电感的能量储存在哪里-史上最深度的解析(6)

摘要:
在前两节中,我们分别讨论了“电感器的能量存储在磁芯中”和“电感的能量存储于气隙中”两种观点,并对这两种观点提出了不同的质疑,即在两种不同的观点中似乎存在一些无法解释的(无法解释的)现象。最后,我们还对“电感器的能量存储在哪里”提出了自己的看法,即电感器能量既不存储在磁芯中,也不存储在气隙(空气)中!但这并不意味着前两节中的内容完全错误,甚至大多数概念都是正确的,而是有一层窗户纸

前面两节我们分别讨论了“电感的能量储存在磁芯里”与“电感的能量储存在气隙里”这两个观点,并且分别针对这两个观点提出了不同的疑惑,也就是说,在两种不同的观点里都好像有一些无法解释(说不通)的现象,最后也给出了我们对于“电感器的能量储存在哪里”的观点,即:

电感器的能量既不是存储在磁芯里,也不是存储在气隙(空气)里!

但这并不代表前面两节里的内容完全是错误的,甚至大多数概念都是正确的,只不过有一层窗户纸没有捅破才导致观点的不同。那电感器的能量到底存储在哪里呢?在回答这个问题之前,我们首先得回答另一个问题,即:

电感器存储的能量到底是什么?

解决了这个问题后,我们再来谈“电感器的能量储存在哪里”,你就会发现,无论是“电感的能量储存在磁芯里”还是“电感的能量储存在气隙里”所引出的无法解释的现象其实都是统一的,也就是说,没有任何矛盾的地方,都是完全可以理解的!甚至于你在开关电源设计过程中遇到过(很多已经或尚未解决)的电感器与变压器相关问题都会迎刃而解!

有人说:电感存储的能量不就是磁场能么?这个地球人都知道呀!那么磁场能是什么?磁场又是什么?

前面不是有人说:电感器的能量储存在磁场里吗?那么它是怎么存储能量的?有人辩驳道:这个问题已经超出人类的认知(即更多维空间),我怎么跟你解释?你只要知道“电感器的能量储存在磁场里”就行了!既然是这样的话,那你又是怎么知道的?好吧,如果你也是这么认为的话,后面的内容可以都不用看了,因为那些都是“更多维空间”的内容,你不会懂的,么么哒!

我们完全可以用其它能量类比的方式来理解磁场的能量及相关的概念,如果阅读完文章后你还不能深刻理解磁场能量的话,那是我们的问题,如果你已经做到了的话,请帮忙宣传《电子制作站》,与更多的人分享这些知识,感谢您的支持!

这些内容都是《电子制作站》原创的,包括各种概念层次的划分以及能量的转换,如果转载或摘录其中的内容,请务必注明出处。

我们可以随意用各种物质的能量来对比理解磁场能量,最常见的莫过于水与风,来吧!我们先看看水与磁场的对比情况,如下图所示:

 电感的能量储存在哪里-史上最深度的解析(6)第1张

                            

你可以把磁场比作是水(你现在可能很难接受,但到最后你会屈服的),至于磁能的本质是什么我们暂时不揭晓,我们继续往下层挖掘。

水能之所以为能量,是因为水有势能差才能够对外做功,所以我们才可以用水能来驱动转轮旋转并带动转子上的线圈切割磁力线从而产生感应电动势,这样我们就有电了。

相应的,磁场之所以为能量,是因为有磁通的变化量(这就是著名的法拉第定律),所以我们也可以用它来进行发电(看见没有,“磁能到电能”的过程其实就存在“水能到电能”的过程中间,不管是由于动能(水能)带动线圈切割磁力线,还是磁感应强度B变化,只要存在磁通的变化量,其本质都是一样的),那么这个层次应该如下图所示:

电感的能量储存在哪里-史上最深度的解析(6)第2张

如果到这一层你觉很很合理的话,那么我们继续往下看。水之所以有势能,是因为水有一定的质量,有物理公式为证:m=ρ×v,其中,m为质量,v为体积,ρ为物质的密度。

相应的,磁场有磁通变化量是因为磁场有磁通量,有物理公式为证:ɸ=B×S,其中,ɸ为磁通量,B为磁感应强度,S为磁芯截面积,我想这个层次的说法你肯定不会有什么反对意见,如下图所示:

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加把劲,吃完饭继续!水的质量m主要由水的密度ρ来决定,而相应磁场的ɸ磁通量由磁感应强度B决定(水的体积v与磁通量的截面积S相对应),如下图所示:

(旧观点认为磁通量越大表磁力线的密度越大,也有磁力线的根数越多的说法,更容易与水的密度来做比较)

电感的能量储存在哪里-史上最深度的解析(6)第5张电感的能量储存在哪里-史上最深度的解析(6)第6张

再往下一层,在相同的条件下,一种物质(无论气体、液体、固体)的密度与周围的压强成正比(公式可自行上网查阅,一大堆),而相应磁感应强度B则主要由周围的磁场强度H决定(也成正比),即B=μ×H,其中,常数磁导率μ也与压强公式中常数对应(你也可以借此层次图理解磁感应强度B与磁场强度H物理意义的区别)如下图所示:

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注意:分隔线颜色不同,有分教JJ)而大气压强的本质是分子的动能,即气体是由大量无规则运动的分子组成,分子动能的存在使得在空气中对物体不断发生碰撞产生的冲击。

而磁场强度H的本质也是分子能量:从分子电流的观点来说,磁分子都相当于一个环形电流,在外加磁化场的作用下,分子环流的磁矩沿着磁化场的排列起来才形成了磁场强度H,如下图所示:

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这样整个概念层的对应关系已经建立起来了,如果你还觉得可以理解的话,我们返过来看看能量层。

