知道的原理。其中,由于电感的储能方式现在依旧存在很多的争论,所以本文中的观点纯属于个人对电感的理解,如果大家对文章存在疑惑,可以在公众号留言或者添加我个人微信:15521270405进行讨论。

在讲解电感的储能方式之前,先看看电容是如何储能的。在项目二的视频中可以了解到,电容储存的能量时电压,而在能量的角度上,我们可以把电压称之为“电场”。故,电容是一个储存电场的物质。

电场是什么?

电场什么?它是如何产生的?电场是“电荷”及“变化磁场”周围空间里存在的一种特殊物质。在电容储存的电场,主要就是“正负两极板之前的电荷所产生的电场”。

电容是如何储存电场的?

当电容没有储存有电压时,电容两极板之间的电荷是处于一个平衡态;如图1所示:

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而当电容储存有电压时,其两极板之间的电荷便不再是一个平衡态,如图2所示。这说明,电容上存在电场是因为电容两极板上的电荷不守恒导致的。

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现在假设有一个容量无穷大的电容,其上面存在着+5V的电压,当将其与一个10uF的电容并联时,10uF的电容上也会储存有+5V的电压。如图3所示:

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从图3可以知道,电容在储存电场的过程,实际上是电源上的电荷破坏了电容上自身的电荷平衡导致的。而当电容的电荷平衡被破坏时,电容上即存在了电场,这时我们就称电容上储存有了电压。

从以上内容可总结:电容储存的是电场,而电场是因为电容上的电荷平衡被“电压源”打破而导致的。这就是电容储存电压的基本原因。

当电容在放电时,该过程其实就是正负两极板之前进行了电子转换,使两极板之间再次达到电荷平衡的过程,这就是电容放电的基本原理。详细的内容将在视频中讲解。

电感的储能方式

这时,若将电感与电容进行类比,很多人可能会立刻想到:电感在没有储存有能量时,应该也是存在着某种物质的平衡。作者本人当时在想这个问题时产生了一个概念,即:“磁荷平衡”。

但是很遗憾,其实人类现在也还没证明磁荷的存在。但是电感在平衡状态时,确实是存在“某种磁场物质”平衡的。这个物质叫做“磁畴”。

对于磁畴的概念,在这里不进行详细的描述。但是其与电容的储能方式是类似的。只不过“磁畴”是在磁场世界中的物质,其对应着电场中的电荷。

大家在没有对“磁畴”进行深度了解时,可以简单地把磁畴理解成“磁介质中存在的无数个随机排布的小磁铁”,这一堆小磁铁在没有磁场的环境中,会相互抵消各自的磁场并处于一个平衡态,使“磁介质”对外不表现磁性,如图4所示:

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由此可以知道,当没有电感流过电流时,电感中的磁芯内部的“磁畴”也是处于平衡态的。这与“没有存有电压的电容,其两极板之间的电荷处于平态衡”是一样的。

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而当电感上流过电流时,由于电流会存在磁场,当电流的磁场经过磁芯时,电流磁场会打破“磁畴”的平衡状态,使“磁畴”同时趋向于外部磁场的方向。进而导致磁芯此时会对外表现出磁场。而这个磁芯磁场从无—>有的过程,其实就是电感储存磁场的过程。

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从图6可以看到,电感的磁芯由于电流磁场的原因,而导致内部的磁畴分布失衡。当磁畴分布失衡时,磁芯就会对外表现出磁场。这时我们就称电感存有能量了。其与“电容存有电压时,两极间的电荷不守恒”的情况类似。

而当外部的电源去掉时,电感上的磁畴就会恢复原来的平衡状态。此时磁芯上的磁场就会慢慢变小,由于变化的磁场会产生电场,这个电场就是电感续流的原因。这个过程与电容放电的过程是类似的。具体的情况,依旧是在视频中进行详细的讲解。

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