電容、電感是如何儲能的？

這個問題是很多電子初學(xué)者都想知道的原理。其中，由于電感的儲能方式現(xiàn)在依舊存在很多的爭論，所以本文中的觀點(diǎn)純屬于個人對電感的理解。

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

電場是什么？

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

電容是如何儲存電場的？

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

圖1

而當(dāng)電容儲存有電壓時，其兩極板之間的電荷便不再是一個平衡態(tài)，如圖2所示。這說明，電容上存在電場是因為電容兩極板上的電荷不守恒導(dǎo)致的。

圖2

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

圖3

從圖3可以知道，電容在儲存電場的過程，實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，電容上即存在了電場，這時我們就稱電容上儲存有了電壓。

從以上內(nèi)容可總結(jié)：電容儲存的是電場，而電場是因為電容上的電荷平衡被“電壓源”打破而導(dǎo)致的。這就是電容儲存電壓的基本原因。

而當(dāng)電容在放電時，該過程其實就是正負(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。

電感的儲能方式

這時，若將電感與電容進(jìn)行類比，很多人可能會立刻想到：電感在沒有儲存有能量時，應(yīng)該也是存在著某種物質(zhì)的平衡。作者本人當(dāng)時在想這個問題時產(chǎn)生了一個概念，即：“磁荷平衡”。

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

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

大家在沒有對“磁疇”進(jìn)行深度了解時，可以簡單地把磁疇理解成“磁介質(zhì)中存在的無數(shù)個隨機(jī)排布的小磁鐵”，這一堆小磁鐵在沒有磁場的環(huán)境中，會相互抵消各自的磁場并處于一個平衡態(tài)，使“磁介質(zhì)”對外不表現(xiàn)磁性，如圖4所示：

圖4

由此可以知道，當(dāng)沒有電感流過電流時，電感中的磁芯內(nèi)部的“磁疇”也是處于平衡態(tài)的。這與“沒有存有電壓的電容，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)電感上流過電流時，由于電流會存在磁場，當(dāng)電流的磁場經(jīng)過磁芯時，電流磁場會打破“磁疇”的平衡狀態(tài)，使“磁疇”同時趨向于外部磁場的方向。進(jìn)而導(dǎo)致磁芯此時會對外表現(xiàn)出磁場。而這個磁芯磁場從無—＞有的過程，其實就是電感儲存磁場的過程。

圖6 存有磁場的磁疇分布

從圖6可以看到，電感的磁芯由于電流磁場的原因，而導(dǎo)致內(nèi)部的磁疇分布失衡。當(dāng)磁疇分布失衡時，磁芯就會對外表現(xiàn)出磁場。這時我們就稱電感存有能量了。其與“電容存有電壓時，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，電感上的磁疇就會恢復(fù)原來的平衡狀態(tài)。此時磁芯上的磁場就會慢慢變小，由于變化的磁場會產(chǎn)生電場，這個電場就是電感續(xù)流的原因。這個過程與電容放電的過程是類似的。