電感的能量儲存在哪里-史上最深度的解析(6)


前面兩節我們分別討論了“電感的能量儲存在磁芯里”與“電感的能量儲存在氣隙里”這兩個觀點,並且分別針對這兩個觀點提出了不同的疑惑,也就是說,在兩種不同的觀點里都好像有一些無法解釋(說不通)的現象,最后也給出了我們對於“電感器的能量儲存在哪里”的觀點,即:

 

電感器的能量既不是存儲在磁芯里,也不是存儲在氣隙(空氣)里!

 

但這並不代表前面兩節里的內容完全是錯誤的,甚至大多數概念都是正確的,只不過有一層窗戶紙沒有捅破才導致觀點的不同。那電感器的能量到底存儲在哪里呢?在回答這個問題之前,我們首先得回答另一個問題,即:

 

電感器存儲的能量到底是什么?

 

解決了這個問題后,我們再來談“電感器的能量儲存在哪里”,你就會發現,無論是“電感的能量儲存在磁芯里”還是“電感的能量儲存在氣隙里”所引出的無法解釋的現象其實都是統一的,也就是說,沒有任何矛盾的地方,都是完全可以理解的!甚至於你在開關電源設計過程中遇到過(很多已經或尚未解決)的電感器與變壓器相關問題都會迎刃而解!

 

有人說:電感存儲的能量不就是磁場能么?這個地球人都知道呀!那么磁場能是什么?磁場又是什么?

 

前面不是有人說:電感器的能量儲存在磁場里嗎?那么它是怎么存儲能量的?有人辯駁道:這個問題已經超出人類的認知(即更多維空間),我怎么跟你解釋?你只要知道“電感器的能量儲存在磁場里”就行了!既然是這樣的話,那你又是怎么知道的?好吧,如果你也是這么認為的話,后面的內容可以都不用看了,因為那些都是“更多維空間”的內容,你不會懂的,么么噠!

 

我們完全可以用其它能量類比的方式來理解磁場的能量及相關的概念,如果閱讀完文章后你還不能深刻理解磁場能量的話,那是我們的問題,如果你已經做到了的話,請幫忙宣傳《電子制作站》,與更多的人分享這些知識,感謝您的支持!

 

這些內容都是《電子制作站》原創的,包括各種概念層次的划分以及能量的轉換,如果轉載或摘錄其中的內容,請務必注明出處。

 

我們可以隨意用各種物質的能量來對比理解磁場能量,最常見的莫過於水與風,來吧!我們先看看水與磁場的對比情況,如下圖所示:

 

 

 

                            

你可以把磁場比作是水(你現在可能很難接受,但到最后你會屈服的),至於磁能的本質是什么我們暫時不揭曉,我們繼續往下層挖掘。

 

水能之所以為能量,是因為水有勢能差才能夠對外做功,所以我們才可以用水能來驅動轉輪旋轉並帶動轉子上的線圈切割磁力線從而產生感應電動勢,這樣我們就有電了。

相應的,磁場之所以為能量,是因為有磁通的變化量(這就是著名的法拉第定律),所以我們也可以用它來進行發電(看見沒有,“磁能到電能”的過程其實就存在“水能到電能”的過程中間,不管是由於動能(水能)帶動線圈切割磁力線,還是磁感應強度B變化,只要存在磁通的變化量,其本質都是一樣的),那么這個層次應該如下圖所示:

 

如果到這一層你覺很很合理的話,那么我們繼續往下看。水之所以有勢能,是因為水有一定的質量,有物理公式為證:m=ρ×v,其中,m為質量,v為體積,ρ為物質的密度。

相應的,磁場有磁通變化量是因為磁場有磁通量,有物理公式為證:ɸ=B×S,其中,ɸ為磁通量,B為磁感應強度,S為磁芯截面積,我想這個層次的說法你肯定不會有什么反對意見,如下圖所示:

 

加把勁,吃完飯繼續!水的質量m主要由水的密度ρ來決定,而相應磁場的ɸ磁通量由磁感應強度B決定(水的體積v與磁通量的截面積S相對應),如下圖所示:

(舊觀點認為磁通量越大表磁力線的密度越大,也有磁力線的根數越多的說法,更容易與水的密度來做比較)

 

 

 

再往下一層,在相同的條件下,一種物質(無論氣體、液體、固體)的密度與周圍的壓強成正比(公式可自行上網查閱,一大堆),而相應磁感應強度B則主要由周圍的磁場強度H決定(也成正比),即B=μ×H,其中,常數磁導率μ也與壓強公式中常數對應(你也可以借此層次圖理解磁感應強度B與磁場強度H物理意義的區別)如下圖所示:

 

注意:分隔線顏色不同,有分教JJ)而大氣壓強的本質是分子的動能,即氣體是由大量無規則運動的分子組成,分子動能的存在使得在空氣中對物體不斷發生碰撞產生的沖擊。

而磁場強度H的本質也是分子能量:從分子電流的觀點來說,磁分子都相當於一個環形電流,在外加磁化場的作用下,分子環流的磁矩沿着磁化場的排列起來才形成了磁場強度H,如下圖所示:

 

這樣整個概念層的對應關系已經建立起來了,如果你還覺得可以理解的話,我們返過來看看能量層。

 

很明顯,水能的大小不僅與勢能差有關,還與勢能的變化速度有關,即勢能的變化率,同樣的水從100米高處流下,1米的距離(A點到B點)與1000米的距離(A點到C點)所能轉化的能量是完全不同的,如下圖所示:

相應的,磁能的大小不僅與磁通量有關,也與磁通量的變化率有關,這一點我想不會有人有疑義,這樣也就解釋了“電感器儲存的能量是什么”,即:

