揭秘电磁学，第8部分-损耗
我们每天使用的所有能量都来自太阳。本星的聚变过程产生了~3.828×1026每秒有焦耳的能量向各个方向辐射。其中一些能量击中了我们的星球。由植物光合作用，经过一段时间的压缩后，被提取为煤、石油和天然气，燃烧来加热水，为涡轮机提供动力，为液晶显示屏供电，液晶显示屏发出的光子现在正进入你的眼睛。
能量既不会被创造也不会被毁灭，它只是流动。因此，“损失”一词有点用词不当。电气和电磁系统能够将能量从本地来源转移到有用的东西上。然而，并不是所有的输入能量最终都用于预期的目的。其中一些“损失”了，最常见的形式是热量。
废物管理
处理废物的工作有很多。从垃圾收集到污水处理，清理不想要或不想要的东西是一个重要的角色，因为它受到了不公平的诽谤。
电子热管理，处理电子产品由于电子流时发生的损失而引起的加热，是一个由仿真工具支持的成熟行业开云体育KENO快乐彩Simcenter Flotherm．这些损失会导致温度升高，导致热机械故障机制，从而导致产品故障，或需要控制性能降额，以限制温度水平。
所有电子热模拟都需要散热作为模型输入，无论是半导体芯片、电力输送网络还是任何其他有源设备。知道为什么所发生的损失将有助于理解这一最重要的电子热模拟模型输入。
电阻加热
我们谈到了焦耳加热第2部分．电压是电荷(如电子)势能的度量单位，单位是焦耳每库仑(J/C)。电荷流(例如电子)是一种电流，单位是库仑每秒(C/s)。
考虑一根导线，电流在稳态下流过，因此没有随时间变化的行为，即DC:
进入导线的功率是导线起始处施加的电压(每电荷的势能)和电流流速(每秒电荷)的乘积。将两者相乘，得到J/s，即W次方。
当电荷离开导线时，它们的电压(势能)降低了，但电流(电荷流速)是相同的。因此输出功率小于输入功率。
当自由电子撞向铜原子时，它们消耗了一些能量，把其他电子推了出去，导致原子摆动。温度是这种摆动的量度，是消耗能量的结果。每秒损失的热量称为“焦耳加热”。通常定义为I2R。
瞬态磁效应
在上面的例子中，线圈周围有一个磁场，线圈本身持有能量。但这种能量从何而来?在直流稳态中，没有提到这种能量“损失”需要证实磁场。但这种能量肯定来自某个地方，对吧?
如所述第4部分而且第5部分，由于当前流而存在的磁场随着当前流的发展而实例化。从电场分离出的能量产生磁场，延迟了电流的发展。
线圈内的铁芯会产生磁场。由于铁也导电，即它有自由电子，当它们经历变化的磁场时，这些电子将被迫移动。在空间和/或时间上的变化是我们之后会讲到的。所以在核心会产生电流。这些所谓的"涡流的就会导致核心损失焦耳的加热功率。
回到我们的线圈+磁芯Simcenter磁铁模型，虽然这一次作为轴对称2D模型，让我们在线圈上应用固定电压降，并查看磁通密度矢量的瞬态响应，电流(施加在线圈中并在磁芯中感应)和由此产生的欧姆(焦耳加热)损失(W/m)3.)，直至稳定状态:
响应的简单顺序描述如下:
- 当电压加到线圈上后，电流开始流过线圈
- 这在地核内产生了一个磁场，从左向右流动(渗透)
- 随着时间的推移，磁场向下渗透到地核的中心
- 磁场诱导(涡流)电流流动在90度的磁场，在相反的方向线圈电流诱导它
- 这种感应电流导致欧姆(焦耳加热)损耗穿透核心
- 当接近稳态时，磁场不随时间或空间变化，因此不会产生涡流，因此在磁芯中不会发生随后的欧姆损失
尽管在概念上考虑事件的顺序很简单，但实际上它们都是耦合的，并且同时发生。
磁芯中的感应电流发生在磁场(而不是B，磁通量密度)在时间或空间上发生变化的地方。由于欧姆损失与此电流的平方有关，您可以理解磁场、感应电流和由此产生的欧姆热功率损失之间的关系。
磁场逐渐穿透地核，因为一旦地核的一部分被磁化，它就饱和了，它就不能再被磁化了。因此，地核的邻近部分被磁化，直到它也饱和，以此类推，直到整个地核被磁化。磁化的“前沿”，当它穿透核心时，B场在空间和时间上都在迅速变化，导致最大的感应电流，从而最大的欧姆损失。从流体动力学的类比来看就像湍动能的产生在流体速度切变最大的地方最大。