很明显,水能的大小不仅与势能差有关,还与势能的变化速度有关,即势能的变化率,同样的水从100米高处流下,1米的距离(A点到B点)与1000米的距离(A点到C点)所能转化的能量是完全不同的,如下图所示:

电感的能量储存在哪里-史上最深度的解析(6)第11张

相应的,磁能的大小不仅与磁通量有关,也与磁通量的变化率有关,这一点我想不会有人有疑义,这样也就解释了“电感器储存的能量是什么”,即:

磁能就是磁通变化率,电感储存的就是磁通量(好像

这样我们的概念层次图应如下图所示:

电感的能量储存在哪里-史上最深度的解析(6)第12张

 

严格来说,与“水的势能差”同层次的概念应该是“磁场的势能差”,即磁势差,但可能很多人不好理解,所以先换成了“磁通变化量”,磁通量不可能无缘无故地变化,变化的原因是存在磁势差,不然你以为怎么存在“磁动势”的说法。

 

因此,我们的概念层次图应修正如下图所示:

电感的能量储存在哪里-史上最深度的解析(6)第13张

这还不够?把磁场比作水不好理解?那我们再拿风来做类比,风无形云无相,九霄龙吟惊天变,风云际会浅水游,哦!不好意思,跑题了!风之所以有能量是因为有气压差,气压差的变化率越大,则风能越大,这与势能变化率(水能)、磁通变化率(磁场)是类似的,如下图所示:

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气压的本质是由空气的密度所造成的,这与水的密度、磁场的密度(即磁感应强度,旧观点就是磁场的密度)是对应的,如下图所示:

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空气的密度是由于不同的温度(当然还有其它因素,但不影响层次概念划分)所造成的,而温度的本质就是分子热运动导致的,如下图所示:

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可以看到,无论是哪种能量,从微观上我们都可以将其归为分子能量,如果这个层次图大家都觉得比较认可的话,我们就来谈谈刚开始的问题:电感的能量(磁能)储存的哪里?

对于“电感的能量(磁能)储存在气隙里”的观点,准确来说是不恰当的,因为这就相当于说“水能储存在空气里”(注意概念层次),这种说法很显然是不恰当的!如果你还能够勉强接受这种说法的话,那我们换个说法:“水能储存在杯子里”你同意吗?我这杯水里有水能!那你可能会跳起来指着我的鼻子指责我胡诌,然而,我就是顺着你的思路来讲的,只不过容器变了而已(空气变成了杯子),静态的水有水能吗?没有!但静态的水有重力(势能),只不过有其它的力与它抵消了而已

对于“电感的能量(磁能)储存在磁场里”的观点,这就相当于说“水能储存在水里”,乍看起来好像完全没什么问题,或者说,这只是比较讨巧的说法!因为很多人并没有足够清晰的逻辑思路去反对这个观点!但这应该是错误的!

我们早就说过,和尚不一定住在和尚庙里,水只是一种势能的载体之一,换句话说,势能并非一定要在水里,这一点恐怕没有人会反对,因为很好理解哈。如果思路开阔一点的话,沙子、木头、手机、人类、汽车、房子、飞机、星球都可以用来发电,只要有合适的工具将它们的势能转化为动能来发电(把一个个的人丢进人类发电机里发电,虽然很残忍,但你将就理解一下,么么哒),这就相当于“给我一个支点,我能支起整个地球”。

所以说,“水能”与“势能”应该是两种不同的概念,“水能”只能存在于“流动的水里”,因为水有势能差才表现出可以转换的能量,因此,准确的说法即:

势能储存在水里,水能储存在流动的水里

我们用水坝将水围起来是为了“储存水的势能(差)”,而不是直接为了“储存水的水能”!水从高往低处流动的过程中才产生了水能,换句话说,水能只是势能转换为其它能量的一种途径。

相应的,“磁能储存在磁场里”或“磁能储存在气隙的磁场里”的观点表面好像没有什么问题,也是一种比较讨巧的说法,然而,严格来讲是不确切的,因为“静磁场没有磁能”(但不是说静磁场没有能量,它储存的是磁势,则可以说电感的能量储存在静磁场里)!准确的说法是:

磁能储存在变化的磁场里

如果“电感存储的能量”不是专指“磁能”,我们还是可以认为“电感的能量储存在磁场里”是正确的,综上所述即:

电感存储的能量是磁势,磁势储存在磁场里,而磁能储存在变化的磁场里

我们用下图来概括上面稀里哗啦一大段的话:

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有人可能在嘀咕:你非得弄这么清楚干什么?钻牛角尖呀!然而,这并不是无的放矢,因为这与后续清晰讲述“电感的能量储存在哪里”有莫大的关系,如果你讲不清楚“电感储存的能量是什么”,那就算被你侥幸蒙出“磁能储存在磁场里”这种大多数人无法辨别的观点,也说明你本身没有理解这个问题的本质,你也绝对无法清晰地说出“磁能是如何储存在电感里的”。

总的来说,从实质上来讲,水之所以有水能可供转换,是因为有势能(差),相应的,磁场之所以有磁能可供转换,是因为存在磁势(差),而电感器储存的能量就是磁势磁势差的结果就是磁通量的差(即磁通变化量)

只要能理解到“磁势”这个层面,以后的问题就很好解决了,那下一节用水力发电站来形象对比一下“磁势是如何存储在电感器里的”,并以此引出电感器与变压器设计的各种参数,你会发现两者是极其相似的。只有理解了“电感储能”的这个本质,我们才可以将之前所有无法解释的现象统一起来了,解决所有关于“电感储能”所引发的问题,并深刻理解磁芯及其磁导率,从真正意义上理解电感器与变压器的设计方法,将开关电源设计理念提高一个层次这都不是事。

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