我们知道电容器是用来存储电荷的,正负电荷形成电场,所以电荷是电容能够存储电场能的媒介(或者通俗一点,就是道具),换句话说,电场只是一种外在的表现形式,这与磁场是一个层面的概念,如下图所示:
那电感存储磁能的媒介是什么呢?有人说是磁偶极子,不论正确与否,至少我没办法反驳,因为我不是研究物理学或电磁学的,就算媒介确实是磁偶极子,我也是从书上看到的,是别人(道听途)说的,不是我自己理解的就不应该跟读者重复这种看似高逼格的解释,因为不应该拿自己都不信服或不理解的概念或结论作为写文章的论据。《电子制作站》文章的目的就是在摒弃复杂的理论前提下,形象地去理解某一种看似高深或难以理解的知识,如果不能达到这个目的,我们的文章都不需要看了(我想还没有人愿意拿着手机去看别人推导复杂的公式),你可以直接去图书馆找电磁学方面的书籍,那里有一大堆的推导过程与公式在等着你去征服!
这里想表达的意思是:我们不需要去深究电感存储磁能的媒介是什么,但这并不妨碍我们理解“电感的能量存储在哪里”这个问题,但这种概念分层的对应方法确实对有助于理解很多问题(因为后续文章会用得到)。
我们首先描述一下“电感的能量存储在磁芯”的这种说法基本思路(对错与否请暂且忽略,这点非常重要,不然如果你被绕进去了,甚至于质问作者写的什么鬼东西,就别怪我没提醒你了JJ,在这里我们不使用任何微积分那样的高级货来解释这个问题,因为就算公式的推导过程全摆在这里你也未必看得懂,更重要的是,一个抄过来的公式或推导过程对于理解这个问题真心是一毛钱用都没有!JJ)
初中物理学告诉我们,磁芯内部微观上包含很多的磁畴(Magnetic Domain),它可以理解为非常小的磁铁,每一个小小的磁畴都会产生一定的磁场。在磁芯未曾被磁化时,由于内部磁畴的排列方向杂乱无章,磁畴产生的磁场相互抵消,因此整个磁芯对外不显磁性,如下图所示:
当我们对缠线在磁芯体的线圈施加电流时,线圈将会产生一定的磁场强度H(也称为磁化场),磁场强度与电流的大小成正比关系,如下图所示:
注意:电路中这里我们对线圈施加的是恒流源,而不是电压源,如果你用电压源做这个实验导致电源或电池炸掉了,请务必记住把脸护住!
这个磁化场H将对磁芯中的每一个磁畴施加一个磁力矩,使这些磁畴在宏观上转向磁场方向排列起来,这样磁芯整体会对外显磁性,如下图所示:
在这个过程中,我们可以认为:磁畴在磁化场的作用下做功,也就是将磁场能转化为磁力矩保存起来,而表现的形式就是磁场强度B。
在外部磁化场撤消的瞬间,磁芯本身对外是有磁场的,但很快磁畴因本身的方向恢复而释放磁力矩,在这个过程中,磁芯对外的磁场将从大到小变化,如果磁芯周围有线圈的话,就会由于磁通量变化而在线圈中产生感应电动势(线圈切割磁力线),如果线圈有闭合回路的话,就会产生回路电流,如下图所示:
此时磁芯内部的磁畴如下图所示:
这样就有下述所述的能量转换:
这种磁力矩与弹簧的弹力是相似(与机械钟表中的发条更接近一些,但图不好画就免了,你懂的),当弹簧因外力被压迫后(相当于磁芯被磁化),弹簧的弹性势能增加(相当于磁芯的磁力矩增加,也就是磁芯储能增加),如下图所示:
当压迫弹簧的外力撤消后,弹性势能转换为动能对外做功,同样的道理,磁力矩在变化的过程中产生变化的磁场,也可以对处于磁场中的导线或线圈做功,如下图所示:
因此,磁芯的体积越大,则内部的磁畴越多,则相同类型的磁芯材料能够存储的能量越多,这就解释了为什么功率越大的变压器需要体积更大的磁芯。
我们也可以由“电感的能量储在磁芯”的这个说法来讲解释一下磁滞(B-H)回线是如何表征磁芯能量的损失。我们都知道,磁滞回线包围的面积代表了磁芯的损耗,也就是磁化场对磁芯内的磁畴磁化的效率。
在撤消外部磁化场后(H=0)时,理想磁芯内磁畴的磁力矩应该尽量全部复位(即释放为0,相当于弹簧的弹性势能为0时),如果磁力矩没有全部复位,则我们认为磁化场存储在磁芯(磁畴)做的功没有完全释放出来,这些没有释放出来的能量的表现形式我们称之为剩余磁通Br,这个剩余磁通自然越小越好。
如果要将磁力矩全部复位,则必须施加一个反向的磁力场用来抵消磁芯的剩余磁通,我们把剩余磁通减少到0时的磁力场称为矫顽力HC,这个矫顽力自然也是越小越好(理想为0),因为它导致了能量的损失,如下图所示:
很明显,蓝色磁滞回线的面积比红色的要小,因此它代表的磁芯损耗也要小一些,这符合我们对磁滞回线的认识。因此,无损耗的磁滞回线应如下图所示,这与我们理论中无损磁滞回线也是相符合的。
同样,我们也可以藉此解释为什么反激式变压器的磁芯需要增加气隙,增加气隙后的等效磁导率变低,相当于磁滞回线更平缓了,如下图所示:
在相同磁感应强度B1,2下,有气隙磁芯的磁滞回线比无气隙磁芯的磁滞回线要平缓得多(斜率变小,也就是磁芯的等效磁导率变小),因此需要更强大的磁化场对磁芯(磁畴)做功,因此可以认为磁芯(磁畴)储存的能量更多了,因为更多的能量被转化成磁力矩。
如果“电感的能量储存在磁芯里”这个解释成立的话,也存在很多无法解释的问题,比如:电感器的磁芯饱和后,电感器的存储的能量是最大值还是最小值?我们说磁芯在磁饱和后的磁导率为1(相当于空气的磁导率),这样磁芯电感器相当于是空心电感器,自然电感量也就下降了,根据电感储能公式(W=1/2×L×I2)可以看出此时电感储存的能量也是下降的。
但是如果按照能量是储存在磁芯内的说法,有芯电感器的磁芯饱和后,内部磁畴的磁力矩应该都是最大值,也就是说磁化场能够转化能量的极限达到了,此时电感器存储的能量应该是最大值,这就有点矛盾了,如何解释?
再比如:反激式变压器在开气隙之前存储的能量比较小,而开气隙之后存储的能量比较大,开气隙就相当于把磁芯的某个部位截掉了,也就是说,磁芯中总的磁畴数量已经下降,按理说存储的能量应该更小才是,如何解释?
再再比如:我们说电容器介质的介电常数越大,电容器的容量越大的,则能够储存的能量越多,同样,电感器磁芯的磁导率越大,电感量也越大,则能够储存的能量也越多,但我们恐怕从没听说过“电容器的能量存储在介质中”的说法吧,那“电感器的能量存储在磁芯”的说法又做何解释?
看到这里,有些读者在想:电感的能量果然不在磁芯里,那肯定是在气隙里!但是我没有这么说,下一节让我们先谈谈“能量储存在空气(气隙)”里的说法,么么哒!