交流响应
而不是在t=0s时对线圈施加固定电压降，并看到系统的响应，如果施加一个连续的正弦电压信号会怎样?以下响应是在螺线管稳定到周期性行为的几个周期后:
在某些方面，这与在time = 0s时施加的原始恒压相同。当线圈电流在时间上变化最大时，感应电流和由此产生的欧姆损失锋穿透铁芯。当电压在周期的后半段变为负值时，线圈电流流向反转，磁芯中的磁通密度通量矢量改变方向。
不管这种方向的改变，标量欧姆损失场及其穿透磁芯的方向与磁场和感应电流场的方向无关。
磁滞损耗
这有点奇怪，通常不是造成整体损失的主要原因。当磁场随时间变化时，它会使核心中的原子重新定向，从而与穿过它们的磁场对齐并加强它们的方向。从第3部分：
当原子带着未配对的电子旋转以使自己与施加的磁场对齐时，就需要付出能量代价。有点像原子摩擦损失原子重新定位的时候。下面是磁芯中这些迟滞损耗的平均时间(AC周期):
损失的预算
所以有三种损失机制在起作用;线圈中的欧姆损耗，磁芯中涡流引起的感应欧姆损耗，磁芯中的迟滞损耗。
对于这个例子，这3种损失机制之间有一个数量级的差异。线圈中的欧姆损失比磁芯中的感应欧姆损失大~10倍，磁芯中的感应欧姆损失比磁芯中的滞回损失大~10倍。
线圈中的损耗是纯焦耳加热，仅是电流(平方)和线圈材料电阻的函数。
磁芯中的感应涡流损失是线圈中电流大小的函数，磁芯中感应磁通密度的后续强度，因此感应磁芯涡流的水平(平方)。如果施加电流->感生磁场->感生涡流的变化频率增大，则时间平均涡流损耗也会增大。
这些涡流在核心可以减轻叠层。金属层之间使用薄介电界面，而不是单一的铁磁材料块。分层垂直于涡流方向，限制了涡流穿透，减小了涡流I2R的损失。
磁芯中的磁滞损失，由于铁原子对施加磁场的旋转排列，是施加磁场变化速率的函数，即线圈电流变化的频率，当然还有由此产生的感应磁场的强度。
从dt项中获得乐趣
洛伦兹力方程是本文和前面博客中描述的大多数电磁物理的基础。给定一个电荷(如电子过剩或不足)，电荷在电场和/或磁场中所受的力:
F = q(E+(v X B))
在哪里E是电场强度，v是电荷的速度，B是磁通量密度，问是电荷和F是它所受到的力，单位是牛顿。
对于所有这些绕线线圈螺线管的例子，导线外的电场为零。导线内没有电荷过剩或不足。自由电子在运动，导线的净电荷为零。是这样的。忽略E场，电荷在B场中所受的力为:
F = q(v X B)
在这个洛伦兹方程的公式中，如果电荷在运动(v非零)，当它通过磁场时，它会受到一个力B．
让我们把v项写成dx/dt，一段时间内位置的变化:
F = q((dx X B)/dt)
dt项对于电荷的位置和磁场的强度都是相同的。在这个公式中，即使电荷没有移动，如果B场随时间变化，那么一个力就会作用在电荷上。然后它就会开始移动移动的电荷就是电流。
在静态B场中移动的电荷或在变化的B场中静止的电荷，这两种情况都会产生一个力作用在电荷上。
在上面的第一个例子中，在施加恒定压降的条件下，当电流达到稳态时，B场不随时间变化，没有力作用在芯内的自由电子上，没有感应电流，因此没有欧姆损失。
在第二个交流例子中，只有当磁场B在时间上变化最快时(当电流从+ve方向翻转到-ve方向时)，才会产生感应涡流，导致磁芯中经历的欧姆损失最大化。
Anecjoke
爱因斯坦的相对论令人震惊。来描述为什么当你在9.81米/秒的太空电梯中加速时，你会感受到相同的力2当你站在地球表面时，这是人类理解的一个里程碑。
抛开时空不谈，爱因斯坦在阐述他的理论时研究的实际上是电磁。爱因斯坦的狭义相对论关注的是相对参照系，这有点类似于我们在前一节中对dt项的乐趣。除此之外，电场和磁场之间的关系被证明是隐式的，它们只是对给定电荷情况的两种看法，只取决于你的参照系。
当然，和你一样，我也觉得这种描述很迟钝。下次我将攻读物理学学位，以便更好地理解爱因斯坦的概念。在那之前，来点轻松的娱乐吧
一个学生在火车上认出了爱因斯坦，就问:教授，请问这列火车在纽约停吗?