 

磁能就是磁通變化率,電感儲存的就是磁通量(好像

 

這樣我們的概念層次圖應如下圖所示:

 

嚴格來說,與“水的勢能差”同層次的概念應該是“磁場的勢能差”,即磁勢差,但可能很多人不好理解,所以先換成了“磁通變化量”,磁通量不可能無緣無故地變化,變化的原因是存在磁勢差,不然你以為怎么存在“磁動勢”的說法。

 

因此,我們的概念層次圖應修正如下圖所示:

這還不夠?把磁場比作水不好理解?那我們再拿風來做類比,風無形雲無相,九霄龍吟驚天變,風雲際會淺水游,哦!不好意思,跑題了!風之所以有能量是因為有氣壓差,氣壓差的變化率越大,則風能越大,這與勢能變化率(水能)、磁通變化率(磁場)是類似的,如下圖所示:

 

 

 

 

氣壓的本質是由空氣的密度所造成的,這與水的密度、磁場的密度(即磁感應強度,舊觀點就是磁場的密度)是對應的,如下圖所示:

 

空氣的密度是由於不同的溫度(當然還有其它因素,但不影響層次概念划分)所造成的,而溫度的本質就是分子熱運動導致的,如下圖所示:

 

可以看到,無論是哪種能量,從微觀上我們都可以將其歸為分子能量,如果這個層次圖大家都覺得比較認可的話,我們就來談談剛開始的問題:電感的能量(磁能)儲存的哪里?

 

對於“電感的能量(磁能)儲存在氣隙里”的觀點,准確來說是不恰當的,因為這就相當於說“水能儲存在空氣里”(注意概念層次),這種說法很顯然是不恰當的!如果你還能夠勉強接受這種說法的話,那我們換個說法:“水能儲存在杯子里”你同意嗎?我這杯水里有水能!那你可能會跳起來指着我的鼻子指責我胡謅,然而,我就是順着你的思路來講的,只不過容器變了而已(空氣變成了杯子),靜態的水有水能嗎?沒有!但靜態的水有重力(勢能),只不過有其它的力與它抵消了而已

 

對於“電感的能量(磁能)儲存在磁場里”的觀點,這就相當於說“水能儲存在水里”,乍看起來好像完全沒什么問題,或者說,這只是比較討巧的說法!因為很多人並沒有足夠清晰的邏輯思路去反對這個觀點!但這應該是錯誤的!

我們早就說過,和尚不一定住在和尚廟里,水只是一種勢能的載體之一,換句話說,勢能並非一定要在水里,這一點恐怕沒有人會反對,因為很好理解哈。如果思路開闊一點的話,沙子、木頭、手機、人類、汽車、房子、飛機、星球都可以用來發電,只要有合適的工具將它們的勢能轉化為動能來發電(把一個個的人丟進人類發電機里發電,雖然很殘忍,但你將就理解一下,么么噠),這就相當於“給我一個支點,我能支起整個地球”。

所以說,“水能”與“勢能”應該是兩種不同的概念,“水能”只能存在於“流動的水里”,因為水有勢能差才表現出可以轉換的能量,因此,准確的說法即:

 

勢能儲存在水里,水能儲存在流動的水里

 

我們用水壩將水圍起來是為了“儲存水的勢能(差)”,而不是直接為了“儲存水的水能”!水從高往低處流動的過程中才產生了水能,換句話說,水能只是勢能轉換為其它能量的一種途徑。

 

相應的,“磁能儲存在磁場里”或“磁能儲存在氣隙的磁場里”的觀點表面好像沒有什么問題,也是一種比較討巧的說法,然而,嚴格來講是不確切的,因為“靜磁場沒有磁能”(但不是說靜磁場沒有能量,它儲存的是磁勢,則可以說電感的能量儲存在靜磁場里)!准確的說法是:

 

磁能儲存在變化的磁場里

 

如果“電感存儲的能量”不是專指“磁能”,我們還是可以認為“電感的能量儲存在磁場里”是正確的,綜上所述即:

 

電感存儲的能量是磁勢,磁勢儲存在磁場里,而磁能儲存在變化的磁場里

 

 

我們用下圖來概括上面稀里嘩啦一大段的話:

 

 

有人可能在嘀咕:你非得弄這么清楚干什么?鑽牛角尖呀!然而,這並不是無的放矢,因為這與后續清晰講述“電感的能量儲存在哪里”有莫大的關系,如果你講不清楚“電感儲存的能量是什么”,那就算被你僥幸蒙出“磁能儲存在磁場里”這種大多數人無法辨別的觀點,也說明你本身沒有理解這個問題的本質,你也絕對無法清晰地說出“磁能是如何儲存在電感里的”。

 

總的來說,從實質上來講,水之所以有水能可供轉換,是因為有勢能(差),相應的,磁場之所以有磁能可供轉換,是因為存在磁勢(差),而電感器儲存的能量就是磁勢磁勢差的結果就是磁通量的差(即磁通變化量)

 

只要能理解到“磁勢”這個層面,以后的問題就很好解決了,那下一節用水力發電站來形象對比一下“磁勢是如何存儲在電感器里的”,並以此引出電感器與變壓器設計的各種參數,你會發現兩者是極其相似的。只有理解了“電感儲能”的這個本質,我們才可以將之前所有無法解釋的現象統一起來了,解決所有關於“電感儲能”所引發的問題,並深刻理解磁芯及其磁導率,從真正意義上理解電感器與變壓器的設計方法,將開關電源設計理念提高一個層次這都不是事。


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