電容、電感是如何儲(chǔ)能的？

這個(gè)問(wèn)題是很多電子初學(xué)者都想知道的原理。其中，由于電感的儲(chǔ)能方式現(xiàn)在依舊存在很多的爭(zhēng)論，所以本文中的觀點(diǎn)純屬于個(gè)人對(duì)電感的理解。

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

電場(chǎng)是什么？

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

電容是如何儲(chǔ)存電場(chǎng)的？

當(dāng)電容沒(méi)有儲(chǔ)存有電壓時(shí)，電容兩極板之間的電荷是處于一個(gè)平衡態(tài)；如圖1所示：

圖1

而當(dāng)電容儲(chǔ)存有電壓時(shí)，其兩極板之間的電荷便不再是一個(gè)平衡態(tài)，如圖2所示。這說(shuō)明，電容上存在電場(chǎng)是因?yàn)殡娙輧蓸O板上的電荷不守恒導(dǎo)致的。

圖2

現(xiàn)在假設(shè)有一個(gè)容量無(wú)窮大的電容，其上面存在著＋5V的電壓，當(dāng)將其與一個(gè)10uF的電容并聯(lián)時(shí)，10uF的電容上也會(huì)儲(chǔ)存有＋5V的電壓。如圖3所示：

圖3

從圖3可以知道，電容在儲(chǔ)存電場(chǎng)的過(guò)程，實(shí)際上是電源上的電荷破壞了電容上自身的電荷平衡導(dǎo)致的。而當(dāng)電容的電荷平衡被破壞時(shí)，電容上即存在了電場(chǎng)，這時(shí)我們就稱電容上儲(chǔ)存有了電壓。

從以上內(nèi)容可總結(jié)：電容儲(chǔ)存的是電場(chǎng)，而電場(chǎng)是因?yàn)殡娙萆系碾姾善胶獗弧半妷涸础贝蚱贫鴮?dǎo)致的。這就是電容儲(chǔ)存電壓的基本原因。

而當(dāng)電容在放電時(shí)，該過(guò)程其實(shí)就是正負(fù)兩極板之前進(jìn)行了電子轉(zhuǎn)換，使兩極板之間再次達(dá)到電荷平衡的過(guò)程，這就是電容放電的基本原理。詳細(xì)的內(nèi)容將在視頻中講解。

電感的儲(chǔ)能方式

這時(shí)，若將電感與電容進(jìn)行類比，很多人可能會(huì)立刻想到：電感在沒(méi)有儲(chǔ)存有能量時(shí)，應(yīng)該也是存在著某種物質(zhì)的平衡。作者本人當(dāng)時(shí)在想這個(gè)問(wèn)題時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)概念，即：“磁荷平衡”。

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

對(duì)于磁疇的概念，在這里不進(jìn)行詳細(xì)的描述。但是其與電容的儲(chǔ)能方式是類似的。只不過(guò)“磁疇”是在磁場(chǎng)世界中的物質(zhì)，其對(duì)應(yīng)著電場(chǎng)中的電荷。

大家在沒(méi)有對(duì)“磁疇”進(jìn)行深度了解時(shí)，可以簡(jiǎn)單地把磁疇理解成“磁介質(zhì)中存在的無(wú)數(shù)個(gè)隨機(jī)排布的小磁鐵”，這一堆小磁鐵在沒(méi)有磁場(chǎng)的環(huán)境中，會(huì)相互抵消各自的磁場(chǎng)并處于一個(gè)平衡態(tài)，使“磁介質(zhì)”對(duì)外不表現(xiàn)磁性，如圖4所示：

圖4

由此可以知道，當(dāng)沒(méi)有電感流過(guò)電流時(shí)，電感中的磁芯內(nèi)部的“磁疇”也是處于平衡態(tài)的。這與“沒(méi)有存有電壓的電容，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(dāng)電感上流過(guò)電流時(shí)，由于電流會(huì)存在磁場(chǎng)，當(dāng)電流的磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)磁芯時(shí)，電流磁場(chǎng)會(huì)打破“磁疇”的平衡狀態(tài)，使“磁疇”同時(shí)趨向于外部磁場(chǎng)的方向。進(jìn)而導(dǎo)致磁芯此時(shí)會(huì)對(duì)外表現(xiàn)出磁場(chǎng)。而這個(gè)磁芯磁場(chǎng)從無(wú)—＞有的過(guò)程，其實(shí)就是電感儲(chǔ)存磁場(chǎng)的過(guò)程。

圖6 存有磁場(chǎng)的磁疇分布

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

而當(dāng)外部的電源去掉時(shí)，電感上的磁疇就會(huì)恢復(fù)原來(lái)的平衡狀態(tài)。此時(shí)磁芯上的磁場(chǎng)就會(huì)慢慢變小，由于變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)就是電感續(xù)流的原因。這個(gè)過(guò)程與電容放電的過(guò)程是類似的。