电感是怎么储存能量的

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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：电路中这里对线圈施加的是恒流源，而不是电压源。

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：

这样就有下叙所述的能量转换：

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），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。

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。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，那么把剩余磁通减少到 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，这与理论中无损磁滞回线也是相符合的。

同样，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，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，此时电感器存储的能量应该是最大值，这就有点矛盾了。还有就是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，那也就是说，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，再者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，但恐怕从没听说过“电容器的能量存储在介质中”的说法，那“电感器的能量存储在磁芯” 的说法又无从解释。

 

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资料1

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