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电容或电感的电压_电容、电感是如何储能的?

这个问题是许多电子初学者想知道的原则。其中,由于电感的储能方式仍存在争议,本文中的观点纯粹属于个人对电感的理解。如果您对文章有疑问,您可以在官方账号上留言或添加我的个人微信进行讨论。

在解释电感的储能方法之前,先看看电容器是如何储能的。从项目2的视频中可以看出,电容器储存能量时的电压,从能量的角度可以称为电场。因此,电容器是存储电场的物质。

什么是电场?它是如何产生的?电场是存在于电荷和变化磁场周围空间中的一种特殊物质。储存在电容器中的电场主要是两极板前电荷产生的电场。

电容两极板之间的电荷处于平衡状态,如图1所示:

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图1

当电容器存储电压时,两极板之间的电荷不再是平衡状态,如图2所示。这表明电容器上的电场是由电容器两极板上的电荷不守恒引起的。

图2

现在假设有一个容量无限的电容,上面有+5V当电压与10个电压相同时uF电容并联时,10uF+55也存储在电容器上V如图3所示:

图3

从图3可以看出,电容器在储存电场的过程实际上是由于电源上的电荷破坏了电容器上自身的电荷平衡造成的。当电容器的电荷平衡被破坏时,电容器上有一个电场,我们称之为电容器上的电压。

从以上内容可总结:电容储存的是电场,而电场是因为电容上的电荷平衡被“电压源”打破而导致的。这就是电容储存电压的基本原因。

当电容器放电时,这个过程实际上是在正负两极板之前进行电子转换,使两极板之间再次达到电荷平衡的过程,这是电容器放电的基本原理。详细信息将在视频中解释。

上表示,电感元件上某一时刻的电压与其电流的变化率成正比,因此当电流恒定时,电压为零。也就是说,电感具有通过直流和阻止交流的作用。

式中iL(0) 是电感在t=0时的电流被称为电感电流的初始值。因此,电感元件也是一个记忆元件,其电流具有记忆电压的功能。

当电感元件的电压和电流参考方向相关时,其吸收的瞬时功率表达式为:

也可以推导,从t在0到t期间,电感元件吸收的能量为:

如设iL (t0) = 0,即电感没有储能,

它表明,电感元件在某一时刻的储能只与电感量和电流有关,而与电感两端的电压无关。

图:电感储能原理图

一般电感储能脉冲电源包括储能电感器L、给L充电的初级电源P和断路开关OS组成(如上图所示)有时需要负载ZL和L间串接闭合开关cs。充电后L断开os当时,它会产生更高的感应电压L(di/dt)。这个装置通常可以储能10~100MJ,借助os能量脉冲可以压缩到充电时间的1/5-1/10或更小,脉冲功率可以放大到10^14—10^15W。通常是初级电源Pmarx发生器、电池等。

此时,如果将电感与电容器进行比较,许多人可能会立即认为,当电感器没有储存能量时,也应该有某种物质的平衡。作者本人在思考这个问题时产生了一个概念,即磁荷平衡。

但不幸的是,人类还没有证明磁荷的存在。然而,当电感处于平衡状态时,确实存在某种磁场物质平衡。这种物质被称为磁性类。

这里不详细描述磁性类的概念。但它类似于电容器的储能方式。但磁性类是磁场世界中的一种物质,对应电场中的电荷。

当你对磁类没有深入的了解时,你可以简单地把磁类理解为磁介质中随机排列的无数小磁铁。在没有磁场的环境中,这堆小磁铁会相互抵消各自的磁场,处于平衡状态,使磁介质不表现磁性,如图4所示:

图4

可以看出,当没有电感流过电流时,电感中磁芯内的磁类也处于平衡状态。这与没有电压的电容器,两极板之间的电荷处于平衡状态相同。

图5 平衡磁分布

当电感流过电流时,由于电流中会有磁场,当电流磁场通过磁芯时,电流磁场会打破磁类的平衡状态,使磁类同时倾向于外部磁场的方向。然后导致磁芯在此时显示磁场。这个磁芯磁场从来没有>过程,实际上是电感存储磁场的过程。

图6 磁分布有磁场

从图6可以看出,由于电流磁场,电感磁芯的内部磁分布不平衡。当磁分布不平衡时,磁芯将显示磁场。此时,我们称之为电感具有能量。类似于当电容器有电压时,两极之间的电荷不守恒。

当外部电源被移除时,电感上的磁性类别将恢复到原来的平衡状态。此时,磁芯上的磁场会慢慢变小,因为变化的磁场会产生电场,这就是电感继续的原因。这个过程类似于电容器放电的过程。

上述公式表示,电容器元件上的电流与两端电压的变化率成正比,即电容器元件上的电压变化越快,电流越大;电容器元件上的直流电压为零,电容器电流为零。

因此,电容元件具有切断直流和通信的功能。

上面说明,电容元件在某个时刻T的电压

,不仅仅是当时的电流i(t)它与此时之前的所有电流有关。因此,电容元件是一种记忆元件,电容元件上的电压记忆了此时之前所有电流的效果。

当电容元件的电压和电流参考方向相关时,其吸收的功率

应为:

(1)

显然:

可正,表示电容充电储存能量;可负,表示电容放电释放能量;可为零。

电容元件从t0到 t这段时间吸收的能量是

(2)

假设uC(t0) = 0,即电容器没有初始储能,

(3)

上式说明,某一瞬时电容元件的储能仅与电容大小及该时刻的电压值有关,而与通过电容的电流大小无关。

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